一種地面微型燃機用起發控制器設計

曾慶軍，尚德堉，鄭 浩，鄭自偉

(貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

微型燃機也稱微型燃氣渦輪機，是一種由燃氣輪機、起動/發電機和數字控制器等部分組成的發電動力裝置，可分為單軸結構和雙軸結構兩種形式，目前先進的微型燃氣輪機主要采用單軸直驅的結構形式。它具有可遙控、效率高、體積小、重量輕、啟動快等一系列優點[1]，在民用領域、工業領域、軍事應用領域等均有很好的市場應用前景。本文所論述的地面微型燃機屬于某防化武器系統用的微型單軸渦輪噴氣發動機的裝置，主要為系統的發煙主機、燃油控制器、起動控制器、滑油控制器、霧油控制器、引氣控制器、點火控制器、發電控制器、蓄電池等進行供電。

起動/發電系統是燃氣輪機系統的重要組成部分，其主要功能是對燃氣輪機的狀態監測、起動控制、轉速控制、故障監測與處理、停機控制等，起動/發電系統不僅要有邏輯控制，還應該有復雜的過程控制、各種嚴格的保護控制以及輸入/輸出信號處理等等。起動/發電系統相對整個系統來說，價格相對較高的功能部件，運行過程中若出現意外事故，則會造成整個用電系統的事故，嚴重時，會造成重大損失。因此，提高燃氣輪機系統性能的關鍵之一是提高起動/發電系統的性能指標，起動/發電控制器系統在安全性、可靠性方面要求較高，在某種程度上，決定了微型燃機運行的經濟性、安全性、可用率以及不同工況下的性能等指標。由于無刷直流電機既具備交流電機的結構簡單、功率密度大、運行可靠、維護方便和效率高等優點[2]，又具備了直流電機調速性能好、起動轉矩大等優點，在微型燃氣輪機能量轉換裝置中首選為起動/發電機。

本文所研究的是某地面微型燃機國產化替代項目中所用的1.5 kW起/發電機控制系統，利用電機的可逆原理，實現起動/發電機雙功能，借助于數字信號處理器(dsPIC30F4012)的數據處理功能，基于無刷直流電機的控制原理，大功率電力電子技術的研究，從而使起動/發電控制器滿足系統的性能指標。

1 控制策略

起動過程，無刷直流電機的驅動技術主要有帶位置傳感器的控制策略和無位置傳感器的起動控制策略兩種方式，結合系統對起動/發電的可靠性要求，本系統選擇帶位置傳感器的三相六狀態無刷直流電動機控制策略。帶位置傳感器的無刷直流電動機是由電機本體(定子側為電樞繞組，轉子側為永磁體及軸)、位置傳感器和電子換相電路等三大部分組成，如圖1所示。

圖1 無刷直流電動機工作原理方框圖

當電動機處于電動狀態時，其工作原理是借助反映轉子位置的位置傳感器的輸出信號，通過電子換向線路去驅動與電樞繞組連接的相應的功率開關器件(注：電子換向線路與功率開關器件等組成控制器)，使電樞繞組依次通電，從而在定子上產生跳躍式的旋轉磁場，驅動永磁轉子旋轉，隨著轉子的轉動，位置傳感器不斷地送出信號，以改變電樞繞組的通電狀態，使得在某一磁極下導體中的電流方向始終保持不變。

發電過程，起/發電機完成起動功能后，微型燃機可以通過燃料作為能源實現做功且在傳動軸的驅動下拖動起/發電機的轉子轉動，同時在定子三相繞組產生感應電勢，經整流和DC/DC變換后，最終為用電設備供電，電機工作原理如圖2所示。

圖2 發電機狀態工作原理

本文所述的控制器主要由起動控制模塊和發電控制模塊兩大功能單元組成，起動控制單元完成起發電機的起動功能，主要由三相橋式電路、輔助電源轉換電路、霍爾信號處理電路、主控DSP電路、驅動電路等組成；發電控制單元將起發電機輸出的三相交流電轉化為穩定的直流電，主要由三相橋式電路、輸入濾波電路、DC/DC變換電路、輸出濾波電路、輔助電源電路、PWM控制電路、驅動電路、檢測電路等組成。起動控制單元與發電控制單元共用三相橋式電路，起動時作DC/AC運行，發電時作AC/DC運行，產品功能框圖見圖3。

