一種地面微型燃機用起發(fā)控制器設(shè)計

曾慶軍，尚德堉，鄭 浩，鄭自偉

(貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

微型燃機也稱微型燃?xì)鉁u輪機，是一種由燃?xì)廨啓C、起動/發(fā)電機和數(shù)字控制器等部分組成的發(fā)電動力裝置，可分為單軸結(jié)構(gòu)和雙軸結(jié)構(gòu)兩種形式，目前先進的微型燃?xì)廨啓C主要采用單軸直驅(qū)的結(jié)構(gòu)形式。它具有可遙控、效率高、體積小、重量輕、啟動快等一系列優(yōu)點[1]，在民用領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、軍事應(yīng)用領(lǐng)域等均有很好的市場應(yīng)用前景。本文所論述的地面微型燃機屬于某防化武器系統(tǒng)用的微型單軸渦輪噴氣發(fā)動機的裝置，主要為系統(tǒng)的發(fā)煙主機、燃油控制器、起動控制器、滑油控制器、霧油控制器、引氣控制器、點火控制器、發(fā)電控制器、蓄電池等進行供電。

起動/發(fā)電系統(tǒng)是燃?xì)廨啓C系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是對燃?xì)廨啓C的狀態(tài)監(jiān)測、起動控制、轉(zhuǎn)速控制、故障監(jiān)測與處理、停機控制等，起動/發(fā)電系統(tǒng)不僅要有邏輯控制，還應(yīng)該有復(fù)雜的過程控制、各種嚴(yán)格的保護控制以及輸入/輸出信號處理等等。起動/發(fā)電系統(tǒng)相對整個系統(tǒng)來說，價格相對較高的功能部件，運行過程中若出現(xiàn)意外事故，則會造成整個用電系統(tǒng)的事故，嚴(yán)重時，會造成重大損失。因此，提高燃?xì)廨啓C系統(tǒng)性能的關(guān)鍵之一是提高起動/發(fā)電系統(tǒng)的性能指標(biāo)，起動/發(fā)電控制器系統(tǒng)在安全性、可靠性方面要求較高，在某種程度上，決定了微型燃機運行的經(jīng)濟性、安全性、可用率以及不同工況下的性能等指標(biāo)。由于無刷直流電機既具備交流電機的結(jié)構(gòu)簡單、功率密度大、運行可靠、維護方便和效率高等優(yōu)點[2]，又具備了直流電機調(diào)速性能好、起動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，在微型燃?xì)廨啓C能量轉(zhuǎn)換裝置中首選為起動/發(fā)電機。

本文所研究的是某地面微型燃機國產(chǎn)化替代項目中所用的1.5 kW起/發(fā)電機控制系統(tǒng)，利用電機的可逆原理，實現(xiàn)起動/發(fā)電機雙功能，借助于數(shù)字信號處理器(dsPIC30F4012)的數(shù)據(jù)處理功能，基于無刷直流電機的控制原理，大功率電力電子技術(shù)的研究，從而使起動/發(fā)電控制器滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

1 控制策略

起動過程，無刷直流電機的驅(qū)動技術(shù)主要有帶位置傳感器的控制策略和無位置傳感器的起動控制策略兩種方式，結(jié)合系統(tǒng)對起動/發(fā)電的可靠性要求，本系統(tǒng)選擇帶位置傳感器的三相六狀態(tài)無刷直流電動機控制策略。帶位置傳感器的無刷直流電動機是由電機本體(定子側(cè)為電樞繞組，轉(zhuǎn)子側(cè)為永磁體及軸)、位置傳感器和電子換相電路等三大部分組成，如圖1所示。

圖1 無刷直流電動機工作原理方框圖

當(dāng)電動機處于電動狀態(tài)時，其工作原理是借助反映轉(zhuǎn)子位置的位置傳感器的輸出信號，通過電子換向線路去驅(qū)動與電樞繞組連接的相應(yīng)的功率開關(guān)器件(注：電子換向線路與功率開關(guān)器件等組成控制器)，使電樞繞組依次通電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，位置傳感器不斷地送出信號，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變。

發(fā)電過程，起/發(fā)電機完成起動功能后，微型燃機可以通過燃料作為能源實現(xiàn)做功且在傳動軸的驅(qū)動下拖動起/發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，同時在定子三相繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，經(jīng)整流和DC/DC變換后，最終為用電設(shè)備供電，電機工作原理如圖2所示。

