一體化永磁同步電動機泵控制研究

馬升潘，駱光照，唐文明，方學禮

(西北工業大學，陜西西安710129)

0 引 言

隨著現代科學技術的發展，超高音速飛行器的發展已成為各國關注的熱點。特別是X－51飛行器的成功試飛，智能電動燃油泵作為超燃沖壓發動機供油系統的核心裝置［1］，要求其能夠在系統參數攝動及外部擾動不確定的情況下依然能夠對泵的出口燃油進行實時閉環精確調節。

目前航空發動機的主燃油泵多采用固定排量的齒輪泵，齒輪泵的轉速與發動機轉速直接相關，使得在一些飛行姿態上提供過量燃油，多余燃油重新流回油箱造成燃油溫度升高，又需要額外提供配套的冷卻系統［2］。

新型高性能戰機(如F22、F35)采用基于稀土永磁電機的智能電動燃油泵，這類燃油泵系統可根據發動機轉速靈活調整供油量，但是由于無刷直流電動機與開關磁阻電動機的自身轉矩脈動較大，轉速調節精度較低，從而對燃油泵出口壓力、流量的調節精度及實時性產生一定的影響。

永磁同步電動機相對于無刷直流電動機與開關磁阻電動機能夠實現在大范圍的調速中保持高精度、高動態性能等優點。本系統采用柱塞泵與永磁同步電動機的一體化設計結構，將傳統動密封問題轉換為靜密封問題，大大降低了設計及制造難度，同時顯著提高了系統的功重比及功率體積比。耦合后的電機泵數學模型變得更加復雜，高速高空環境下存在很多影響負載特性的因素如振動、摩擦、溫度、氣壓、外界天氣參數的擾動等，進而影響對輸出油量的控制，使飛行過程受到影響。傳統的PI控制在負載變化下具有一定抗干擾能力，但在一定范圍內對于系統模型及參數時變的反應能力不足，易造成控制性能的下降，難以滿足電機泵對出口燃油的高精度控制要求。滑模變結構控制對電機泵數學模型精度要求不高，對參數及外部擾動的不確定性變化具有一定的自適應性和魯棒性，響應速度快，同時具有算法簡單、便于工程實現的特點，因此提出滑模變結構矢量控制策略以改善電機泵控制性能。并通過基于TMS320F2812與智能驅動模塊2SD315A構成的電機泵控制系統平臺進行驗證，力求控制器高效可靠。

1 系統模型

1.1 一體化電機泵

永磁同步電動機與柱塞泵一體化設計結構如圖1所示。

圖1 一體化電機泵

將永磁同步電動機轉子作為泵缸體，將柱塞泵體集成在永磁同步電動機轉子中，使泵體和電機成為一個整體。其中柱塞泵的流量特性:

式中:V為泵的排量;z為柱塞數量;d為柱塞直徑;D為柱塞回轉直徑;β為斜盤傾角;n為轉子轉速。

由式(1)、式(2)可以看出，通過改變電機轉速實現對泵出口油量的無級變量調節。

1.2 一體化電機泵模型

一體化電機泵采用隱極式永磁同步電動機。在不計電機磁路飽和及磁滯、渦流損耗影響的情況下，伺服系統采用id=0的永磁同步電動機轉子磁場控制。

永磁同步電動機電壓方程:

磁鏈方程:

永磁同步電動機電磁轉矩方程:

一體化電機泵的運動方程:

式中:i為d、q軸電流;u為d、q軸電壓;Rs為電機泵定子相電阻;L為等效d、q軸電感;p為極對數;ψf為永磁體磁鏈;ωe為電機泵轉子電角速度;J為折算到電機軸上的總轉動慣量;B為粘滯摩擦;TL為柱塞泵負載;V為泵的排量;p2為泵的出口壓力;p1為泵的進口壓力。

在實際運行高空高速的工況下，電機泵會隨飛行器高度和速度變化由預增壓泵對進出口油壓p1、p2進行調整，從式(7)可以看出，這會造成負載轉矩的變化，同時永磁同步電動機的系統參數也會隨高空高速環境發生變化，從而造成結構耦合后的電機泵的系統模型及參數時變更為復雜。

2 趨近律滑模速度控制器設計

電機泵是速度閉環控制系統，考慮到系統運行要求動態響應速度快的特點，需要對電流同時進行閉環控制。速度環控制器采用滑模變結構算法進行控制，以給定轉速與實際轉速的差值作為輸入，速度環控制器輸出則作為電流環調節器的參考給定電流iq輸入，電流環調節器采取抗積分飽和PI控制。

2.1 傳統等速趨近律滑模

傳統等速指數趨近律，如下。

式中:k，ε為可設定的變指數趨近律參數。s為滑模面;－ks為指數趨近項，指數趨近項趨近速度隨s變化由一較大值逐漸降低至0，不能保證有限時間內到達滑模面，而等速趨近項εsign(s)在s接近于0時，由于趨近速度s并不為0，能夠保證在有限時間內到達滑模面。指數趨近律其切換帶為帶狀，使得系統在切換帶運動過程中趨近于原點附近的一個抖振，該抖振會激發系統建模中未考慮的高頻成份，使控制器負擔加重［3］。

