曾慶軍，尚德堉，鄭 浩，鄭自偉

(貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

微型燃機(jī)也稱微型燃?xì)鉁u輪機(jī)，是一種由燃?xì)廨啓C(jī)、起動(dòng)/發(fā)電機(jī)和數(shù)字控制器等部分組成的發(fā)電動(dòng)力裝置，可分為單軸結(jié)構(gòu)和雙軸結(jié)構(gòu)兩種形式，目前先進(jìn)的微型燃?xì)廨啓C(jī)主要采用單軸直驅(qū)的結(jié)構(gòu)形式。它具有可遙控、效率高、體積小、重量輕、啟動(dòng)快等一系列優(yōu)點(diǎn)[1]，在民用領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、軍事應(yīng)用領(lǐng)域等均有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。本文所論述的地面微型燃機(jī)屬于某防化武器系統(tǒng)用的微型單軸渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的裝置，主要為系統(tǒng)的發(fā)煙主機(jī)、燃油控制器、起動(dòng)控制器、滑油控制器、霧油控制器、引氣控制器、點(diǎn)火控制器、發(fā)電控制器、蓄電池等進(jìn)行供電。

起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)是燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、起動(dòng)控制、轉(zhuǎn)速控制、故障監(jiān)測(cè)與處理、停機(jī)控制等，起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)不僅要有邏輯控制，還應(yīng)該有復(fù)雜的過(guò)程控制、各種嚴(yán)格的保護(hù)控制以及輸入/輸出信號(hào)處理等等。起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，價(jià)格相對(duì)較高的功能部件，運(yùn)行過(guò)程中若出現(xiàn)意外事故，則會(huì)造成整個(gè)用電系統(tǒng)的事故，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)造成重大損失。因此，提高燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵之一是提高起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)的性能指標(biāo)，起動(dòng)/發(fā)電控制器系統(tǒng)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(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可用率以及不同工況下的性能等指標(biāo)。由于無(wú)刷直流電機(jī)既具備交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度大、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便和效率高等優(yōu)點(diǎn)[2]，又具備了直流電機(jī)調(diào)速性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，在微型燃?xì)廨啓C(jī)能量轉(zhuǎn)換裝置中首選為起動(dòng)/發(fā)電機(jī)。

本文所研究的是某地面微型燃機(jī)國(guó)產(chǎn)化替代項(xiàng)目中所用的1.5 kW起/發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，利用電機(jī)的可逆原理，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)/發(fā)電機(jī)雙功能，借助于數(shù)字信號(hào)處理器(dsPIC30F4012)的數(shù)據(jù)處理功能，基于無(wú)刷直流電機(jī)的控制原理，大功率電力電子技術(shù)的研究，從而使起動(dòng)/發(fā)電控制器滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

1 控制策略

起動(dòng)過(guò)程，無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要有帶位置傳感器的控制策略和無(wú)位置傳感器的起動(dòng)控制策略兩種方式，結(jié)合系統(tǒng)對(duì)起動(dòng)/發(fā)電的可靠性要求，本系統(tǒng)選擇帶位置傳感器的三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制策略。帶位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由電機(jī)本體(定子側(cè)為電樞繞組，轉(zhuǎn)子側(cè)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理方框圖

當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其工作原理是借助反映轉(zhuǎn)子位置的位置傳感器的輸出信號(hào)，通過(guò)電子換向線路去驅(qū)動(dòng)與電樞繞組連接的相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件(注：電子換向線路與功率開(kāi)關(guān)器件等組成控制器)，使電樞繞組依次通電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置傳感器不斷地送出信號(hào)，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變。

發(fā)電過(guò)程，起/發(fā)電機(jī)完成起動(dòng)功能后，微型燃機(jī)可以通過(guò)燃料作為能源實(shí)現(xiàn)做功且在傳動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)下拖動(dòng)起/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在定子三相繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，經(jīng)整流和DC/DC變換后，最終為用電設(shè)備供電，電機(jī)工作原理如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)狀態(tài)工作原理

