雙通道無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的能.docx

雙通道無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的性能董慧芬，周元鈞，沈松花北京航空航天大學(xué)，自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京100083，中國(guó)摘要本文將會(huì)介紹雙通道無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的性能。它將被用于下一代飛機(jī)的機(jī)電制動(dòng)器（EMA）。文章將討論在誤差范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩特性和功率損耗，分析銅耗對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響；也會(huì)對(duì)EMA系統(tǒng)下的兩種模式的運(yùn)行特性進(jìn)行了數(shù)值模擬及分析。最后將會(huì)得到對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)的電機(jī)頻率。一、引言無刷直流電機(jī)（BLDCM）具有更好的可控性，更高的功率和效率，被廣泛應(yīng)用于航空科技。提高電機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性成為不可或缺的研究?jī)?nèi)容。由多繞組定子，多套獨(dú)立電力電子裝定，組成的多通道控制系統(tǒng)，是提高系統(tǒng)可靠性的一種方法。本文重點(diǎn)介紹為何雙通道無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)將被用于下一代飛機(jī)的機(jī)電制動(dòng)器（EMA）。本文也會(huì)涉及誤差范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩特性和功率損耗，分析銅耗對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響；最后是頻率響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究示例。二、雙通道的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)雙通道的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的電力電子電路構(gòu)成的兩組三相繞組，從而組成的雙通道控制系統(tǒng)，如圖1所示。其規(guī)格如下10KW，9000rpm，270VDC，轉(zhuǎn)子是由八個(gè)永磁極形成的外形 3 。定子繞組星形連接，兩繞組間有30電角度之差。該系統(tǒng)可在雙通道模式下正常操作，當(dāng)任何一邊發(fā)生路障可切換到單通道模式；系統(tǒng)能夠超載運(yùn)行。圖1雙通道的BLDCM控制系統(tǒng)示意圖和是控制變量的母線電壓，和是繞組的相電流，忽略在每相之間的相電流紋波和持續(xù)電流的影響，這兩套繞組的電壓方程可以寫成 4 ： （1）（2）這里是功率器件的等效電阻，相電阻，是自感系數(shù)，是互感系數(shù)，和分別是兩套繞組的電動(dòng)勢(shì)。由于繞組的參數(shù)是相同的，與氣隙磁場(chǎng)為梯形波的頂部角度大于120電角度，得到如下的公式：。電磁扭矩是 （3）機(jī)械特性的描述如下：（4）顯然，雙通道系統(tǒng)就是轉(zhuǎn)矩和控制系統(tǒng)，在電流變化時(shí)，兩套繞組會(huì)產(chǎn)生互感干擾對(duì)方。這是不同于通過一軸連接兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。為了使電機(jī)運(yùn)行在平衡狀態(tài)，在雙繞組同時(shí)工作時(shí)，Ud1應(yīng)該等于Ud2。在單通道操作，其中一個(gè)繞組電流為零。另一個(gè)繞組的運(yùn)行電壓方程如下： （5）電磁轉(zhuǎn)矩如下： （6）機(jī)械特性的描述如下： （7）比較公式（4）和公式（7）可以看出，電機(jī)工作在兩種模式下時(shí)，無負(fù)載角速度是相同的；但單繞組模式下角速度的下降是雙繞組的兩倍。樣品的機(jī)械特性曲線如圖2所示。圖2樣品的機(jī)械特性三、電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性由電磁時(shí)間常數(shù)和機(jī)電時(shí)間常數(shù)所決定。A.電磁時(shí)間常數(shù)當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在雙繞組運(yùn)行模式，通常，然后參考 “（1）”，“（2）”，“（3）”，雙繞組的電磁轉(zhuǎn)矩為 （8）這里，。參考“（5）”和“（6）”，單繞組的電磁轉(zhuǎn)矩為 （9）在單通道模式切換到雙通道模式時(shí)，電磁時(shí)間常數(shù)從增加到 B.機(jī)電時(shí)間常數(shù)電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)公式為: （10）其中是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，是無負(fù)載速度。參考“（3）”，在雙通道模式的制動(dòng)扭矩為，參考“（6）”，單通道模式下的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，單渠道模式機(jī)電時(shí)間常數(shù)是雙通道模式下的兩倍 （11）機(jī)電時(shí)間常數(shù)可估計(jì)為，單渠道模式機(jī)電時(shí)間常數(shù)約為雙通道模式下的兩倍。四、功能和能耗之間的關(guān)系 雙通道模式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不同于單通道，單通道模式運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和功率是有限的，系統(tǒng)特性也有影響。在這兩種模式下，電機(jī)的電磁大小和速度是不變的，空載損耗也相同，只有銅耗是不同的。A銅耗和轉(zhuǎn)矩電機(jī)額定功率是基于雙通道操作設(shè)計(jì)的，雙繞組的電流是相等，。雙繞組的額定銅耗：（12）和分別是兩繞組的銅耗，是繞組的額定電流，相電阻。參考 “（2）”，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩是 （13）當(dāng)一組繞組的工作和另一組繞組的電流為零，如果電磁轉(zhuǎn)矩保持正常，銅耗會(huì)增加到額定銅耗的兩倍。