箭用組合式伺服動力電源技術研究

楊 斌，李旭陽，王開春，李琪琦，鄭再平

（北京精密機電控制設備研究所，北京，100076）

0 引 言

箭載伺服電源的提出主要基于大功率機電靜壓作動器（Electro Hydrostatic Actuators，EHA）在火箭推力矢量控制領域的快速發展，EHA已廣泛應用于F-35、A380等多電飛機[1,2]，在箭用領域也開展了多次搖擺試車試驗[3]，標志EHA具備了應用于大推力液體火箭發動機推力矢量控制的條件，而其電源方案，也受到了廣泛關注。為滿足箭載EHA大功率、高動態、高可靠性要求，開展了以火箭發動機預壓泵為主能量源的組合電源技術研究，本文基于伺服系統用電需求特性，對箭載組合電源的組合方式及控制方法進行了仿真分析與試驗驗證，結果表明，箭載組合電源系統能夠滿足大功率EHA的用電需求，為箭上大功率電源系統方案選擇提供了新的思路。

1 系統構成

機電靜壓作動器伺服系統用電特性為長時小功率、瞬時高功率、制動負功率，要求電源既能提供瞬時峰值功率又能在機電伺服系統制動時抑制母線電壓的抬升，為滿足箭上機電伺服系統大功率、高可靠用電需求，提出一種以發電機為主電源，并輔以蓄電池及電容而構成組合電源系統，其系統結構如圖1所示。

1.1 發電機及發電控制器

火箭發動機預壓泵能夠提供較為穩定的輸出功，本系統將發電機主軸與預壓泵主軸進行直連，以獲取火箭發動機燃料燃燒吹動渦輪而產生的機械功，其中發電機采用五相開繞組永磁同步電機，并配備5相H橋發電控制器，實現發電機的可控整流，在相同發電功率下降低各相負載電流。同時，基于多相發電機及多相發電控制器的容錯控制能力，提升發電環節的可靠性，以滿足箭載電源的高可靠性需求。在電能分配方面，發動機主要用于長時恒定功率的提供，可以顯著提高電源系統的能量密度，為考核組合電源輸出特性，在發電控制器的輸出端串聯了二極管，防止電池及機電伺服系統制動能量向發電控制器回路進行充電。

1.2 鋰離子蓄電池

為提升組合電源的脈沖峰值輸出能力，保證母線電壓負載調整率在要求范圍內，在組合電源中增加蓄電池組件，其中，蓄電池能夠在發電機具備供電能力前即可向外輸出電功率，以實現伺服機構的零位保持，同時實現削峰填谷的功能[4]，降低電壓大范圍波動。在蓄電池選擇方面，由于電池僅提供初始位置保持電能和脈沖用電階段的電能補充，可以選擇功率型化學電池，為滿足輕小型化和高比能量要求，在該組合電源中，選擇功率型三元體系鋰離子電池。為考核組合電源輸出特性，同時防止伺服驅動器過大的制動能量向蓄電池充電，在蓄電池的輸出端串聯二極管。

1.3 峰值補償單元

峰值補償單元作用在于滿足機電伺服系統的短時脈沖電流需求和制動能量吸收，主要利用電容的快速充放電特性和較高的功率密度，以吸收伺服電機制動能量吸收及補償峰值電流，保證母線電壓的穩定，同時防止制動電能向發電機和蓄電池內倒灌，減少蓄電池大電流輸出引發的電池過熱等問題，在該組合電源中，選擇薄膜電容作為峰值補償單元組件。

箭用組合電源系統各個單機關鍵部件實物如圖2所示。

圖2 箭用組合電源系統關鍵單機Fig.2 Key Single Unit of Combined Power System for Launch Vehicle

續圖2

組合電源各關鍵單機主要參數如表1所示。

表1 組合電源各單機主要參數Tab.1 Main Parameters of Each Single Unit of Combined Power Supply

2 控制策略

箭用組合式伺服動力電源系統的控制目標是在提供足夠功率輸出的同時維持母線電壓在規定范圍內，以滿足機電伺服系統的快速響應能力。目前，在組合電源控制方法中，常用集中控制和分散控制，采用集中控制時，需要各控制器之間的通信聯系，整個系統對主控制單元及通信線路有很強的依賴性，系統可靠性大大降低；采用分散控制時，各供電單元之間無需通信聯系，系統基于自身特性運行，可靠性較高。在該組合電源系統中，電池和電容作為不可控源，其輸出電流能力取決于電壓的壓降和儲能元件的容量，本文采用基于直流母線電壓信號的分布式控制策略，以簡化控制結構，避免通信線路的建設。由于將母線電壓作為系統的控制信號，對系統的電壓穩定要求更為嚴格，蓄電池具有功率密度大、響應速度快等特點，對于組合電源的穩定控制、電能質量和供電可靠性具有非常重要的作用。由于在整個組合電源系統中，電池和電容為不可控部件，無法對其放電能力進行直接控制，因此整個組合電源的控制策略主要施加于發電機部分，并以發電機的輸出電壓作為主要控制目標，合理匹配蓄電池的端電壓，以實現組合電源的輸出特性控制，滿足系統用電需求，優化功率分配模式。

