基于雙模控制的直流力矩發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計

(西安郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，西安 710121)

0 引言

電力行業(yè)是現(xiàn)代行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，也是電氣工程的核心，能夠更好帶動國民經(jīng)濟快速增長。發(fā)電機是實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的重要裝置，在航天航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。無論是燃?xì)獍l(fā)動機還是柴油發(fā)動機作為應(yīng)用在航空設(shè)備上的動力裝置，都會出現(xiàn)沖擊性負(fù)載問題[1]。由于柴油發(fā)動機力矩屬性較軟，在使用過程中，一旦遇到渣滓，容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)不動現(xiàn)象，運轉(zhuǎn)過程中沖擊性負(fù)載對于動力裝置提出了更高要求，尤其是航空發(fā)電機大角度失調(diào)時需要快速定位，并重新控制目標(biāo)。傳統(tǒng)控制方式采用的是Bang-Bang控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以加大對系統(tǒng)控制力度[2]。傳統(tǒng)Bang-Bang控制系統(tǒng)利用相平面分析法，雖然提高了系統(tǒng)控制力度，但時間過長；而采用非線性控制系統(tǒng)，提出了一種偏差控制方式，具有較大局限性，無法對故障目標(biāo)精準(zhǔn)度定位；采用廉價編碼盤設(shè)計直流力矩發(fā)動機控制系統(tǒng)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)高精準(zhǔn)定位效果，但不適用于航空發(fā)動機跟蹤設(shè)備。

針對上述存在的問題，提出了基于雙模控制的直流力矩發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)雙模控制原理，系統(tǒng)自動追蹤故障目標(biāo)，該過程接近最佳過渡的故障目標(biāo)追蹤動態(tài)過程，避免其受到外界擾動影響，以實現(xiàn)航空發(fā)電機恒功率運行和轉(zhuǎn)速高精準(zhǔn)控制。

1 基于雙模控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

直流力矩發(fā)動機雙模控制原理如圖1所示。

圖1 直流力矩發(fā)動機雙模控制原理

依據(jù)發(fā)動機及跟蹤架傳遞函數(shù)，計算系統(tǒng)動態(tài)誤差，在小偏差范圍內(nèi)切換為線性控制方式[3]。通過上述分析，采用雙模控制方法切入到線性控制時的可行轉(zhuǎn)換原則：

首先對航空發(fā)電機失調(diào)角度限速，保證限速后的失調(diào)角度在轉(zhuǎn)化為線性控制后，不會沖出雙模控制范圍。確定回路校正輸出飽和值，獲取雙模控制切入到線性控制時的位置偏差，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計原理，捕獲切入到故障跟蹤階段的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則[4]。依據(jù)該準(zhǔn)則，設(shè)計直流力矩發(fā)動機控制系統(tǒng)。

基于雙模控制的直流力矩發(fā)動機控制系統(tǒng)是由硬件和軟件共同組成的，硬件是系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)，而軟件部分是系統(tǒng)控制的關(guān)鍵部分，只有兩者相互配合，系統(tǒng)才能可靠運行[5]。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

當(dāng)系統(tǒng)運行速度值與實時反饋值之差大于設(shè)定的基準(zhǔn)偏差值時，電動機在電流環(huán)控制器下，按照恒定功率加速方式，使系統(tǒng)在恒定加速模式下運行。反之，當(dāng)系統(tǒng)運行速度值與實時反饋值之差小于設(shè)定的基準(zhǔn)偏差值時，將發(fā)動機切換到鎖相環(huán)工作模式，實現(xiàn)故障的精準(zhǔn)定位[6]。通過相應(yīng)控制電路，增強系統(tǒng)抗干擾性能。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)主控芯片采用TMS320F28335PGFA型號數(shù)字信號處理器，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)是由電源模塊、功率轉(zhuǎn)換模塊、驅(qū)動模塊以及電路組成的。直流力矩發(fā)動機經(jīng)過三段式啟動后，檢測電路對電壓采樣情況，系統(tǒng)將采集到的信號傳輸?shù)綌?shù)字信號處理器之中，分析轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動情況。脈沖寬度調(diào)制信號經(jīng)過驅(qū)動模塊控制，完成換相[7]。

