基于PID的多電發(fā)動(dòng)機(jī)磁軸承控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

王嚴(yán)偉，高毅軍，宋啟波

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500)

0 引 言

多電發(fā)動(dòng)機(jī)作為未來多電飛機(jī)的動(dòng)力裝置，是多電飛機(jī)的核心系統(tǒng)之一，對(duì)發(fā)展多電飛機(jī)具有決定性意義。多電發(fā)動(dòng)機(jī)取消潤滑油系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，集成簡(jiǎn)化機(jī)載電氣系統(tǒng)，采用電磁軸承、電動(dòng)泵、電驅(qū)動(dòng)裝置和靈巧智能傳感器，簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，減小飛機(jī)迎風(fēng)面積，提高供電能力來滿足大功率定向能武器的需要，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性，降低了維護(hù)成本。

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)多電技術(shù)在航空發(fā)達(dá)國家得到快速發(fā)展，并在發(fā)動(dòng)機(jī)上完成了驗(yàn)證。20世紀(jì)70年代，S2M公司首先為地面燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)研制了主動(dòng)磁軸承，NOVA公司在1985年開始將磁軸承應(yīng)用于無潤滑的壓氣機(jī)中，20世紀(jì)90年代美國和歐盟開始發(fā)展相應(yīng)計(jì)劃，在美國IHPTET計(jì)劃中開展了發(fā)動(dòng)機(jī)磁軸承技術(shù)驗(yàn)證[1]。

多電發(fā)動(dòng)機(jī)是集成主動(dòng)磁懸浮軸承、內(nèi)置式起動(dòng)發(fā)電機(jī)、全電氣化傳動(dòng)附件、分布式數(shù)字控制系統(tǒng)等多電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無潤滑系統(tǒng)和無機(jī)械傳動(dòng)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。其中，主動(dòng)磁懸浮軸承技術(shù)為多電發(fā)動(dòng)機(jī)的重要關(guān)鍵技術(shù)之一。主動(dòng)磁懸浮軸承是利用電磁力使軸承穩(wěn)定懸浮起來，且軸心位置可以控制的一種新型軸承，其壽命是機(jī)械軸承的數(shù)十倍。為保證磁軸承可靠懸浮，磁軸承的主動(dòng)電磁控制技術(shù)至關(guān)重要。本文以某小型單軸多電發(fā)動(dòng)機(jī)為背景，重點(diǎn)闡述基于PID控制算法的磁軸承控制系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)及在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)中的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證情況。

1 多電發(fā)動(dòng)機(jī)磁軸承系統(tǒng)概述

多電發(fā)動(dòng)機(jī)為單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其總體結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。多電發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子為5自由度支撐結(jié)構(gòu)，包括前徑向磁軸承、后徑向磁軸承和推力磁軸承，同時(shí)布置位移傳感器檢測(cè)磁軸承靜子與轉(zhuǎn)子之間的間隙，布置備用軸承防止磁軸承突然失控和非懸浮狀態(tài)的支撐。

圖1 多電發(fā)動(dòng)機(jī)磁軸承布局示意

磁軸承系統(tǒng)包括電子控制器、位移傳感器、功率放大器和磁軸承本體。其工作原理：位移傳感器用于監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，并將信息實(shí)時(shí)傳入電子控制器，電子控制器經(jīng)過運(yùn)算確定必要的PWM信號(hào)，并將PWM信號(hào)輸入功率放大器，由其變換出磁軸承繞組電流，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位于磁軸承幾何中心。