為提升發電機的可靠性，發電機選用五相永磁同步電機，采用開繞組形式，與星接繞組電機不同，開繞組電機的相電壓由雙逆變器共同調制，各相之間相互獨立，本文所采用的共直流母線型拓撲結構見圖3。

圖3 共直流母線五相開繞組發電系統結構拓撲Fig.3 Structural Topology of Five-phase Open-winding Power Generation System with Common DC Bus

針對五相開繞組電機采用空間電壓矢量（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）控制算法，SVPWM方法由于數字實現方便，母線電壓利用率高，相較于SPWM方法，使用的更為廣泛。由于電機相數增加，開關器件產生的空間電壓矢量也增加，SVPWM控制方法的選擇也更多。為獲得較好的電磁轉矩靜、動態特性，輸出電壓作為直接的被控量，系統中設有電流內環，電壓、電流雙閉環控制，使控制變得十分穩定。基于相鄰四矢量控制的五相開繞組電機發電控制如圖4所示。

圖4 五相開繞組發電機控制策略Fig.4 Block Diagram of Control Strategy for Five-phase Open-winding Generator

本文所采用的五相發電機為氣隙磁場非正弦的電機，基波空間和三次諧波空間存在耦合電感，若三次諧波空間仍開環，必然會出現三次諧波電流，其不僅會帶來諧波損耗，還將產生諧波轉矩，影響系統的動態響應速度，因此需要同時對基波空間和三次諧波空間進行閉環控制[5,6]。外環為電壓環，反饋電壓與給定電壓之間的偏差經過PI運算得到電流環iq1的給定iq1ref，自然坐標系下的五相交流實際電流經式（1）所示由自然坐標系到兩相靜止坐標系的Clark變換和式（2）所示由兩相靜止到兩相旋轉坐標系的Park變換，得到旋轉坐標系下的id1、iq1、id3、iq3。給定與實際電流的偏差經過PI運算得到基波空間與三次諧波空間的交直軸電壓Ud1、Uq1、Ud3、Uq3。靜止坐標系下的調制電壓，再經過Park變換到旋轉坐標系下。采用相鄰四矢量的調制方式，生成10組互補的PWM控制信號驅動五相全橋整流器，進而實現共直流母線五相開繞組發電系統穩定直流電壓輸出的發電控制目標。

3 仿真分析

基于直流母線電壓信號控制方法和發電機部分的控制特性，對組合電源供電特性進行了仿真研究，并建立組合電源模型，仿真模型如圖5所示。

圖5 組合電源系統仿真模型Fig5 Simulation Block Diagram of Combined Power Supply System

3.1 電池對組合電源系統的影響仿真分析

通過向負載端注入常值為20 A，峰值為40 A（20 ms）的電流，分別開展電機單獨供電和電機+電池組合供電特性分析，仿真結果如圖6所示，圖6a為直流母線電壓及各個單機部件的電流波形，圖6b為五相發電機的相電流波形。結果表明：發電機+電容組合工作過程中能夠滿足負載端的電流需求，但電壓波動范圍在238～295 V之間，波動范圍大于270 V±10%，電源電壓波動范圍過大，將顯著影響機電伺服系統的動態特性，對機電伺服系統的工作狀態不利。

圖6 發電機與電容供電仿真Fig.6 Simulation Diagram of Generator and Capacitor Power Supply

當發電機、電容與電池共同供電時，將發電機的供電電壓控制值設置于電池輸出電壓之上，則常值20 A均由發電機提供，電池容量不消耗，而在峰值40 A的脈沖電流要求下，電流將由發電機與電池共同提供，電壓波動范圍在265～285 V，電壓波動范圍不到270 V±10%，仿真結果如圖7所示，圖7a為直流母線電壓及各個單機部件的電流波形，圖7b為五相發電機的相電流波形。對于伺服系統長時小功率、短時大功率的用電特點，發電機、電池與電容的組合電源形式能夠滿足需求。

圖7 發電機+電池+電容供電仿真Fig.7 Generator + Battery+Capacitor Power Supply Simulation

續圖7

3.2 組合電源供電特性仿真分析

通過以上分析可知，含有電池的組合電源相較于單發電機供電，具有較為明顯的脈沖峰值補償能力，可以有效避免發電機動態調整遲滯問題，能夠與機電伺服系統的用電特性相匹配，滿足伺服系統長時小功率、短時大功率的用電特性，且電壓波動范圍較小，考慮到機電伺服系統供電峰值電流往往是常值電流的數倍，為驗證機電伺服系統用電特性與組合電源匹配特性，進行了常值為25 A，峰值為75 A（20 ms）的脈沖特性供電仿真驗證，通過向虛擬負載注入該負載用電曲線，對發電機電流、電池電流、母線電壓及電流進行了采集和數據分析。

