航空无刷起动电机优化限流换相控制策略研究

杨 都，杨光力，吴 娜，卓 亮，江晓波

(1.贵州航天林泉电机有限公司(国家精密微特电机工程技术研究中心)，贵州 贵阳，550008；2.空装成都局驻贵阳地区第一军代表室，贵州 贵阳，550008)

0 引言

航空无刷起动电机作为先进飞行器的一种可靠起动设备，在国际主流飞机的涡轮发动机起动应用领域越来越广。起动电机主要功能为将涡轮发动机从零转速带动到可以稳定燃烧的点火转速状态，是涡轮发动机起动点火必不可少的设备。如何优化无刷直流起动电机控制策略，降低转矩脉动，提升转矩输出能力，一直是行业的技术难点[1-2]。

部分文献通过优化电流调制策略改善了转矩脉动，马汇海等人通过在逆变电路前端引入BUCK变换器调制抑制了换相转矩脉动[3]。文献[4]提出一种基于辅助升压前端的无刷直流电机换相转矩脉动抑制方法。文献[5]提出一种基于最优电流矢量的无刷直流电机驱动方法以降低转矩脉动。文献[6]将逆变桥中点钳位型三电平代替传统两电平，通过提高电压利用效率达到了降低转矩脉动的目的。文献[7]提出了一种改进的重叠换相法以降低转矩脉动。以上控制策略优化方法均以改善换相转矩为目的，没有提高电机输出转矩的平均值。因此一些学者为提高输出转矩也开展了许多研究，文献[8]通过改进零序电压信号处理技术，优化了换相控制方案，提升了无位置控制时的电机转矩输出值。文献[9]针对传统换相策略导致的换相时机错位问题，通过提高PWM波形占空比的方式补偿损失转矩，但不适用于限流控制对占空比有限制的工况。文献[10]采用比例谐振控制代替电流环的PI控制，削弱了定子电流高次谐波的干扰，但控制程序复杂且效果并不明显。文献[11]通过磁链观测的MTPA算法(MTPA)校正电机换相点，改善了电机工作性能，此算法计算量过大，不利于航空起动电机的快速起动。文献[11]提出了一种可变导通周期控制策略，降低转子涡流损耗以提升输出转矩，但该方法只在高转速阶段效果明显。

本文以某型发动机的无刷起动电机及控制器为研究对象，研究了传统开环控制和标准角换相策略的弊端，并分析了相电流限流控制策略下采用传统换相角模式下对电机输出转矩的损失原理，并提出一种在限流控制下的偏转角换相策略，通过仿真对比和试验验证了该优化策略，证明了优化策略的有效性。

1 限相电流控制策略研究

应用于航空发动机的无刷起动电机，供电电压一般为GJB181B—2012《飞机供电系统》规定的28 VDC，属于低压供电系统。其较低的电压特征决定了电机的功率受到限制，主要表现为转速和转矩受限，因此航空起动电机一般将电枢电阻和电感设计在较低水平，以提升起动电机对大电流的承受能力和高转速特征。

本文研究的航空起动电机类型为两相导通矩形波驱动的无刷直流电机，其主要参数特性如表1所示，其功率电路拓扑如图1所示。

表1 电机输出转矩实测值

图1 逆变器功率电路拓扑

在起动电机带发动机加速过程中，对于低转速段而言，由于电机阻抗较小，如图3所示，直接加载满电压将会使得电枢电流达到千安级别，而逆变器的功率器件和电机电枢绕组无法承受如此巨大的电流，导致发热烧毁，因此在低转速段，一般采用限相电流幅值控制。

图2 电流开环控制电路模型

图3 开环控制的相电流波形

通过优化控制外电路，在原控制电路中的3对上下桥臂分别增加正向和反向电流控制开关SW-IM模块，将采集的相电流与参考设定值比较，通过调节逆变器的PWM控制信号占空比间接调节电机输入电压，实现降压起动，同时将电机相电流控制在功率管和绕组发热量可以接受的最高水平，以尽量提高电机输出转矩。

本文研究的起动电机功率模块最大可承受500 A电流，因此将参考值设定为500 A，上下开关范围设置为5 A，即可实现相电流限幅功能。优化后的仿真电路模型如图4所示，该电路控制得到的电流波形如图5所示。

