基于最大電流的雙無(wú)刷直流舵機(jī)錯(cuò)峰起動(dòng)控制

李晨陽(yáng)

(西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，西安 710129)

0 引 言

舵機(jī)作為操縱飛行器或船舶舵面(操縱面)轉(zhuǎn)動(dòng)的一種執(zhí)行部件，是系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。舵機(jī)一般可分為兩種，即由電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)部件組成的電動(dòng)舵機(jī)以及由液壓作動(dòng)器與旁通活門組成的液壓舵機(jī)[1]。

電動(dòng)舵機(jī)相較液壓舵機(jī)，具有同等體積下輸出扭矩更大、加工裝配簡(jiǎn)單、維護(hù)改裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用越發(fā)廣泛。隨著各類新型永磁體的出現(xiàn)以及電力電子器件的發(fā)展，航空電動(dòng)舵機(jī)領(lǐng)域也逐漸開始使用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為其執(zhí)行機(jī)構(gòu)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒有換向火花、控制簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好、可靠性高，具有較大的應(yīng)用前景[2]。

電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)是由無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的，在運(yùn)行過程中需要頻繁作動(dòng)，因此會(huì)出現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)工作在不同工作狀態(tài)的情況。而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流較大，若兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)起動(dòng)，峰值電流將更大，在一些容量較小的飛行器中過大的瞬時(shí)電流會(huì)拉低母線電壓，影響其他用電設(shè)備，威脅系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[3]提出一種基于數(shù)字信號(hào)處理(DSP)和復(fù)雜可編程邏輯(CPLD)的雙無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，利用DSP的兩路PWM接口與CPLD的12路PWM信號(hào)控制兩個(gè)三相全橋逆變器，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制。文獻(xiàn)[4]針對(duì)現(xiàn)有無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)電路存在的問題，優(yōu)化電機(jī)軟起動(dòng)電路控制拓?fù)?，排除軟起?dòng)失效故障，實(shí)現(xiàn)了通過逐漸增加電機(jī)繞組電壓來(lái)減小電機(jī)起動(dòng)電流的功能。文獻(xiàn)[5]提出一種基于CPLD的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制方法，分析了采用PWM波來(lái)減小電機(jī)起動(dòng)電流的方案，通過實(shí)驗(yàn)證明其能夠較好適應(yīng)負(fù)載起動(dòng)的工況。

本文針對(duì)共直流母線的雙無(wú)刷直流舵機(jī)起動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)電流需求過大的問題，在提出單臺(tái)電機(jī)軟起動(dòng)策略的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種雙電機(jī)降低電流起動(dòng)方案，能夠在降低起動(dòng)電流需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)平穩(wěn)快速起動(dòng)。

1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)策略分析

理想的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型所研究的兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(星形連接)感應(yīng)電勢(shì)方程與電壓平衡方程：

EΦ=CeΦn

(1)

E=2EΦ=US-2ira-2ΔU

(2)

式中：EΦ為每相感應(yīng)電勢(shì)；Φ為氣隙磁通；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，；E為線電動(dòng)勢(shì)；US為電源電壓；ΔU為開關(guān)管管壓降；i為相繞組電流；ra為相繞組電阻。

由式(2)可以得到相電流表達(dá)式：

(3)

可以看出，導(dǎo)通相繞組中的電流大小與電源電壓、每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有關(guān)。而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速較低，起動(dòng)電流將會(huì)非常大，產(chǎn)生的沖擊會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生瞬時(shí)熱沖擊，會(huì)導(dǎo)致電路中功率管的損壞。

電磁轉(zhuǎn)矩由定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生，可以推得轉(zhuǎn)矩方程：

(4)

式中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩；kT為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

根據(jù)式(4)，電流的波動(dòng)直接造成轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，甚至?xí)?duì)傳動(dòng)設(shè)備造成機(jī)械損傷。為此，需對(duì)電機(jī)設(shè)定一個(gè)最大起動(dòng)電流Ismax，能夠在確保電機(jī)迅速起動(dòng)的同時(shí)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)中其他設(shè)備造成損傷。