圖2 發(fā)電機狀態(tài)工作原理

本文所述的控制器主要由起動控制模塊和發(fā)電控制模塊兩大功能單元組成，起動控制單元完成起發(fā)電機的起動功能，主要由三相橋式電路、輔助電源轉(zhuǎn)換電路、霍爾信號處理電路、主控DSP電路、驅(qū)動電路等組成；發(fā)電控制單元將起發(fā)電機輸出的三相交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電，主要由三相橋式電路、輸入濾波電路、DC/DC變換電路、輸出濾波電路、輔助電源電路、PWM控制電路、驅(qū)動電路、檢測電路等組成。起動控制單元與發(fā)電控制單元共用三相橋式電路，起動時作DC/AC運行，發(fā)電時作AC/DC運行，產(chǎn)品功能框圖見圖3。

圖3 產(chǎn)品功能框圖

1.1 工作過程

a)起動過程，起發(fā)控制器由外部電池供電，起動控制單元接收到系統(tǒng)“QT”指令為使能(高電平有效)，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換將信號傳送給DSP，開啟六路PWM驅(qū)動，控制三相橋式電路逆變工作，將直流24 V轉(zhuǎn)換成三相交流帶轉(zhuǎn)起發(fā)電機，將其轉(zhuǎn)速帶到點火轉(zhuǎn)速，或者冷拖到8500 r/min以上，起動過程不超過14 s；

b)點火成功后，到達脫開轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)“QT”指令為失能(低電平有效)，起發(fā)控制器主控DSP關(guān)閉六路PWM驅(qū)動，起動控制停止，三相橋式電路失去控制，呈自然整流狀態(tài)；

c)脫開起動控制起發(fā)電機到達一定轉(zhuǎn)速后，發(fā)電控制單元接收到系統(tǒng)“FD”指令，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換將信號送至PWM控制器，開啟PWM驅(qū)動DC/DC開關(guān)管，經(jīng)過BUCK電路斬波后穩(wěn)定輸出27.5 V±0.5 V直流電；

d)起發(fā)控制器在整個工作過程中給系統(tǒng)提供起發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號，在發(fā)電運行時提供故障報警信號。

通過對無刷直流電動機的起動過程、發(fā)電過程的控制，并進行合理的切換，則可構(gòu)成起動/發(fā)電控制器，使其滿足地面微型燃機系統(tǒng)的高性能使用要求。

1.2 數(shù)學(xué)模型

永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子上安裝永磁體，定子上嵌入電樞繞組，其極數(shù)與轉(zhuǎn)子極數(shù)相同，定子繞組通過電子換向器(無刷直流電動機控制器)與外部電源連接。

為了簡化分析，需對無刷直流電動機做如下假設(shè)[3]：

a)電樞繞組完全對稱，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布均對稱；

b)忽略電樞反應(yīng)的影響；

c)電樞繞組在定子內(nèi)表面均連續(xù)分布；

d)磁路不飽和，不計渦流損耗和磁滯損耗。

就本項目使用三相六狀態(tài)運行永磁無刷直流電動機為對象進行建模，其定子三相繞組的電壓方程為：

(1)

式中，R為電樞繞組電阻，Ω；La、Lb、Lc分別為三相繞組自感，H；Mab為A相和B相之間的互感，H；其他依次類推；且有Mab=Mba，Mac=Mca,Mbc=Mcb。

電磁功率可表示為：

Pem=eaia+ebib+ecic

(2)

電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：

(3)

運動方程為

(4)

式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；B為阻尼系數(shù)；Ω為機械角速度；J為轉(zhuǎn)動慣量[4]。

2 起/發(fā)電控制器設(shè)計

起/發(fā)控制器接收到系統(tǒng)的“起動命令”后，開始接通起動電動機、燃油泵、點火器等系統(tǒng)裝置，此時，起/發(fā)電機作為電動機使用，當(dāng)電機將負(fù)載(微型燃機)帶轉(zhuǎn)至點火轉(zhuǎn)速時，微型燃機點火成功并開始工作，在電動機的拖動下進入系統(tǒng)的暖機和加速階段；當(dāng)微型燃機達到自持轉(zhuǎn)速以上后，此時，起/發(fā)電動機進入發(fā)電狀態(tài)，系統(tǒng)正常運行。