本文所述的控制器主要由起動(dòng)控制模塊和發(fā)電控制模塊兩大功能單元組成，起動(dòng)控制單元完成起發(fā)電機(jī)的起動(dòng)功能，主要由三相橋式電路、輔助電源轉(zhuǎn)換電路、霍爾信號(hào)處理電路、主控DSP電路、驅(qū)動(dòng)電路等組成；發(fā)電控制單元將起發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)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(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路等組成。起動(dòng)控制單元與發(fā)電控制單元共用三相橋式電路，起動(dòng)時(shí)作DC/AC運(yùn)行，發(fā)電時(shí)作AC/DC運(yùn)行，產(chǎn)品功能框圖見(jiàn)圖3。

圖3 產(chǎn)品功能框圖

1.1 工作過(guò)程

a)起動(dòng)過(guò)程，起發(fā)控制器由外部電池供電，起動(dòng)控制單元接收到系統(tǒng)“QT”指令為使能(高電平有效)，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換將信號(hào)傳送給DSP，開(kāi)啟六路PWM驅(qū)動(dòng)，控制三相橋式電路逆變工作，將直流24 V轉(zhuǎn)換成三相交流帶轉(zhuǎn)起發(fā)電機(jī)，將其轉(zhuǎn)速帶到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，或者冷拖到8500 r/min以上，起動(dòng)過(guò)程不超過(guò)14 s；

b)點(diǎn)火成功后，到達(dá)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)“QT”指令為失能(低電平有效)，起發(fā)控制器主控DSP關(guān)閉六路PWM驅(qū)動(dòng)，起動(dòng)控制停止，三相橋式電路失去控制，呈自然整流狀態(tài)；

c)脫開(kāi)起動(dòng)控制起發(fā)電機(jī)到達(dá)一定轉(zhuǎn)速后，發(fā)電控制單元接收到系統(tǒng)“FD”指令，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換將信號(hào)送至PWM控制器，開(kāi)啟PWM驅(qū)動(dòng)DC/DC開(kāi)關(guān)管，經(jīng)過(guò)BUCK電路斬波后穩(wěn)定輸出27.5 V±0.5 V直流電；

d)起發(fā)控制器在整個(gè)工作過(guò)程中給系統(tǒng)提供起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，在發(fā)電運(yùn)行時(shí)提供故障報(bào)警信號(hào)。

通過(guò)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程、發(fā)電過(guò)程的控制，并進(jìn)行合理的切換，則可構(gòu)成起動(dòng)/發(fā)電控制器，使其滿足地面微型燃機(jī)系統(tǒng)的高性能使用要求。

1.2 數(shù)學(xué)模型

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上安裝永磁體，定子上嵌入電樞繞組，其極數(shù)與轉(zhuǎn)子極數(shù)相同，定子繞組通過(guò)電子換向器(無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器)與外部電源連接。

為了簡(jiǎn)化分析，需對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)做如下假設(shè)[3]：

a)電樞繞組完全對(duì)稱，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布均對(duì)稱；

b)忽略電樞反應(yīng)的影響；

c)電樞繞組在定子內(nèi)表面均連續(xù)分布；

d)磁路不飽和，不計(jì)渦流損耗和磁滯損耗。

就本項(xiàng)目使用三相六狀態(tài)運(yùn)行永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為對(duì)象進(jìn)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(zhuǎn)矩可表示為：

(3)

運(yùn)動(dòng)方程為

(4)

式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；B為阻尼系數(shù)；Ω為機(jī)械角速度；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[4]。

2 起/發(fā)電控制器設(shè)計(jì)

起/發(fā)控制器接收到系統(tǒng)的“起動(dòng)命令”后，開(kāi)始接通起動(dòng)電動(dòng)機(jī)、燃油泵、點(diǎn)火器等系統(tǒng)裝置，此時(shí)，起/發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)使用，當(dāng)電機(jī)將負(fù)載(微型燃機(jī))帶轉(zhuǎn)至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速時(shí)，微型燃機(jī)點(diǎn)火成功并開(kāi)始工作，在電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下進(jìn)入系統(tǒng)的暖機(jī)和加速階段；當(dāng)微型燃機(jī)達(dá)到自持轉(zhuǎn)速以上后，此時(shí)，起/發(fā)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，系統(tǒng)正常運(yùn)行。

結(jié)合上述過(guò)程，對(duì)起/發(fā)電控制器的設(shè)計(jì)分為起動(dòng)過(guò)程控制功能單元、發(fā)電過(guò)程控制功能單元設(shè)計(jì)。

