雙通道無刷直流電機控制系統的性能董慧芬，周元鈞，沈松花北京航空航天大學，自動化科學與電氣工程學院，北京100083，中國摘要本文將會介紹雙通道無刷直流電機控制系統的性能。它將被用于下一代飛機的機電制動器（EMA）。文章將討論在誤差范圍內的轉矩特性和功率損耗，分析銅耗對動態特性的影響；也會對EMA系統下的兩種模式的運行特性進行了數值模擬及分析。最后將會得到對應實驗的電機頻率。一、引言無刷直流電機（BLDCM）具有更好的可控性，更高的功率和效率，被廣泛應用于航空科技。提高電機控制系統的可靠性成為不可或缺的研究內容。由多繞組定子，多套獨立電力電子裝定，組成的多通道控制系統，是提高系統可靠性的一種方法。本文重點介紹為何雙通道無刷直流電機控制系統將被用于下一代飛機的機電制動器（EMA）。本文也會涉及誤差范圍內的轉矩特性和功率損耗，分析銅耗對動態特性的影響；最后是頻率響應的實驗研究示例。二、雙通道的無刷直流電機控制系統雙通道的無刷直流電機控制系統由兩個獨立的電力電子電路構成的兩組三相繞組，從而組成的雙通道控制系統，如圖1所示。其規格如下10KW，9000rpm，270VDC，轉子是由八個永磁極形成的外形 3 。定子繞組星形連接，兩繞組間有30電角度之差。該系統可在雙通道模式下正常操作，當任何一邊發生路障可切換到單通道模式；系統能夠超載運行。圖1雙通道的BLDCM控制系統示意圖和是控制變量的母線電壓，和是繞組的相電流，忽略在每相之間的相電流紋波和持續電流的影響，這兩套繞組的電壓方程可以寫成 4 ： （1）（2）這里是功率器件的等效電阻，相電阻，是自感系數，是互感系數，和分別是兩套繞組的電動勢。由于繞組的參數是相同的，與氣隙磁場為梯形波的頂部角度大于120電角度，得到如下的公式：。電磁扭矩是 （3）機械特性的描述如下：（4）顯然，雙通道系統就是轉矩和控制系統，在電流變化時，兩套繞組會產生互感干擾對方。這是不同于通過一軸連接兩個直流電動機系統。為了使電機運行在平衡狀態，在雙繞組同時工作時，Ud1應該等于Ud2。在單通道操作，其中一個繞組電流為零。另一個繞組的運行電壓方程如下： （5）電磁轉矩如下： （6）機械特性的描述如下： （7）比較公式（4）和公式（7）可以看出，電機工作在兩種模式下時，無負載角速度是相同的；但單繞組模式下角速度的下降是雙繞組的兩倍。樣品的機械特性曲線如圖2所示。圖2樣品的機械特性三、電機的動態數學模型電機的動態特性由電磁時間常數和機電時間常數所決定。A.電磁時間常數當電機運行在雙繞組運行模式，通常，然后參考 “（1）”，“（2）”，“（3）”，雙繞組的電磁轉矩為 （8）這里，。參考“（5）”和“（6）”，單繞組的電磁轉矩為 （9）在單通道模式切換到雙通道模式時，電磁時間常數從增加到 B.機電時間常數電機的機電時間常數公式為: （10）其中是電機的轉動慣量，是制動轉矩，是無負載速度。參考“（3）”，在雙通道模式的制動扭矩為，參考“（6）”，單通道模式下的制動轉矩，單渠道模式機電時間常數是雙通道模式下的兩倍 （11）機電時間常數可估計為，單渠道模式機電時間常數約為雙通道模式下的兩倍。四、功能和能耗之間的關系 雙通道模式產生的轉矩不同于單通道，單通道模式運行時，產生的電磁轉矩和功率是有限的，系統特性也有影響。在這兩種模式下，電機的電磁大小和速度是不變的，空載損耗也相同，只有銅耗是不同的。A銅耗和轉矩電機額定功率是基于雙通道操作設計的，雙繞組的電流是相等，。雙繞組的額定銅耗：（12）和分別是兩繞組的銅耗，是繞組的額定電流，相電阻。參考 “（2）”，電機額定轉矩是 （13）當一組繞組的工作和另一組繞組的電流為零，如果電磁轉矩保持正常，銅耗會增加到額定銅耗的兩倍。銅耗必須在單通道模式是不變的，它等于電機的額定銅耗，方程（14）可參考“（12）”：，允許電流為 （14）允許的電磁轉矩： （15）如果銅耗保持不變，電動機工作在單通道模式，它可以被看做工作電流是額定電流的1.4倍，允許電磁轉矩為額定轉矩的70%。