結(jié)合上述過程，對起/發(fā)電控制器的設(shè)計分為起動過程控制功能單元、發(fā)電過程控制功能單元設(shè)計。

2.1 起動過程控制

本項目中電機的電子換向線路采用三相橋式接法，換流制式為二相導(dǎo)通的三相六狀態(tài)，換流原理如圖4所示。

本病例中，27根管入口急彎，采用去除牙本質(zhì)壁，消除根管入口急彎的方法，但在去除牙本質(zhì)時應(yīng)避免側(cè)穿、底穿的發(fā)生。預(yù)備MB2時應(yīng)注意[7]：①先用 #8、#10銼配合EDTA凝膠疏通根管；②根據(jù)根管彎曲度預(yù)彎器械；③擴大根管口和根管上2/3；④結(jié)合運用化學(xué)預(yù)備、X線輔助、根管顯微鏡等多種手段。

圖4 三相星形橋式接法的換流原理圖

換流過程如下，令轉(zhuǎn)子磁極軸線與定子U相繞組的軸線的夾角為t電角度：

當(dāng)t=30°時，Q1、Q6導(dǎo)通，即電源正極→Q1→U→V→Q6→電源負(fù)極；

當(dāng)t=90°時，Q1、Q2導(dǎo)通，即電源正極→Q1→U→W→Q2→電源負(fù)極；

當(dāng)t=150°時，Q3、Q2導(dǎo)通，即電源正極→Q3→V→W→Q2→電源負(fù)極；

當(dāng)t=210°時，Q3、Q4導(dǎo)通，即電源正極→Q3→V→U→Q4→電源負(fù)極；

當(dāng)t=270°時，Q5、Q4導(dǎo)通，即電源正極→Q5→W→U→Q4→電源負(fù)極；

當(dāng)t=390°時，又重復(fù)t=30°時的狀態(tài)。

電樞繞組的導(dǎo)通順序與功率開關(guān)管的導(dǎo)通順序之間的關(guān)系可用表1來表示，其中一個周期內(nèi)每個功率開關(guān)管的導(dǎo)通角為120°電角度，一個磁狀態(tài)所持續(xù)的電角度為60°。

表1 兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)導(dǎo)通順序表

經(jīng)過對起動過程控制單元功能的實現(xiàn)進行分析，起動控制單元的原理框圖如圖5所示，主要包括電源管理電路、霍爾調(diào)理電路、轉(zhuǎn)速輸出電路、起/?？刂齐娐贰sPIC30F4012最小系統(tǒng)、電流采樣/處理電路、驅(qū)動電路、功率電路等。

圖5 起動控制器組成原理框圖

其工作原理是輸入功率電源24 VDC電壓通過濾波電路后施加在由功率MOSFET管組成的三相功率橋上；霍爾換相信號檢測、外部起/?？刂菩盘枴⑾嚯娏鞑蓸有盘柦?jīng)dsPICF4012最小系統(tǒng)處理后產(chǎn)生PWM控制信號和電機轉(zhuǎn)速輸出頻率信號，PWM控制信號通過驅(qū)動電路、功率驅(qū)動模塊，輸出三組電機方波驅(qū)動電壓，依次給電機三相繞組通電，從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。

a)硬件設(shè)計

綜合本系統(tǒng)所需的I/O口、PWM輸出引腳、AD采樣等資源，電機驅(qū)動使用的微處理器為Microchip公司生產(chǎn)的專用電機控制芯片(dsPIC30F4012)，該芯片基于改進的哈弗架構(gòu)設(shè)計，帶有靈活尋址模式優(yōu)化的C語言編譯器指令架構(gòu)，易于軟件開發(fā)[5-6]。單片機通過對起發(fā)電機轉(zhuǎn)子位置的解算、PWM調(diào)制信號的生成、電機轉(zhuǎn)速的控制；同時通過電流傳感器采集的電流信號、外部給定的起/停信號，經(jīng)過軟件編程實現(xiàn)系統(tǒng)過電流保護和起動過程的開始/停止，其外圍電路原理圖設(shè)計如圖6所示。