圖3 產品功能框圖

1.1 工作過程

a)起動過程，起發控制器由外部電池供電，起動控制單元接收到系統“QT”指令為使能(高電平有效)，經過電平轉換將信號傳送給DSP，開啟六路PWM驅動，控制三相橋式電路逆變工作，將直流24 V轉換成三相交流帶轉起發電機，將其轉速帶到點火轉速，或者冷拖到8500 r/min以上，起動過程不超過14 s；

b)點火成功后，到達脫開轉速，系統“QT”指令為失能(低電平有效)，起發控制器主控DSP關閉六路PWM驅動，起動控制停止，三相橋式電路失去控制，呈自然整流狀態；

c)脫開起動控制起發電機到達一定轉速后，發電控制單元接收到系統“FD”指令，經過電平轉換將信號送至PWM控制器，開啟PWM驅動DC/DC開關管，經過BUCK電路斬波后穩定輸出27.5 V±0.5 V直流電；

d)起發控制器在整個工作過程中給系統提供起發電機轉速信號，在發電運行時提供故障報警信號。

通過對無刷直流電動機的起動過程、發電過程的控制，并進行合理的切換，則可構成起動/發電控制器，使其滿足地面微型燃機系統的高性能使用要求。

1.2 數學模型

永磁無刷直流電動機的轉子上安裝永磁體，定子上嵌入電樞繞組，其極數與轉子極數相同，定子繞組通過電子換向器(無刷直流電動機控制器)與外部電源連接。

為了簡化分析，需對無刷直流電動機做如下假設[3]：

a)電樞繞組完全對稱，定子電流、轉子磁場分布均對稱；

b)忽略電樞反應的影響；

c)電樞繞組在定子內表面均連續分布；

d)磁路不飽和，不計渦流損耗和磁滯損耗。

就本項目使用三相六狀態運行永磁無刷直流電動機為對象進行建模，其定子三相繞組的電壓方程為：

(1)

式中，R為電樞繞組電阻，Ω；La、Lb、Lc分別為三相繞組自感，H；Mab為A相和B相之間的互感，H；其他依次類推；且有Mab=Mba，Mac=Mca,Mbc=Mcb。

電磁功率可表示為：

Pem=eaia+ebib+ecic

(2)

電磁轉矩可表示為：

(3)

運動方程為

(4)

式中，Te為電磁轉矩；TL為負載轉矩；B為阻尼系數；Ω為機械角速度；J為轉動慣量[4]。

2 起/發電控制器設計

起/發控制器接收到系統的“起動命令”后，開始接通起動電動機、燃油泵、點火器等系統裝置，此時，起/發電機作為電動機使用，當電機將負載(微型燃機)帶轉至點火轉速時，微型燃機點火成功并開始工作，在電動機的拖動下進入系統的暖機和加速階段；當微型燃機達到自持轉速以上后，此時，起/發電動機進入發電狀態，系統正常運行。

結合上述過程，對起/發電控制器的設計分為起動過程控制功能單元、發電過程控制功能單元設計。

2.1 起動過程控制

本項目中電機的電子換向線路采用三相橋式接法，換流制式為二相導通的三相六狀態，換流原理如圖4所示。

本病例中，27根管入口急彎，采用去除牙本質壁，消除根管入口急彎的方法，但在去除牙本質時應避免側穿、底穿的發生。預備MB2時應注意[7]：①先用 #8、#10銼配合EDTA凝膠疏通根管；②根據根管彎曲度預彎器械；③擴大根管口和根管上2/3；④結合運用化學預備、X線輔助、根管顯微鏡等多種手段。

圖4 三相星形橋式接法的換流原理圖

換流過程如下，令轉子磁極軸線與定子U相繞組的軸線的夾角為t電角度：

當t=30°時，Q1、Q6導通，即電源正極→Q1→U→V→Q6→電源負極；

當t=90°時，Q1、Q2導通，即電源正極→Q1→U→W→Q2→電源負極；

當t=150°時，Q3、Q2導通，即電源正極→Q3→V→W→Q2→電源負極；

當t=210°時，Q3、Q4導通，即電源正極→Q3→V→U→Q4→電源負極；

當t=270°時，Q5、Q4導通，即電源正極→Q5→W→U→Q4→電源負極；

當t=390°時，又重復t=30°時的狀態。

電樞繞組的導通順序與功率開關管的導通順序之間的關系可用表1來表示，其中一個周期內每個功率開關管的導通角為120°電角度，一個磁狀態所持續的電角度為60°。

表1 兩相導通星形三相六狀態導通順序表

經過對起動過程控制單元功能的實現進行分析，起動控制單元的原理框圖如圖5所示，主要包括電源管理電路、霍爾調理電路、轉速輸出電路、起/停控制電路、dsPIC30F4012最小系統、電流采樣/處理電路、驅動電路、功率電路等。

