基于最大電流的雙無刷直流舵機錯峰起動控制

李晨陽

(西北工業大學 自動化學院，西安 710129)

0 引 言

舵機作為操縱飛行器或船舶舵面(操縱面)轉動的一種執行部件，是系統中不可或缺的組成部分。舵機一般可分為兩種，即由電動機和傳動部件組成的電動舵機以及由液壓作動器與旁通活門組成的液壓舵機[1]。

電動舵機相較液壓舵機，具有同等體積下輸出扭矩更大、加工裝配簡單、維護改裝方便等優點，在航空航天等領域應用越發廣泛。隨著各類新型永磁體的出現以及電力電子器件的發展，航空電動舵機領域也逐漸開始使用無刷直流電動機作為其執行機構，無刷直流電動機由于其結構簡單、沒有換向火花、控制簡單、調速性能好、可靠性高，具有較大的應用前景[2]。

電動舵機系統是由無刷直流電動機直接驅動的，在運行過程中需要頻繁作動，因此會出現兩臺電機工作在不同工作狀態的情況。而無刷直流電動機起動電流較大，若兩臺電機同時起動，峰值電流將更大，在一些容量較小的飛行器中過大的瞬時電流會拉低母線電壓，影響其他用電設備，威脅系統整體的穩定性。

文獻[3]提出一種基于數字信號處理(DSP)和復雜可編程邏輯(CPLD)的雙無刷直流電動機控制系統，利用DSP的兩路PWM接口與CPLD的12路PWM信號控制兩個三相全橋逆變器，實現對兩臺無刷直流電動機的轉速、電流雙閉環控制。文獻[4]針對現有無刷直流電動機軟起動電路存在的問題，優化電機軟起動電路控制拓撲，排除軟起動失效故障，實現了通過逐漸增加電機繞組電壓來減小電機起動電流的功能。文獻[5]提出一種基于CPLD的無刷直流電動機軟起動控制方法，分析了采用PWM波來減小電機起動電流的方案，通過實驗證明其能夠較好適應負載起動的工況。

本文針對共直流母線的雙無刷直流舵機起動過程中會出現電流需求過大的問題，在提出單臺電機軟起動策略的基礎上，設計了一種雙電機降低電流起動方案，能夠在降低起動電流需求的同時，實現兩臺電機平穩快速起動。

1 無刷直流電動機軟起動策略分析

理想的無刷直流電動機數學模型所研究的兩相導通三相六狀態無刷直流電動機(星形連接)感應電勢方程與電壓平衡方程：

EΦ=CeΦn

(1)

E=2EΦ=US-2ira-2ΔU

(2)

式中：EΦ為每相感應電勢；Φ為氣隙磁通；n為電機轉速，；E為線電動勢；US為電源電壓；ΔU為開關管管壓降；i為相繞組電流；ra為相繞組電阻。

由式(2)可以得到相電流表達式：

(3)

可以看出，導通相繞組中的電流大小與電源電壓、每相感應電動勢有關。而感應電動勢與轉速成正比，無刷直流電動機起動時轉速較低，起動電流將會非常大，產生的沖擊會對電機產生瞬時熱沖擊，會導致電路中功率管的損壞。

電磁轉矩由定轉子磁場相互作用產生，可以推得轉矩方程：

(4)

式中:Te為電磁轉矩；kT為轉矩系數。

根據式(4)，電流的波動直接造成轉矩波動，甚至會對傳動設備造成機械損傷。為此，需對電機設定一個最大起動電流Ismax，能夠在確保電機迅速起動的同時，不會對系統中其他設備造成損傷。

本文以傳統無刷直流電動機控制策略為基礎，針對電壓源型逆變器拓撲結構，根據平均值等效原理提出了占空比逐漸增大的控制策略，以減小起動時繞組端施加的平均電壓，從而弱化起動電流峰值，滿足無刷直流電動機調速需求。無刷直流電動機驅動電壓Us、調制占空比D與驅動電源電壓Ud的關系：

Ud=DUS

(5)

設穩態時，開關管頻率為f，電機極對數為p，繞組線電感為La，線反電動勢系數為ke，一個控制器周期為T1，一個控制周期內電機平均轉速為nn，則電壓動態方程：

(6)

電機剛起動時，反電動勢keωe較小，在第一個控制器周期內可以忽略不計。可計算得：

(7)

電機開始旋轉后，反電勢keωe不可忽略，若不考慮換相過程影響，求解式(6)得最大定子電流與占空比之間的解析關系：

(8)

根據最大起動電流Ismax，計算得第1個周期占空比：

(9)

第n個周期占空比：

(10)

分析上述電流推導過程可知，若確定一個起動總時間ts，可以根據Ismax的值選擇合適的占空比初始值，逐周期對占空比調整，從而降低起動電流，實現無刷直流電動機的軟起動。