銅耗必須在單通道模式是不變的，它等于電機(jī)的額定銅耗，方程（14）可參考“（12）”：，允許電流為 （14）允許的電磁轉(zhuǎn)矩： （15）如果銅耗保持不變，電動(dòng)機(jī)工作在單通道模式，它可以被看做工作電流是額定電流的1.4倍，允許電磁轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的70%。B單通道模式在上述單通道模式中，轉(zhuǎn)矩受電動(dòng)機(jī)功率損耗和允許溫度限制。允許轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的70%， 但必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，如果操作過程在單渠道模式在完成，可以采用的控制方法如下： 通過保持溫度恒定上升下轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)。當(dāng)一個(gè)通道故障，系統(tǒng)在單通道模式下工作。從以上分析，如果銅耗和溫度上升保持恒定，電流和轉(zhuǎn)矩將分別為額定的140%和70%。那么系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)將退化。 保持電壓恒定的電磁轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)。為了不影響系統(tǒng)的功能，單通道操作模式下保持轉(zhuǎn)矩恒定，工作電流為，銅耗將增加或溫度會(huì)上升。例如樣品的工作溫度為130，雖然采用H級(jí)材料，絕緣性和軸承會(huì)長(zhǎng)期受損。 適當(dāng)?shù)臏囟壬仙码姶呸D(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)。采用適當(dāng)提高電機(jī)溫度方法，單通道模式下允許扭矩減小為0.85，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不大于0.85。在電機(jī)工作了很長(zhǎng)一段時(shí)間后，溫度與額定值比較略有增加，電機(jī)的絕緣性和軸承是無害的，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響也較小。C系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性仿真分析雙通道直流電動(dòng)機(jī)適用于驅(qū)動(dòng)飛機(jī)舵；通過機(jī)械傳輸單位，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線行駛，如減速器，滾珠絲杠角位移等。舵角位移與滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)成正比。在動(dòng)態(tài)特性的模擬分析，舵實(shí)驗(yàn)的負(fù)載部分在下圖中 5 。飛機(jī)舵負(fù)載可以被描述為 6 ： （16）這里J是系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，是等效于摩擦阻尼系數(shù)，是轉(zhuǎn)子角位移，是該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩，是電機(jī)角位移的鉸鏈力矩。為了迅速實(shí)現(xiàn)舵調(diào)節(jié)，電機(jī)必須具有較高的加速度，增加電流過載系數(shù)是增大加速度的方法，系統(tǒng)也具有較好的動(dòng)態(tài)特征。但電機(jī)的銅耗會(huì)增加，然后銅耗與動(dòng)態(tài)特性有直接關(guān)系特別是在故障系統(tǒng)下。模擬結(jié)果如圖3所示，模擬是按照8 Hz，10mm的正弦信號(hào)，圖3（a）是雙通道的運(yùn)作模式，相電流最大振幅是25A，銅耗的計(jì)算公式（12）改為： （17） 其中T是一個(gè)周期，電機(jī)的額定銅耗計(jì)為321w。根據(jù)樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果的溫度，電機(jī)穩(wěn)定升溫為45，如果環(huán)境溫度是60；則電機(jī)的工作溫度為105。圖3（b）是單通道模式，相電流最大振幅55A，銅耗的計(jì)算公式如下： （18）電機(jī)銅耗為655w，這顯然是超過額定值，上升溫度增加了25，電機(jī)的工作溫度為130，長(zhǎng)時(shí)間工作電動(dòng)機(jī)將受到傷害。采用保持銅耗恒定的方法，在單繞組運(yùn)行模式可以畫出10mm的正弦信號(hào)，但要在較低的頻率下，仿真結(jié)果如圖4（a）所示，頻率只有6Hz，工作相電流為35A，參考“（18）”銅耗為314w。如果采用適當(dāng)增加溫度方法，頻率為7Hz，仿真結(jié)果示于圖4（b），工作相電流為48A，參考“（18）”銅耗為406w，上升溫度增大10，電機(jī)的工作溫度為115，即使工作很長(zhǎng)一段時(shí)間，電機(jī)傷害也很小。圖3 8Hz正弦波信號(hào)的仿真結(jié)果圖4允許誤差的仿真結(jié)果五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的頻率響應(yīng)樣品的參數(shù)如下：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J = 0.00065kg.m2，電源電壓是270VDC，功率為10KW，最大速度是900rads，系統(tǒng)的平均速度250弧度/秒。試驗(yàn)樣品速度開環(huán)頻率特性也進(jìn)行了測(cè)量，方向舵的平均速度為250弧度/秒，速度波動(dòng)在150rads 和350rads之間，單通道和雙通道操作頻率響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)曲線如圖5所示（a）雙通道（b）單通道圖5頻率響應(yīng)特性的曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在雙通道模式中如果穩(wěn)定裕度作為45，頻率帶為30Hz，但在單通道模式中頻率帶為20Hz。由于不同的機(jī)電時(shí)間常數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響是不同的。六、結(jié)論在以雙通道控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的雙繞組電機(jī)，在單通道模式下不能允許錯(cuò)誤操作；當(dāng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)大于雙通道模式下時(shí)，會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；功率損失的限制也影響該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。參考文獻(xiàn)：1 Nelson J. 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