圖6 單片機最小系統(tǒng)電路原理圖

b)軟件設(shè)計

采用數(shù)字控制方式控制電機運行的核心在于軟件，因此整個項目的關(guān)鍵在于軟件算法的設(shè)計。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)的軟件主要由主程序、IO初始化、中斷服務(wù)子程序幾個部分組成。軟件中只有一種工作模式，該模式下主要完成控制器的上電初始化、電機起/?？刂啤⑦\行過程中的過流保護、過流條件下的轉(zhuǎn)速判斷、轉(zhuǎn)速輸出等功能。該狀態(tài)下的起動模塊軟件功能控制流程圖如圖7所示。

圖7 起動模塊軟件功能控制流程圖

2.2 發(fā)電過程控制

發(fā)電過程控制單元采用三相可控整流器(與起動控制單元共用)+Buck變換器的電路方案，原理框圖見圖8，在微型燃機的拖動下，起/發(fā)電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，U、V、W三相交流電壓輸入三相可控橋式整流，經(jīng)可控整流橋的續(xù)流二極管進行整流后，將輸出的三相交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動直流電壓，為減小輸入電流脈動，降低電磁干擾，對該脈動直流電壓進行LC濾波，后級Buck變換通過PWM控制可實現(xiàn)輸出27.5V穩(wěn)壓。

圖8 三相可控整流器+Buck變換器原理框圖

其工作原理簡述為：開關(guān)管對整流直流電壓進行斬波控制，在開關(guān)管的導(dǎo)通期間，輸入電流對電感L、電容C進行儲能，并向負(fù)載提供能量；在開關(guān)管的關(guān)斷期間，電感L通過二極管進行續(xù)流，與電容C向負(fù)載提供能量。通過調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時間(即占空比)來實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，開關(guān)頻率設(shè)置為60 kHz。控制電路的核心為脈寬調(diào)制集成電路SG1525，該芯片內(nèi)部集成了電壓基準(zhǔn)、誤差放大器、鋸齒波發(fā)生器、脈寬調(diào)制器、同步電路、雙端口互補輸出驅(qū)動電路，并具有軟起動、死區(qū)調(diào)節(jié)、欠壓鎖定和輸出關(guān)斷等功能，通過外圍器件組成PWM控制電路，通過閉環(huán)控制改變脈寬進行穩(wěn)壓，其誤差調(diào)節(jié)方式采用PI調(diào)節(jié)。

經(jīng)過對發(fā)電過程的仿真計算，各轉(zhuǎn)速輸出電壓關(guān)系如表2所示。

表2 起/發(fā)電機發(fā)電運行轉(zhuǎn)速與輸出電壓關(guān)系

3 試驗

試驗系統(tǒng)參數(shù)及起發(fā)電機的主要設(shè)計參數(shù)見表3所示。

表3 試驗系統(tǒng)的參數(shù)及起發(fā)電機的主要設(shè)計參數(shù)

起發(fā)控制器、起發(fā)電機產(chǎn)品實物見圖9所示，起動過程的母線電流波形和1.5 kW負(fù)載下的發(fā)電電壓波形見圖10所示。

圖9 實物樣機

圖10 起動過程母線電流、發(fā)電過程發(fā)電電壓波形

從圖10的測試波形可以看出，系統(tǒng)的起動過程、發(fā)電過程受控，波形正常，從而說明所設(shè)計的起/發(fā)控制器起動點火成功，到達了系統(tǒng)指標(biāo)，滿足了系統(tǒng)設(shè)計要求；通過本項目的研制，并且經(jīng)過多次系統(tǒng)聯(lián)試，完全可以替換原進口的起/發(fā)系統(tǒng)；解決了起動電流大、成功率低、傳動噪聲大等問題。

4 結(jié)論

本文介紹了無刷直流電動機作為某地面微燃機用起/發(fā)電機的控制原理及設(shè)計方法，并基于dsPIC30F4012最小數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)其起動過程，共用三相橋式電路作為整流器的BCUK電路實現(xiàn)其發(fā)電過程，從實驗結(jié)果及系統(tǒng)的聯(lián)試結(jié)果看，利用無刷直流電動機作為起/發(fā)電機的起動控制、發(fā)電等性能參數(shù)滿足某地面微型燃機系統(tǒng)的性能要求；該方案的成功實現(xiàn)，對新一代地面防化裝備、航空、民用等領(lǐng)域用無刷直流電動機起/發(fā)控制器的研究積累了一定的工程經(jīng)驗。