2.1 轉(zhuǎn)速模擬器

轉(zhuǎn)速信號模擬器作為控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍測量儀器之一，在不啟動發(fā)動機情況下，模擬產(chǎn)生并輸出供航空發(fā)電機所需的轉(zhuǎn)速信號。給定電流信號調(diào)試電子調(diào)速器，能夠大幅度節(jié)省燃油費用，并且提高系統(tǒng)故障檢測精準(zhǔn)度；在開機狀態(tài)下，能夠現(xiàn)場檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，并通過人機界面顯示數(shù)值[8]。

該模擬器主要是由航空發(fā)電機電源、信號產(chǎn)生器、信號調(diào)理器、單片機測量顯示器等模塊組成的，通過頻率調(diào)整旋鈕，使輸出頻率變?yōu)榭烧{(diào)標(biāo)準(zhǔn)方波信號，并通過數(shù)碼管顯示出來。由于航空發(fā)電機為調(diào)試對象，因此，轉(zhuǎn)速測量是該模擬器中的特殊功能[9]。

轉(zhuǎn)速信號模擬器中的串行A/D轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 串行A/D轉(zhuǎn)換電路

由轉(zhuǎn)速信號模擬器將產(chǎn)生的0～20 mA電流轉(zhuǎn)換為0～2.0 V模擬電壓信號，連接到MAX144型號可編程邏輯器件上，并依次將其連接到CH0和CH1端口。將可編程邏輯器件參考基準(zhǔn)電壓設(shè)置為2 V，如此能有效提高信號轉(zhuǎn)換精準(zhǔn)度。

2.2 功率轉(zhuǎn)換模塊

碳化硅(Sic)智能功率模塊具有質(zhì)量輕、體積小的優(yōu)勢，該模塊有助于提高功率轉(zhuǎn)換器密度。該模塊是柵極驅(qū)動器與功率晶體管完全結(jié)合的產(chǎn)物，利用碳化硅低切換損耗和高工作溫度優(yōu)勢，使功率模塊在極端條件下實現(xiàn)可靠運行。對于航天發(fā)電機級模塊，具備三相功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個切換位置中都含有一個100A碳化硅晶體管和100A肖特基續(xù)流二極管。碳化硅材料在允許結(jié)溫條件下可靠運行，以此降低冷卻標(biāo)準(zhǔn)。以提供與硬件設(shè)備之間最合適的膨脹匹配系數(shù)，最大限度減少電感可更快切換碳化硅晶體管，并降低轉(zhuǎn)換能耗。

2.3 數(shù)字信號處理器

選擇TMS320F28335PGFA型號數(shù)字信號處理器，是一種專用于數(shù)字信號處理的微處理器，該處理器可將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。內(nèi)置數(shù)字信號處理器是系統(tǒng)主機內(nèi)通過邏輯電路對數(shù)字信號進(jìn)行加工的，也是數(shù)字信號處理器專用芯片。TMS320F28335PGFA型號數(shù)字信號處理器并非只局限于音視頻層面，采用通用微處理器完成大量數(shù)字信號處理，滿足實際要求。使用位片式微處理器具有復(fù)雜邏輯程序，通過這些程序能夠快速實現(xiàn)對信號采集、變換、估值、增強、壓縮與識別等處理，獲取符合系統(tǒng)要求的信號形式。

2.4 電源模塊

電源模塊是電路板上的電源供應(yīng)器，該類模塊為負(fù)載點電源，具有隔離作用，抗干擾能力較強，自帶保護(hù)功能，方便集成。高頻小型化開關(guān)電源成為發(fā)動機系統(tǒng)主流，在通信領(lǐng)域中，將單相和三相交流電網(wǎng)變換為直流電源形式。在轉(zhuǎn)速模擬器使用的一次電源中，高頻開關(guān)電源通過IGBT高頻工作，開關(guān)頻率控制在50～100 kHz范圍內(nèi)，實現(xiàn)開關(guān)電源的高效率供電。

2.5 電流環(huán)控制器

對于高轉(zhuǎn)速航天發(fā)電機，設(shè)計的發(fā)動機電流環(huán)控制器隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，發(fā)動機驅(qū)動電流逐漸下降，進(jìn)而不斷調(diào)高控制電壓。為了改善系統(tǒng)控制效率，添加電流環(huán)，為發(fā)動機提供相對恒定電流。

電流環(huán)控制器對轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行邏輯處理后，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，經(jīng)過串行A/D轉(zhuǎn)換電路處理后傳送至逆變器之中，進(jìn)而控制發(fā)動機設(shè)備正常運作。在電流環(huán)控制器中使用三相全控式電路，主要是由三個溝道功率管組成的，每個溝道功率管都帶有反向續(xù)流二極管。通過改變控制電壓，就可高效調(diào)節(jié)脈寬占空比，以此改變繞組平均電壓，控制發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