圖5 起動控制器組成原理框圖

其工作原理是輸入功率電源24 VDC電壓通過濾波電路后施加在由功率MOSFET管組成的三相功率橋上；霍爾換相信號檢測、外部起/?？刂菩盘?、相電流采樣信號經dsPICF4012最小系統處理后產生PWM控制信號和電機轉速輸出頻率信號，PWM控制信號通過驅動電路、功率驅動模塊，輸出三組電機方波驅動電壓，依次給電機三相繞組通電，從而驅動電機轉動。

a)硬件設計

綜合本系統所需的I/O口、PWM輸出引腳、AD采樣等資源，電機驅動使用的微處理器為Microchip公司生產的專用電機控制芯片(dsPIC30F4012)，該芯片基于改進的哈弗架構設計，帶有靈活尋址模式優化的C語言編譯器指令架構，易于軟件開發[5-6]。單片機通過對起發電機轉子位置的解算、PWM調制信號的生成、電機轉速的控制；同時通過電流傳感器采集的電流信號、外部給定的起/停信號，經過軟件編程實現系統過電流保護和起動過程的開始/停止，其外圍電路原理圖設計如圖6所示。

圖6 單片機最小系統電路原理圖

b)軟件設計

采用數字控制方式控制電機運行的核心在于軟件，因此整個項目的關鍵在于軟件算法的設計。在本系統中，系統的軟件主要由主程序、IO初始化、中斷服務子程序幾個部分組成。軟件中只有一種工作模式，該模式下主要完成控制器的上電初始化、電機起/?？刂啤⑦\行過程中的過流保護、過流條件下的轉速判斷、轉速輸出等功能。該狀態下的起動模塊軟件功能控制流程圖如圖7所示。

圖7 起動模塊軟件功能控制流程圖

2.2 發電過程控制

發電過程控制單元采用三相可控整流器(與起動控制單元共用)+Buck變換器的電路方案，原理框圖見圖8，在微型燃機的拖動下，起/發電機工作在發電機狀態，U、V、W三相交流電壓輸入三相可控橋式整流，經可控整流橋的續流二極管進行整流后，將輸出的三相交流電壓轉變為脈動直流電壓，為減小輸入電流脈動，降低電磁干擾，對該脈動直流電壓進行LC濾波，后級Buck變換通過PWM控制可實現輸出27.5V穩壓。

圖8 三相可控整流器+Buck變換器原理框圖

其工作原理簡述為：開關管對整流直流電壓進行斬波控制，在開關管的導通期間，輸入電流對電感L、電容C進行儲能，并向負載提供能量；在開關管的關斷期間，電感L通過二極管進行續流，與電容C向負載提供能量。通過調整開關管的導通時間(即占空比)來實現輸出電壓的穩定，開關頻率設置為60 kHz。控制電路的核心為脈寬調制集成電路SG1525，該芯片內部集成了電壓基準、誤差放大器、鋸齒波發生器、脈寬調制器、同步電路、雙端口互補輸出驅動電路，并具有軟起動、死區調節、欠壓鎖定和輸出關斷等功能，通過外圍器件組成PWM控制電路，通過閉環控制改變脈寬進行穩壓，其誤差調節方式采用PI調節。

經過對發電過程的仿真計算，各轉速輸出電壓關系如表2所示。

表2 起/發電機發電運行轉速與輸出電壓關系

3 試驗

試驗系統參數及起發電機的主要設計參數見表3所示。

表3 試驗系統的參數及起發電機的主要設計參數

起發控制器、起發電機產品實物見圖9所示，起動過程的母線電流波形和1.5 kW負載下的發電電壓波形見圖10所示。

圖9 實物樣機

圖10 起動過程母線電流、發電過程發電電壓波形

從圖10的測試波形可以看出，系統的起動過程、發電過程受控，波形正常，從而說明所設計的起/發控制器起動點火成功，到達了系統指標，滿足了系統設計要求；通過本項目的研制，并且經過多次系統聯試，完全可以替換原進口的起/發系統；解決了起動電流大、成功率低、傳動噪聲大等問題。

4 結論

本文介紹了無刷直流電動機作為某地面微燃機用起/發電機的控制原理及設計方法，并基于dsPIC30F4012最小數字系統實現其起動過程，共用三相橋式電路作為整流器的BCUK電路實現其發電過程，從實驗結果及系統的聯試結果看，利用無刷直流電動機作為起/發電機的起動控制、發電等性能參數滿足某地面微型燃機系統的性能要求；該方案的成功實現，對新一代地面防化裝備、航空、民用等領域用無刷直流電動機起/發控制器的研究積累了一定的工程經驗。