本文以傳統(tǒng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制策略為基礎(chǔ)，針對(duì)電壓源型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)平均值等效原理提出了占空比逐漸增大的控制策略，以減小起動(dòng)時(shí)繞組端施加的平均電壓，從而弱化起動(dòng)電流峰值，滿足無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速需求。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓Us、調(diào)制占空比D與驅(qū)動(dòng)電源電壓Ud的關(guān)系：

Ud=DUS

(5)

設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)，開關(guān)管頻率為f，電機(jī)極對(duì)數(shù)為p，繞組線電感為L(zhǎng)a，線反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為ke，一個(gè)控制器周期為T1，一個(gè)控制周期內(nèi)電機(jī)平均轉(zhuǎn)速為nn，則電壓動(dòng)態(tài)方程：

(6)

電機(jī)剛起動(dòng)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)keωe較小，在第一個(gè)控制器周期內(nèi)可以忽略不計(jì)?？捎?jì)算得：

(7)

電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)后，反電勢(shì)keωe不可忽略，若不考慮換相過程影響，求解式(6)得最大定子電流與占空比之間的解析關(guān)系：

(8)

根據(jù)最大起動(dòng)電流Ismax，計(jì)算得第1個(gè)周期占空比：

(9)

第n個(gè)周期占空比：

(10)

分析上述電流推導(dǎo)過程可知，若確定一個(gè)起動(dòng)總時(shí)間ts，可以根據(jù)Ismax的值選擇合適的占空比初始值，逐周期對(duì)占空比調(diào)整，從而降低起動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)。

2 仿真分析

分析無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基本控制原理，在MATLAB/Simulink平臺(tái)建立仿真模型，如圖1所示。

圖1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)仿真模型

根據(jù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)原理，在起動(dòng)初期設(shè)定一個(gè)特定占空比，在轉(zhuǎn)速逐漸增加的同時(shí)增大占空比，直至轉(zhuǎn)速增大到nc時(shí)切換控制狀態(tài)至轉(zhuǎn)速閉環(huán)。軟起動(dòng)期間無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電流波形如圖2所示。

(a) 電流波形

(b) 轉(zhuǎn)速波形

與轉(zhuǎn)速閉環(huán)起動(dòng)時(shí)相比，本文的軟起動(dòng)策略可以大幅減小起動(dòng)電流，在100 ms內(nèi)完成起動(dòng)并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，仍能保持響應(yīng)的快速性。當(dāng)一臺(tái)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行而另一臺(tái)電機(jī)開始起動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)電流的需求低于直流電源的輸出能力，對(duì)系統(tǒng)影響較小。

3 雙電機(jī)起動(dòng)電流分配策略

本文所研究的共直流母線雙無(wú)刷直流舵機(jī)系統(tǒng)，是指一個(gè)直流電源為兩臺(tái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)供電，其電路拓?fù)淙鐖D3所示，這樣的多電機(jī)系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中非常常見。

圖3 共直流母線雙無(wú)刷直流舵機(jī)系統(tǒng)

本系統(tǒng)直流母線電源最大輸出電流為30 A，在此前提下，以最大母線電流為原則，實(shí)時(shí)整定占空比，對(duì)雙無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行錯(cuò)峰起動(dòng)控制。

在共直流母線雙舵機(jī)系統(tǒng)中，若兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)起動(dòng)或同時(shí)加速，兩者疊加將使母線電流急劇增大甚至超出電源電流輸出能力，同樣會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)較大的不利影響。本文提出一種共直流母線無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)錯(cuò)峰起動(dòng)的方法，旨在解決兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)起動(dòng)的電流分配問題，錯(cuò)峰起動(dòng)策略如圖4所示。在起動(dòng)時(shí)間的最初幾個(gè)控制器周期內(nèi)，僅對(duì)電機(jī)1進(jìn)行軟起動(dòng)，在其電流下降到Ismax1時(shí)，電機(jī)1保持相應(yīng)轉(zhuǎn)速，電機(jī)2開始軟起動(dòng)，直至電機(jī)2的起動(dòng)電流下降到Ismax2，電機(jī)2保持相應(yīng)轉(zhuǎn)速，電機(jī)1加速。此后的起動(dòng)過程中，每一段施加特定占空比的時(shí)間內(nèi)，均由電機(jī)1先進(jìn)行加速，而后電機(jī)2加速。即通過實(shí)時(shí)切換控制策略，使兩臺(tái)電機(jī)起動(dòng)過程中電流波動(dòng)的峰值出現(xiàn)在不同的時(shí)間。待加速完成，使得兩臺(tái)電機(jī)電流之和小于直流電源的電流輸出能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)母線輸出電流的合理分配、管理。