對于基于雙模控制的直流力矩發(fā)動機控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計，在MPLABI_DE集成開發(fā)環(huán)境下完成的程序設(shè)計，通過PIC仿真下載器調(diào)試程序，并將其下載到TMS320F28335PGFA型號數(shù)字信號處理器之中。

3.1 電流環(huán)控制程序

采用雙模控制磁場補償方式，檢測電源母線電路電流大小，并監(jiān)控發(fā)動機工作電流。由于電流環(huán)控制器在控制電流為0時，對應(yīng)2.5 V輸出電壓，一旦電流增加1A電流，那么雙模控制下的輸出電壓增加1/10，因此，為了精準(zhǔn)獲取電流變化情況，使用如下傳遞函數(shù)：

U0=-(L-2.5)k1+U1

(1)

公式(1)中：U1表示控制輸出電壓；k1表示正向比例；L表示輸出電流。在電流負(fù)反饋作用下，控制電流環(huán)電流輸出，實現(xiàn)直流力矩發(fā)動機以恒功率方式正常工作。

3.2 轉(zhuǎn)子預(yù)定位程序

在轉(zhuǎn)子預(yù)定位階段進(jìn)行兩次定位，以此提高定位成功率。首先給兩相繞組通電，保證其具有足夠大的電流，如果通電電流過大，那么將會引起直流力矩變大，那么較大慣性的轉(zhuǎn)子將會在預(yù)定位置來回擺動；反之，電流過小，那么直流力矩也變小，因此，需要選擇大小適中的通電電流。

航空發(fā)電機轉(zhuǎn)子預(yù)定位程序流程設(shè)計如下所示：

設(shè)直流力矩發(fā)動機繞組通電狀態(tài)state為0，此時脈沖寬度調(diào)制占空比為0，兩相繞組通電，此時通電狀態(tài)state為1。增大脈沖寬度調(diào)制占空比，兩相繞組通電時間延遲到100 ms，此時判斷脈沖寬度調(diào)制占空比是否大于50%？如果不是，則需重新增大脈沖寬度調(diào)制占空比。如果是，則再次通電兩相繞組，此時通電狀態(tài)state為2。脈沖寬度調(diào)制占空比再次回歸到0，增大脈沖寬度調(diào)制占空比，兩相繞組通電時間延遲到100 ms，再次判斷脈沖寬度調(diào)制占空比是否大于50%？如果不是，則需重新增大脈沖寬度調(diào)制占空比。如果是，則完成轉(zhuǎn)子預(yù)定位程序設(shè)計。

3.3 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序設(shè)計如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序設(shè)計

將系統(tǒng)復(fù)位，并初始化與用戶有關(guān)的參數(shù)，當(dāng)按下啟動鍵時，需進(jìn)行轉(zhuǎn)子預(yù)定位。待定位完成后，切換到同步加速運行狀態(tài)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸升高，由此完成系統(tǒng)軟件程序設(shè)計。

4 試驗與分析

系統(tǒng)實驗對象為直流力矩發(fā)動機控制系統(tǒng)，為了驗證基于雙模控制的直流力矩發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計合理性，需將傳統(tǒng)的Bang-Bang控制系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)和廉價編碼盤控制系統(tǒng)與之對比。

4.1 實驗平臺搭建

在完成直流力矩發(fā)動機控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計后，需搭建實驗平臺，調(diào)試控制系統(tǒng)軟硬件，并在該平臺上分析發(fā)動機相關(guān)實驗波形，以此驗證系統(tǒng)設(shè)計的合理性。

通過人機交互界面，在監(jiān)測畫面中可以觀察到發(fā)動機轉(zhuǎn)速情況，以此確定發(fā)動機速度控制范圍。在給定速度情況下，查看發(fā)動機穩(wěn)定運行時實際速度以及出現(xiàn)故障情況實時速度。具體實驗原理與流程如圖6所示。

圖6 實驗原理與流程

如圖6所示，為直流力矩發(fā)動機控制系統(tǒng)驗證平臺，使用的實驗設(shè)備有：

1)選擇型號為DC12 V/24 V的永磁直流電機，具有齒輪減速馬小達(dá)正反轉(zhuǎn)開關(guān)；

2)選擇UTP3315TFL型號的直流電源，具有30 V/32 V穩(wěn)定電源；

3)采用MZ73消磁電阻具有二、三腳電阻器；

4)采用SDS1122E+數(shù)字示波器，具有150～200 M雙通道示波器。

4.2 實驗參數(shù)設(shè)置

實驗參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 實驗參數(shù)設(shè)置

通過調(diào)節(jié)控制芯片輸出的信號可以實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，有效減少電動機轉(zhuǎn)矩脈動。