图4 电流限幅控制外电路

图5 限流控制的相电流波形

由上述电流波形可知，通过增加电流控制开关，实现了电流幅值控制在500 A上下，其中“凹陷”为换相电势产生的换相冲击电流。通过将电流控制在功率管最大承受电流，可以在保证工作安全性和可靠性的同时，尽可能提高输出转矩，保证起动电机的带载能力。

2 换相策略分析及优化

由于开关频率和绕组感性的影响，电机相电流波形并非标准矩形波，存在上升和下降过程。以图6为例，在50°后A相桥臂功率管关断后，到θ1角度时，采用限流控制的相电流幅值相比于开环控制大幅减小，而此时由于PWM占空比将电压限制在较低水平，另外两相的电流上升速度缓慢，导致换向过程中的转矩波形出现大幅下跌，整体输出转矩平均值下降。

图6 开环电流控制和限流控制对比

在传统控制方式中，以d轴对齐A相绕组中线为零位，采用三相六状态换相策略，需要将换相角度控制在均分的60°电角度理想周期位置，对应于本文研究的6极电机应为20°机械角度。此时，无刷直流电机输出电磁转矩可表示为：

(1)

式中：TEM为电机电磁转矩，p为电机极对数，Ψm为电机每相磁链，Irms为每周期相电流有效值。

采用PWM限相电流幅值控制策略时，由于将电机输入电压限制在一个较低水平，在开通功率管后，相电流上升速度受到限制，与开环控制相比到达限流峰值水平的时间将延迟，如果采用相同的开通角度控制，在相同转子位置输出的转矩瞬时值将变小，此过程中的A相电流可表示为：

(2)

同时在换相关断过程中初始电流减小，与开环控制相比将更快下降到较低水平，从而导致输出力矩波形后半段产生衰减。此过程中的A相电流可表示为：

(3)

式中：iLa(t)为电机A相电流瞬时值，K为PWM波形的占空比，U为输入直流电压，Ra为电机A相电阻，La为电机A相电感，t为时间，Ilim为限流值大小。

针对上述限流控制产生的弊端，本文提出偏转换相角控制策略，在每相开通和关断角度的基础上进行偏转，充分提高单位周期内的相电流有效值，减小电流迅速下降导致的转矩损失。如图7和图8所示，将零位对齐后，利用参数化模块将偏转角设置为变量，分别计算-6°至+8°的换相偏转角度下的转矩表现。

图7 不同关断角度调整下的相电流对比

图8 不同关断角度调整下的输出转矩表现

3 试验方案及验证

对起动电机样机在专用测试台上进行了不同偏转角控制的负载试验，试验装置原理如图9所示，主要包括环境模拟箱、测功机、测功变频器、操作台及上位机、测温仪、高温箱和负载等，起动电机及一体化控制器样机照片如图10所示，试验测试数据如表2所示。

图9 试验装置原理图

图10 起动电机及控制器样机照片

表2 电机输出转矩实测值

从表2可知，在相同的电流限幅值下，(20+4)°调整后的换相效果最佳，输出转矩最大达5.53 N·m，与不做调整的标准换相角(20+0)°相比，转矩提升0.24 N·m，占比4.53%，说明采用调整换相角控制可以改善输出转矩波形，提高平均输出转矩大小，同时计算值得到的输出转矩与实测值基本符合，也证明了该优化策略的有效性。

4 结语

本文通过对某型航空无刷起动电机本体电磁特征和传统控制策略的工作机理进行分析，指出了传统控制方式的不足，并优化了电路结构，实现了限流控制效果，同时针对原换相角控制策略进行了改进，通过对理想换相角度增加偏转角的方式补偿了限流控制带来的转矩损失，提高了限流控制下的转矩输出平均值，最后利用参数化仿真对比了不同方向和大小的偏转角下电机输出力矩大小，通过研究发现电机输出力与偏转角度并非正比例关系，而是存在一个最佳偏转角来提高输出力矩大小。

本文的研究结果适用于采用限流控制的无刷直流永磁电机，通过采取新的控制策略，优化成本较低，能够在原有电流限制基础上进一步提升带载能力的同时又保证电流全程限制在功率器件可承受范围内，可以为行业内航空无刷起动电机与控制器的匹配设计提供了一种新思路。