圖4 共直流母線無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)錯(cuò)峰起動(dòng)策略

圖5為共直流母線無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)錯(cuò)峰起動(dòng)的電流波形、轉(zhuǎn)速波形和總電流波形。初始起動(dòng)階段(小于2 500 r/min)，單臺(tái)電機(jī)抽取母線電流幅值較大(均在15 A以上)，若兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)起動(dòng)，則直流母線電流將超過30 A，不滿足直流電源應(yīng)用要求。根據(jù)前述理論分析和公式推導(dǎo)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于2 500 r/min時(shí)采用錯(cuò)峰起動(dòng)控制策略，滿足母線電流峰值不超過30A的限幅要求；轉(zhuǎn)速達(dá)到2500 r/min后，母線電流峰值下降到15 A以下，綜合考慮電源利用率和縮短起動(dòng)時(shí)間的角度，之后兩臺(tái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)可切入到轉(zhuǎn)速閉環(huán)。

(a) 電流波形

(b) 轉(zhuǎn)速波形

(c) 總輸出電流波形

采用錯(cuò)峰起動(dòng)控制策略，有助于降低IGBT通態(tài)損耗，提高了效率。IGBT的通態(tài)損耗是指其導(dǎo)通過程中存在的導(dǎo)通壓降產(chǎn)生的損耗，導(dǎo)通特性可由線性公式近似描述：

(11)

式中:vCE為 IGBT的實(shí)際導(dǎo)通壓降；vF為快恢二極管的實(shí)際導(dǎo)通壓降；Tj_T為 IGBT的實(shí)際結(jié)溫；Tj_D為快恢二極管的實(shí)際結(jié)溫；rce為 IGBT的實(shí)際通態(tài)電阻；rF為快恢二極管的實(shí)際通態(tài)電阻；Vce_25℃為 IGBT在25 ℃時(shí)的導(dǎo)通壓降；VF_25℃為快恢二極管在25 ℃時(shí)的導(dǎo)通壓降；Kv_T為IGBT 導(dǎo)通壓降的溫度系數(shù)；Kv_D為快恢二極管導(dǎo)通壓降的溫度系數(shù)。

根據(jù)上述公式結(jié)合前述分析可知，采用錯(cuò)峰起動(dòng)控制策略可以有效降低繞組間導(dǎo)通電流，有效降低IGBT和快恢二極管的實(shí)際導(dǎo)通壓降vCE和vF。再由功率計(jì)算公式，可推知IGBT和快恢二極管對(duì)應(yīng)的通態(tài)損耗pcond_T和pcond_D分別如下：

(12)

式中：φ為電流、電壓相角關(guān)系；Iout為電流有效值。

如式(12)分析可知，繞組間導(dǎo)通電流的減小，同時(shí)有助于通態(tài)功率損耗和內(nèi)阻損耗，提高控制器的工作效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)共直流母線雙無(wú)刷直流舵機(jī)頻繁起停的工作特點(diǎn)，本文提出了一套完整的直流無(wú)刷舵機(jī)起動(dòng)方案。在僅單臺(tái)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，采用限制PWM占空比的策略，避免了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)過大的起動(dòng)電流對(duì)系統(tǒng)的沖擊，從而保證另一臺(tái)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。在兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)起動(dòng)時(shí)，以最大電流原則，靈活調(diào)整占空比，錯(cuò)開兩臺(tái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電流的峰值，降低對(duì)母線電流的總需求。仿真結(jié)果與理論分析相吻合，證明了錯(cuò)峰起動(dòng)控制策略的有效性，該策略在多電機(jī)控制系統(tǒng)和作動(dòng)較多的工作環(huán)境具有普遍適用性。