2 磁軸承控制系統(tǒng)方案

多電發(fā)動(dòng)機(jī)磁軸承控制系統(tǒng)由電子控制器、功率放大器、電渦流位移傳感器等組成，系統(tǒng)原理如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在5個(gè)自由度上的運(yùn)行，由前徑向磁軸承、后徑向磁軸承和推力磁軸承提供承載力支撐發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子懸浮。現(xiàn)設(shè)定前徑向、后徑向和推力軸承的方向坐標(biāo)軸5個(gè)自由度方向:X1，Y1，X2，Y2，Z，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮在中心，需設(shè)計(jì)5個(gè)控制回路分別控制X1，Y1，X2，Y2，Z5個(gè)方向。圖2中電渦流位移傳感器將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與磁軸承靜子之間的間隙實(shí)時(shí)傳給控制器，控制器根據(jù)控制算法對(duì)位移偏差進(jìn)行運(yùn)算，得到控制電流，電流控制算法得到PWM信號(hào)，10路PWM信號(hào)由驅(qū)動(dòng)電路放大后送入功率放大器的H橋電路，控制功率管的開通與關(guān)斷，從而在母線電壓的作用下，在磁軸承繞組中產(chǎn)生控制電流，磁軸承進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)轉(zhuǎn)子的支撐力。

圖2 磁軸承控制系統(tǒng)原理框圖

2.1 硬件方案設(shè)計(jì)

根據(jù)磁軸承控制功能需求，形成了磁軸承控制系統(tǒng)的總體方案，如圖3所示。硬件包括了DSP處理器單元、FPGA信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、驅(qū)動(dòng)控制單元、信號(hào)采集單元、散熱處理單元等。

DSP處理器：實(shí)現(xiàn)控制算法，信號(hào)采集處理，開關(guān)量處理，轉(zhuǎn)速采集處理，軟件下載升級(jí)，外部設(shè)備通訊；對(duì)輸入位移和電流信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出PWM占空比信號(hào)，輸送至功率放大器。FPGA轉(zhuǎn)換信號(hào)單元實(shí)現(xiàn)DSP輸出PWM信號(hào)輸入變換，磁軸承繞組電流數(shù)據(jù)交互及PWM信號(hào)反饋比較等功能。驅(qū)動(dòng)控制單元實(shí)現(xiàn)弱電信號(hào)與強(qiáng)電信號(hào)隔離，對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行電流放大，輸出電流至磁軸承繞組并反饋繞組電流至電子控制器。信號(hào)采集單元實(shí)現(xiàn)對(duì)磁軸承繞組電流和磁軸承間隙進(jìn)行信號(hào)采集、調(diào)理等，并對(duì)監(jiān)視功率器件溫度信號(hào)進(jìn)行采集。散熱處理單元主要實(shí)現(xiàn)發(fā)熱功率器件的散熱，防止控制電路溫度過高對(duì)CPU、FPGA 等核心機(jī)芯片造成損壞。

圖3 磁軸承控制系統(tǒng)硬件框圖

2.2 磁軸承PID控制算法及軟件設(shè)計(jì)

磁軸承控制系統(tǒng)是典型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，如見圖4所示，其由內(nèi)環(huán)電流環(huán)和外環(huán)位置環(huán)實(shí)現(xiàn)控制。一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)一般由控制對(duì)象、控制器和檢測(cè)等環(huán)節(jié)組成，控制器根據(jù)設(shè)定值與檢測(cè)裝置所檢測(cè)的實(shí)際輸出值之間按照某種算法或規(guī)律運(yùn)算，運(yùn)算所得的結(jié)果作為控制量作用于被控對(duì)象，從而控制被控對(duì)象的輸出。

圖4 磁軸承閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

根據(jù)PID算法原理，比例、積分、微分參數(shù)對(duì)磁軸承的剛度、阻尼均有影響。在軟件設(shè)計(jì)中需增加PID參數(shù)約束，避免PID不合理的參數(shù)增加系統(tǒng)不穩(wěn)定性。磁軸承結(jié)構(gòu)為差動(dòng)形式，控制策略同樣采用差動(dòng)式，磁軸承單個(gè)自由度PID差動(dòng)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過采集磁軸承的上端Lx+、下端間隙Lx-,與給定間隙Lo相比較得到Lin+和Lin-，參與PID算法計(jì)算，得到控制電流的偏差±ΔI。將偏差電流±ΔI加上平衡電流Io,給定至PWM功率放大器，并且與反饋電流比較，計(jì)算并得到磁軸承繞組電流驅(qū)動(dòng)磁軸承轉(zhuǎn)子懸浮。