圖8 發電機+電池+電容供電組合供電仿真Fig.8 Simulation Diagram of Combined Power Supply of Generator + battery+capacitor

對圖8的仿真結果進行分析可知：組合電源系統能夠提供常值25 A，峰值75 A（20 ms）的電流，電壓波動范圍在 260～290 V，電壓波動范圍不到270 V±10%，在脈沖放電過程中，首先由電容向母線進行供電，功率輸出波形變化呈快速的階躍型，但電容容量有限，很快將能量釋放完畢，而后由電池及發電機共同向母線進行供電，電池的輸出功率對系統功率發生變化時的響應則較為緩慢，呈平緩上升或下降趨勢，但其供電響應能力依舊快于發電機，隨著發電機的快速調整，電池供電電流逐步下降，母線電壓逐步提升，脈沖放電結束后，發電機通過調整后恢復母線電壓為270 V，功率輸出波形變化呈快速的階躍型。

4 試驗驗證

為驗證上述組合電源系統方案設計及控制策略的有效性，搭建組合電源實驗平臺進行試驗驗證，組合電源試驗平臺如圖9所示。

圖9 組合電源試驗平臺Fig.9 Combined Power Supply Experiment Platform

為模擬機電伺服系統長時小功率、瞬時高功率、制動負功率的用電特性，通過提取機電伺服系統的特性曲線，并將其施加于電子負載控制端，模擬實際用電工況。

4.1 電池對組合電源系統的影響分析

通過向電子負載注入常值為20 A，峰值為40 A（20 ms）的電流，分別開展電機單獨供電與電機+電池組合供電特性分析，通過試驗結果分析結果可知，發電機對于伺服系統的高動態特性跟蹤能力較差，其電壓波動范圍在230～320 V，相較于基準電壓270 V，波動范圍在±20%之間，與機電伺服系統±10%電壓波動范圍要求存在一定差距，而當發電機結合電池共同供電時，常值20 A均由發電機提供，電池電能不消耗，而在峰值40 A的脈沖電流要求下，電流將由發電機與電池共同提供，電壓波動范圍在255～285 V，電壓波動范圍小于基準電壓的±10%，能夠滿足機電伺服系統的高動態要求。

圖10 發電機與電容供電試驗波形Fig.10 Experimental Waveform of Generator and Capacitor Power Supply

圖11 發電機+電池+電容供電試驗波形Fig.11 Generator+battery+capacitor Powered Experimental Waveform

4.2 組合電源供電特性分析

通過以上分析可知，組合電源相較于單發電機供電具有較為明顯的削峰填谷能力，能夠與機電伺服系統的用電特性相匹配。為驗證仿真結果的真實性，開展了常值為25 A，峰值為75 A（20 ms）的脈沖特性供電試驗，通過向電子負載注入該負載用電曲線，并對發電機電流、電池電流、母線電壓及電流進行了采集，結果顯示，組合電源系統能夠提供常值25 A，峰值75 A的電流，電壓波動范圍在245～302 V，電壓波動范圍接近270 V±10%，在脈沖放電過程中，首先由電容向母線進行供電，功率輸出波形變化呈快速的階躍型，但電容容量有限，很快將能量釋放完畢，而后由電池及發電機共同向母線進行供電，電池的輸出功率對系統功率發生變化時的響應則較為緩慢，呈平緩上升或下降趨勢，但其供電響應能力依舊快于發電機，隨著發電機控制的快速調整，電池供電電流逐步下降，母線電壓逐步提升，脈沖放電結束后，發電機通過調整后恢復至基準電壓，發電機功率輸出波形變化呈快速的階躍型。

圖12 發電機+電池+電容供電組合供電試驗波形Fig.12 Generator+battery+capacitor Power Supply Combined Power Supply Experimental Waveform

圖13 發電機+電池+電容供電組合供電試驗波形Fig.13 Generator+battery+capacitor Power Supply Combined Power Supply Experimental Waveform

5 結束語

通過仿真分析與試驗驗證結果可知，基于發電機的組合型伺服動力電源能夠有效結合發電機的高比能量特性和電池/電容的高比功率特性，滿足機電靜壓伺服系統長時小功率、瞬時高功率、制動負功率用電特性，切供電能力、電壓調整率等參數均能滿足機電伺服系統用電需求。后續將逐步開展發電機的快響應控制技術研究，并在蓄電池與母線之間增加雙向DC-DC單元，以進一步提高電壓恢復時間、提高電池電壓平臺利用率，提升箭上發電式組合能源的供電品質和能量利用率。