2 仿真分析

分析無刷直流電動機基本控制原理，在MATLAB/Simulink平臺建立仿真模型，如圖1所示。

圖1 無刷直流電動機軟起動仿真模型

根據無刷直流電動機軟起動原理，在起動初期設定一個特定占空比，在轉速逐漸增加的同時增大占空比，直至轉速增大到nc時切換控制狀態至轉速閉環。軟起動期間無刷直流電動機轉速與電流波形如圖2所示。

(a) 電流波形

(b) 轉速波形

與轉速閉環起動時相比，本文的軟起動策略可以大幅減小起動電流，在100 ms內完成起動并實現轉速穩定，仍能保持響應的快速性。當一臺電機平穩運行而另一臺電機開始起動時，系統對電流的需求低于直流電源的輸出能力，對系統影響較小。

3 雙電機起動電流分配策略

本文所研究的共直流母線雙無刷直流舵機系統，是指一個直流電源為兩臺無刷直流電動機供電，其電路拓撲如圖3所示，這樣的多電機系統在實際工程應用中非常常見。

圖3 共直流母線雙無刷直流舵機系統

本系統直流母線電源最大輸出電流為30 A，在此前提下，以最大母線電流為原則，實時整定占空比，對雙無刷直流電動機進行錯峰起動控制。

在共直流母線雙舵機系統中，若兩臺電機同時起動或同時加速，兩者疊加將使母線電流急劇增大甚至超出電源電流輸出能力，同樣會對系統帶來較大的不利影響。本文提出一種共直流母線無刷直流電動機錯峰起動的方法，旨在解決兩臺電機同時起動的電流分配問題，錯峰起動策略如圖4所示。在起動時間的最初幾個控制器周期內，僅對電機1進行軟起動，在其電流下降到Ismax1時，電機1保持相應轉速，電機2開始軟起動，直至電機2的起動電流下降到Ismax2，電機2保持相應轉速，電機1加速。此后的起動過程中，每一段施加特定占空比的時間內，均由電機1先進行加速，而后電機2加速。即通過實時切換控制策略，使兩臺電機起動過程中電流波動的峰值出現在不同的時間。待加速完成，使得兩臺電機電流之和小于直流電源的電流輸出能力，實現對母線輸出電流的合理分配、管理。

圖4 共直流母線無刷直流電動機錯峰起動策略

圖5為共直流母線無刷直流電動機錯峰起動的電流波形、轉速波形和總電流波形。初始起動階段(小于2 500 r/min)，單臺電機抽取母線電流幅值較大(均在15 A以上)，若兩臺電機同時起動，則直流母線電流將超過30 A，不滿足直流電源應用要求。根據前述理論分析和公式推導，當電機轉速小于2 500 r/min時采用錯峰起動控制策略，滿足母線電流峰值不超過30A的限幅要求；轉速達到2500 r/min后，母線電流峰值下降到15 A以下，綜合考慮電源利用率和縮短起動時間的角度，之后兩臺無刷直流電動機可切入到轉速閉環。

(a) 電流波形

(b) 轉速波形

(c) 總輸出電流波形

采用錯峰起動控制策略，有助于降低IGBT通態損耗，提高了效率。IGBT的通態損耗是指其導通過程中存在的導通壓降產生的損耗，導通特性可由線性公式近似描述：

(11)

式中:vCE為 IGBT的實際導通壓降；vF為快恢二極管的實際導通壓降；Tj_T為 IGBT的實際結溫；Tj_D為快恢二極管的實際結溫；rce為 IGBT的實際通態電阻；rF為快恢二極管的實際通態電阻；Vce_25℃為 IGBT在25 ℃時的導通壓降；VF_25℃為快恢二極管在25 ℃時的導通壓降；Kv_T為IGBT 導通壓降的溫度系數；Kv_D為快恢二極管導通壓降的溫度系數。

根據上述公式結合前述分析可知，采用錯峰起動控制策略可以有效降低繞組間導通電流，有效降低IGBT和快恢二極管的實際導通壓降vCE和vF。再由功率計算公式，可推知IGBT和快恢二極管對應的通態損耗pcond_T和pcond_D分別如下：

(12)

式中：φ為電流、電壓相角關系；Iout為電流有效值。

如式(12)分析可知，繞組間導通電流的減小，同時有助于通態功率損耗和內阻損耗，提高控制器的工作效率。

4 結 語

針對共直流母線雙無刷直流舵機頻繁起停的工作特點，本文提出了一套完整的直流無刷舵機起動方案。在僅單臺電機起動時，采用限制PWM占空比的策略，避免了無刷直流電動機起動時過大的起動電流對系統的沖擊，從而保證另一臺電機的平穩運行。在兩臺電機同時起動時，以最大電流原則，靈活調整占空比，錯開兩臺無刷直流電動機起動時電流的峰值，降低對母線電流的總需求。仿真結果與理論分析相吻合，證明了錯峰起動控制策略的有效性，該策略在多電機控制系統和作動較多的工作環境具有普遍適用性。