圖5 單個(gè)自由度磁軸承PID差動(dòng)控制結(jié)構(gòu)圖

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的5個(gè)自由度需采用5個(gè)圖5的單自由度差動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮各個(gè)自由度的耦合關(guān)系，對(duì)每個(gè)自由度進(jìn)行修正。

磁軸承控制系統(tǒng)PID算法中，微分參數(shù)設(shè)置不合理時(shí)會(huì)放大外界干擾噪聲，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的振蕩。因此，在PID控制算法中增加一階低通濾波器，能夠有效消除高頻干擾信號(hào)，增強(qiáng)控制系統(tǒng)魯棒性，此控制器的傳遞函數(shù)：

(1)

對(duì)式(1)采用一階差分離散化，可得PID環(huán)節(jié)總輸出：

UN(k)=KpE(k)+KiE(k)+Ui(k-1)+

Kd1[E(k)-E(k-1)]+Kd2Ud(k-1)

(2)

控制器總輸出：

Uend(k)=KL1UN(k)+KL2[UN(k)-UN(k-1)]+

KL3Uend(k-1)

(3)

磁懸浮PID運(yùn)算程序流程圖如圖6所示。控制算法依靠控制軟件實(shí)現(xiàn)，主程序通過調(diào)用子模塊來協(xié)調(diào)各個(gè)子模塊的關(guān)系。DSP上電后，首先進(jìn)行初始化程序，完成之后調(diào)用PID控制參數(shù)初始化模塊，之后打開中斷使能定時(shí)器進(jìn)行PID和相位補(bǔ)償控制算法。

圖6 磁軸承PID運(yùn)算程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

多電整機(jī)開展了磁軸承控制技術(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，隨發(fā)動(dòng)機(jī)開展了運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，最高轉(zhuǎn)速至9 000 r/min，磁軸承運(yùn)行穩(wěn)定。選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min和9 000 r/min的磁軸承控制狀態(tài)圖譜，如圖7～圖10所示，數(shù)據(jù)如表1和表2所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，磁軸承的位移未超出偏移范圍，磁軸承繞組控制電流未出現(xiàn)異常。

圖7 6 000 r/min磁軸承的位移圖譜

圖8 6 000 r/min磁軸承各路繞組控制圖譜

圖9 9 000 r/min磁軸承的位移圖譜

圖10 9 000 r/min磁軸承繞組控制控制圖

表1 6 000 r/min時(shí)磁軸承的位移數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)子位移位置平衡位移d/μm偏移位置最大dmax/μm偏移位置最小dmin/μm偏移峰峰值dpp/μm允許偏移量值d'/μmx1125140.51121.1619.35250y1125140.39109.0031.39250x2125152.4797.1155.36250y2125152.9696.3356.63250z150171.37130.8740.5300

表2 9 000 r/min時(shí)磁軸承的位移數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

本文介紹了多電發(fā)動(dòng)機(jī)磁軸承控制系統(tǒng)架構(gòu)、原理，開展了建模與仿真，設(shè)計(jì)了PID算法，實(shí)現(xiàn)了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的五自由度控制，最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速30 000 r/min；實(shí)現(xiàn)了多電發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架穩(wěn)定運(yùn)行。在整個(gè)多電發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中磁軸承穩(wěn)定運(yùn)行，磁軸承控制系統(tǒng)工作性能達(dá)到了預(yù)期效果，驗(yàn)證了多電發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)磁軸承控制的可行性，本文對(duì)多電發(fā)動(dòng)機(jī)磁軸承控制研究具有較好的借鑒價(jià)值。