4.3 發(fā)動機速度波形分析

直流力矩發(fā)動機控制系統(tǒng)一旦開啟后，系統(tǒng)運行速度在人機界面下，顯示的波形如圖7(a)所示，實際系統(tǒng)運行速度波形如圖7(b)所示，故障情況下系統(tǒng)運行速度波形如圖7(c)所示，其中T表示指令。

由圖7可知：系統(tǒng)剛啟動時的速度波形上下波動幅度一致，具有一定規(guī)律性；實際系統(tǒng)運行速度波形隨著運行時間變化發(fā)生改變，最高運行速度為540 T/s，最低運行速度為400 T/s；故障情況下系統(tǒng)運行波形變化極不規(guī)律，最高運行速度為540 T/s，最低運行速度為350 T/s。為了研究直流力矩發(fā)動機控制系統(tǒng)故障檢測定位速度，需詳細(xì)分析故障情況下系統(tǒng)運行情況。

4.4 試驗結(jié)果與分析

由于每次轉(zhuǎn)子預(yù)定位過程，發(fā)動機轉(zhuǎn)速受到運行時間影響，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速大不相同，為了方便分析，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于雙模控制的直流力矩發(fā)動機控制系統(tǒng)在實際運行情況與出現(xiàn)故障，即轉(zhuǎn)速突變和突加負(fù)載情況下進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8(a)：在運行時間為0.5 s時，四種系統(tǒng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速不同，基于雙模控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高為4300 r/s，傳統(tǒng)Bang-Bang控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高為4100 r/s，非線性控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高為3750 r/s，廉價編碼盤控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高為3500 r/s。當(dāng)運行時間為2.2 s時，四種系統(tǒng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速都達(dá)到最低，依次為3700 r/s、3650 r/s、3350 r/s、2900 r/s。當(dāng)運行時間為1.0～2.0 s/3.0～3.5 s時，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。

圖8(b)：突加負(fù)載下，四種系統(tǒng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變，但當(dāng)運行時間為2.0 s時，四種系統(tǒng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速最小值發(fā)生改變，依次為3900 r/s、3900 r/s、3700 r/s、3100 r/s。當(dāng)運行時間為1.0～2.0 s/2.5～3.5 s時，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。

基于上述分析內(nèi)容，將四種系統(tǒng)的故障檢測定位速度進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表2所示。

由表2可知：基于雙模控制系統(tǒng)故障檢測定位速度最快，而Bang-Bang控制系統(tǒng)故障檢測定位速度最快為0.10個/s，相比于基于雙模控制系統(tǒng)，速度慢0.05個/s；非線性控制系統(tǒng)故障檢測定位速度最快為0.11個/s，比基于雙模控制系統(tǒng)故障檢測定位速度慢0.06個/s；廉價編碼盤控制

表2 四種系統(tǒng)故障檢測定位速度對比分析

系統(tǒng)故障檢測定位速度最快為0.20個/s，比基于雙模控制系統(tǒng)故障檢測定位速度慢0.15個/s。由此可知，基于雙模控制的直流力矩發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計是具有合理性的，且故障檢測定位速度較快。

5 結(jié)束語

在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，基于雙模控制的直流力矩發(fā)動機控制系統(tǒng)已經(jīng)成為航空設(shè)備主流系統(tǒng)，將計算機資源從復(fù)雜數(shù)據(jù)中解放出來，進(jìn)而可以更好實施整個系統(tǒng)的高效控制與管理。在精準(zhǔn)度定位下，目標(biāo)滿足圖像提取要求，結(jié)合雙模控制原理完成故障目標(biāo)捕獲。通過實驗結(jié)果表明，在既定的直流力矩發(fā)動機基礎(chǔ)上，加以雙模控制，在故障目標(biāo)精準(zhǔn)度定位速度上最快可達(dá)到0.05個/s，具有良好控制效果。但該方法設(shè)計的直流力矩發(fā)動機控制系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中，需要克服較大阻尼力矩，可以利用補償電機帶動直流力矩發(fā)動機啟動，對于增加較大容量的能量存儲設(shè)備等方面有待進(jìn)一步研究。