2.1 起動(dòng)過(guò)程控制

本項(xiàng)目中電機(jī)的電子換向線路采用三相橋式接法，換流制式為二相導(dǎo)通的三相六狀態(tài)，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(zhì)壁，消除根管入口急彎的方法，但在去除牙本質(zhì)時(shí)應(yīng)避免側(cè)穿、底穿的發(fā)生。預(yù)備MB2時(shí)應(yīng)注意[7]：①先用 #8、#10銼配合EDTA凝膠疏通根管；②根據(jù)根管彎曲度預(yù)彎器械；③擴(kuò)大根管口和根管上2/3；④結(jié)合運(yùn)用化學(xué)預(yù)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(guò)程如下，令轉(zhuǎn)子磁極軸線與定子U相繞組的軸線的夾角為t電角度：

當(dāng)t=30°時(shí)，Q1、Q6導(dǎo)通，即電源正極→Q1→U→V→Q6→電源負(fù)極；

當(dāng)t=90°時(shí)，Q1、Q2導(dǎo)通，即電源正極→Q1→U→W→Q2→電源負(fù)極；

當(dāng)t=150°時(shí)，Q3、Q2導(dǎo)通，即電源正極→Q3→V→W→Q2→電源負(fù)極；

當(dāng)t=210°時(shí)，Q3、Q4導(dǎo)通，即電源正極→Q3→V→U→Q4→電源負(fù)極；

當(dāng)t=270°時(shí)，Q5、Q4導(dǎo)通，即電源正極→Q5→W→U→Q4→電源負(fù)極；

當(dāng)t=390°時(shí)，又重復(fù)t=30°時(shí)的狀態(tài)。

電樞繞組的導(dǎo)通順序與功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通順序之間的關(guān)系可用表1來(lái)表示，其中一個(gè)周期內(nèi)每個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通角為120°電角度，一個(gè)磁狀態(tài)所持續(xù)的電角度為60°。

表1 兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)導(dǎo)通順序表

經(jīng)過(guò)對(duì)起動(dòng)過(guò)程控制單元功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，起動(dòng)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(diào)理電路、轉(zhuǎn)速輸出電路、起/?？刂齐娐贰sPIC30F4012最小系統(tǒng)、電流采樣/處理電路、驅(qū)動(dòng)電路、功率電路等。

圖5 起動(dòng)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(guò)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(hào)檢測(cè)、外部起/?？刂菩盘?hào)、相電流采樣信號(hào)經(jīng)dsPICF4012最小系統(tǒng)處理后產(chǎn)生PWM控制信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出頻率信號(hào)，PWM控制信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路、功率驅(qū)動(dòng)模塊，輸出三組電機(jī)方波驅(qū)動(dòng)電壓，依次給電機(jī)三相繞組通電，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

a)硬件設(shè)計(jì)

綜合本系統(tǒng)所需的I/O口、PWM輸出引腳、AD采樣等資源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用的微處理器為Microchip公司生產(chǎn)的專用電機(jī)控制芯片(dsPIC30F4012)，該芯片基于改進(jìn)的哈弗架構(gòu)設(shè)計(jì)，帶有靈活尋址模式優(yōu)化的C語(yǔ)言編譯器指令架構(gòu)，易于軟件開(kāi)發(fā)[5-6]。單片機(jī)通過(guò)對(duì)起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的解算、PWM調(diào)制信號(hào)的生成、電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；同時(shí)通過(guò)電流傳感器采集的電流信號(hào)、外部給定的起/停信號(hào)，經(jīng)過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)電流保護(hù)和起動(dòng)過(guò)程的開(kāi)始/停止，其外圍電路原理圖設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖

b)軟件設(shè)計(jì)

采用數(shù)字控制方式控制電機(jī)運(yùn)行的核心在于軟件，因此整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵在于軟件算法的設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)的軟件主要由主程序、IO初始化、中斷服務(wù)子程序幾個(gè)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(jī)起/停控制、運(yùn)行過(guò)程中的過(guò)流保護(hù)、過(guò)流條件下的轉(zhuǎn)速判斷、轉(zhuǎn)速輸出等功能。該狀態(tài)下的起動(dòng)模塊軟件功能控制流程圖如圖7所示。