2.2 改進型變速趨近律滑模速度環控制器

針對傳統等速趨近律響應速度較慢及抖振現象，對一般等速趨近律進行如下改進。

取系統的狀態變量:

式中:n*為電機泵給定轉速;n為電機泵實際轉速。

為使系統無超調達到穩定狀態，選取一階滑模面:

式中:c為可設定的一階滑模面參數。

改進型變速趨近律:

由式(3)～式(6)得:

將系統狀態變量|x1|引入，從控制器的控制律可以看出，系統狀態量在滑模面以外運動時以－ks指數與－ε|x1|sign(s)變速兩種趨近速度向滑模面運動，速度大幅提高，指數項在接近滑模面時作用逐漸減弱至0，此時－ε|x1|sign(s)變速項起主要作用，在系統穩定并無限趨向于零的過程中，狀態量|x1|進入滑模面并趨向于原點運動，同時控制項－ε|x1|的不斷減小使得抖振減弱。采用變速趨近項替換等速趨近項在提高了系統快速性同時也消弱了滑動模態的抖振。

因為:

所以，改進型變速趨近律依然滿足滑動模態存在性和到達條件。

“邊界層”法［4］對滑模控制過程中的抖振現象具有抑制和消除作用。采用飽和函數sat(s，δ)代替控制律中的符號函數sign(s)，其中

式中:δ為可設定的邊界層厚度參數。飽和函數sat(s，δ)使控制在邊界層內部由原來的滑動模態上的變結構切換方式變為連續控制方式，進一步消除了滑模面的抖振現象。圖2為改進的趨近律控制量iq流程圖。

圖2 改進的趨近律控制量iq流程圖

3 硬件設計

控制器硬件設計功能方案如圖3所示。

電機泵控制器實時檢測信號多、算法復雜、實時計算量大，系統以TMS320F2812作為主控芯片，通過自身ADC接口采集母線電壓、母線電流、冷板溫度信號、油泵進出口油壓，通過 CPLD操作AD2S1210、AD7357檢測轉子位置與A、B相電流實時值，并通過地址數據線接口將CPLD采集到的速度信號與相電流信號反饋給DSP以便進行矢量運算并進一步通過事件管理器(EV)發出PWM經光耦隔離后驅動2SD315A來實現對永磁同步電動機的精確控制。

圖3 控制器硬件結構圖

上位機通過磁隔離通信芯片ADM2587E對控制器進行通信，能夠實現實時參數設置及實時狀態監測。

4 仿真與實驗分析

速度環調節器采用改進型變速趨近律滑模控制(以下簡稱SMC)，電流環調節器采用抗積分飽和PI控制，id=0矢量控制。系統采用的控制方案結構框圖如圖4所示。

圖4 系統控制結構框圖

通過MATLAB/Simulink建立包括電機泵和控制器的動態仿真模型。永磁同步電動機參數:極對數2;額定功率15 kW;額定轉速11 000 r/min;額定轉矩15 N·m;額定電壓300 V;定子繞組電阻0.054 5Ω;d、q 軸電感 0.227 mH;轉動慣量 J=7.097 ×10－4kg·m2;磁鏈 ψf=0.061 3 Wb。

仿真參數:轉速給定11 000 r/min，負載15 N·m下起動，0.2 s時負載轉矩從15 N·m突降至10 N·m。趨近律滑模控制器參數:ε=0.000 5;k=10 000;c=10 000;A=0.001 929;δ=0.02;電流環參數:kp=10;ki=0.5。仿真結果如圖5所示。

由圖5(a)、圖5(c)、圖5(e)可以看出，突卸負載時，采用 PI控制，系統轉速波動22 r/min，相電流、轉矩有較明顯的波動，需要一定的調節時間恢復到穩態，且存在穩態誤差;從圖5(b)、圖5(d)、圖5(f)看出采用，改進型趨近律滑模控制器，系統轉速波動只有3 r/min，相電流、轉矩具有較好的動態性能，抗外界擾動能力強，魯棒性好，穩態精度高。

圖5 系統突卸負載時動態響應仿真結果

電動燃油泵實驗平臺如圖6所示，轉速給定11 000 r/min，實驗得出的穩態數據如圖7所示。

圖6 電動燃油泵實驗平臺

圖7 改進型變速趨近律滑模實驗波形

由于仿真模型與實際電機模型存在差異，導致實驗的結果在數據上不能與仿真完全一致，但是從圖7可以看出，采用改進型變速趨近律滑模變結構矢量控制可以快速無超調到達額定轉速，穩態誤差在0.5%以內，可有效實現對電動泵的高速高精度控制。

5 結 語

本文針對一體化柱塞式電動燃油泵的復雜控制模型，為提高泵用永磁同步電動機調速系統的穩態品質及抗擾動能力，在分析了常規等速趨近律滑模變結構控制后，進一步提出一種改進型變速趨近律滑模控制，仿真結果表明該趨近律可以有效抑制滑模固有的抖振現象，在保證了穩態精度的同時提高了系統抗負載擾動能力。本文同時提出了相應的硬件設計，并通過實驗驗證了其有效性。

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