圖7 起動(dòng)模塊軟件功能控制流程圖

2.2 發(fā)電過(guò)程控制

發(fā)電過(guò)程控制單元采用三相可控整流器(與起動(dòng)控制單元共用)+Buck變換器的電路方案，原理框圖見(jiàn)圖8，在微型燃機(jī)的拖動(dòng)下，起/發(fā)電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，U、V、W三相交流電壓輸入三相可控橋式整流，經(jīng)可控整流橋的續(xù)流二極管進(jìn)行整流后，將輸出的三相交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)直流電壓，為減小輸入電流脈動(dòng)，降低電磁干擾，對(duì)該脈動(dòng)直流電壓進(jìn)行LC濾波，后級(jí)Buck變換通過(guò)PWM控制可實(shí)現(xiàn)輸出27.5V穩(wěn)壓。

圖8 三相可控整流器+Buck變換器原理框圖

其工作原理簡(jiǎn)述為：開(kāi)關(guān)管對(duì)整流直流電壓進(jìn)行斬波控制，在開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通期間，輸入電流對(duì)電感L、電容C進(jìn)行儲(chǔ)能，并向負(fù)載提供能量；在開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷期間，電感L通過(guò)二極管進(jìn)行續(xù)流，與電容C向負(fù)載提供能量。通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間(即占空比)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為60 kHz。控制電路的核心為脈寬調(diào)制集成電路SG1525，該芯片內(nèi)部集成了電壓基準(zhǔn)、誤差放大器、鋸齒波發(fā)生器、脈寬調(diào)制器、同步電路、雙端口互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)電路，并具有軟起動(dòng)、死區(qū)調(diào)節(jié)、欠壓鎖定和輸出關(guān)斷等功能，通過(guò)外圍器件組成PWM控制電路，通過(guò)閉環(huán)控制改變脈寬進(jìn)行穩(wěn)壓，其誤差調(diào)節(jié)方式采用PI調(diào)節(jié)。

經(jīng)過(guò)對(duì)發(fā)電過(guò)程的仿真計(jì)算，各轉(zhuǎn)速輸出電壓關(guān)系如表2所示。

表2 起/發(fā)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行轉(zhuǎn)速與輸出電壓關(guān)系

3 試驗(yàn)

試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)及起發(fā)電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3所示。

表3 試驗(yàn)系統(tǒng)的參數(shù)及起發(fā)電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

起發(fā)控制器、起發(fā)電機(jī)產(chǎn)品實(shí)物見(jiàn)圖9所示，起動(dòng)過(guò)程的母線電流波形和1.5 kW負(fù)載下的發(fā)電電壓波形見(jiàn)圖10所示。

圖9 實(shí)物樣機(jī)

圖10 起動(dòng)過(guò)程母線電流、發(fā)電過(guò)程發(fā)電電壓波形

從圖10的測(cè)試波形可以看出，系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程、發(fā)電過(guò)程受控，波形正常，從而說(shuō)明所設(shè)計(jì)的起/發(fā)控制器起動(dòng)點(diǎn)火成功，到達(dá)了系統(tǒng)指標(biāo)，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求；通過(guò)本項(xiàng)目的研制，并且經(jīng)過(guò)多次系統(tǒng)聯(lián)試，完全可以替換原進(jìn)口的起/發(fā)系統(tǒng)；解決了起動(dòng)電流大、成功率低、傳動(dòng)噪聲大等問(wèn)題。

4 結(jié)論

本文介紹了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為某地面微燃機(jī)用起/發(fā)電機(jī)的控制原理及設(shè)計(jì)方法，并基于dsPIC30F4012最小數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其起動(dòng)過(guò)程，共用三相橋式電路作為整流器的BCUK電路實(shí)現(xiàn)其發(fā)電過(guò)程，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果及系統(tǒng)的聯(lián)試結(jié)果看，利用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為起/發(fā)電機(jī)的起動(dòng)控制、發(fā)電等性能參數(shù)滿足某地面微型燃機(jī)系統(tǒng)的性能要求；該方案的成功實(shí)現(xiàn)，對(duì)新一代地面防化裝備、航空、民用等領(lǐng)域用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)起/發(fā)控制器的研究積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)。