B單通道模式在上述單通道模式中，轉矩受電動機功率損耗和允許溫度限制。允許轉矩是額定轉矩的70%， 但必須大于負載轉矩，如果操作過程在單渠道模式在完成，可以采用的控制方法如下： 通過保持溫度恒定上升下轉矩的設計。當一個通道故障，系統在單通道模式下工作。從以上分析，如果銅耗和溫度上升保持恒定，電流和轉矩將分別為額定的140%和70%。那么系統的動態響應將退化。 保持電壓恒定的電磁轉矩設計。為了不影響系統的功能，單通道操作模式下保持轉矩恒定，工作電流為，銅耗將增加或溫度會上升。例如樣品的工作溫度為130，雖然采用H級材料，絕緣性和軸承會長期受損。 適當的溫度上升下電磁轉矩的設計。采用適當提高電機溫度方法，單通道模式下允許扭矩減小為0.85，負載轉矩不大于0.85。在電機工作了很長一段時間后，溫度與額定值比較略有增加，電機的絕緣性和軸承是無害的，同時對系統的影響也較小。C系統的動態特性仿真分析雙通道直流電動機適用于驅動飛機舵；通過機械傳輸單位，電機的旋轉運動轉換成直線行駛，如減速器，滾珠絲杠角位移等。舵角位移與滾珠絲杠直線運動成正比。在動態特性的模擬分析，舵實驗的負載部分在下圖中 5 。飛機舵負載可以被描述為 6 ： （16）這里J是系統的總轉動慣量，是等效于摩擦阻尼系數，是轉子角位移，是該系統的轉矩，是電機角位移的鉸鏈力矩。為了迅速實現舵調節，電機必須具有較高的加速度，增加電流過載系數是增大加速度的方法，系統也具有較好的動態特征。但電機的銅耗會增加，然后銅耗與動態特性有直接關系特別是在故障系統下。模擬結果如圖3所示，模擬是按照8 Hz，10mm的正弦信號，圖3（a）是雙通道的運作模式，相電流最大振幅是25A，銅耗的計算公式（12）改為： （17） 其中T是一個周期，電機的額定銅耗計為321w。根據樣品實驗結果的溫度，電機穩定升溫為45，如果環境溫度是60；則電機的工作溫度為105。圖3（b）是單通道模式，相電流最大振幅55A，銅耗的計算公式如下： （18）電機銅耗為655w，這顯然是超過額定值，上升溫度增加了25，電機的工作溫度為130，長時間工作電動機將受到傷害。采用保持銅耗恒定的方法，在單繞組運行模式可以畫出10mm的正弦信號，但要在較低的頻率下，仿真結果如圖4（a）所示，頻率只有6Hz，工作相電流為35A，參考“（18）”銅耗為314w。如果采用適當增加溫度方法，頻率為7Hz，仿真結果示于圖4（b），工作相電流為48A，參考“（18）”銅耗為406w，上升溫度增大10，電機的工作溫度為115，即使工作很長一段時間，電機傷害也很小。圖3 8Hz正弦波信號的仿真結果圖4允許誤差的仿真結果五、實驗結果的頻率響應樣品的參數如下：轉動慣量J = 0.00065kg.m2，電源電壓是270VDC，功率為10KW，最大速度是900rads，系統的平均速度250弧度/秒。試驗樣品速度開環頻率特性也進行了測量，方向舵的平均速度為250弧度/秒，速度波動在150rads 和350rads之間，單通道和雙通道操作頻率響應的實驗曲線如圖5所示（a）雙通道（b）單通道圖5頻率響應特性的曲線實驗結果表明，在雙通道模式中如果穩定裕度作為45，頻率帶為30Hz，但在單通道模式中頻率帶為20Hz。由于不同的機電時間常數，對系統的動態特性影響是不同的。六、結論在以雙通道控制系統為基礎的雙繞組電機，在單通道模式下不能允許錯誤操作；當機電時間常數大于雙通道模式下時，會影響系統的動態特性；功率損失的限制也影響該系統的動態特性。參考文獻：1 Nelson J. Groom and Ray V. Hood. Electric Flight System. NASA Conference Publication 2209. 1982.2 Dixon, R.; Gifford, N.; Sewell, C.; Spalton, M.C.: REACTS: reli-able electrical actuation systems; Electrical Machines and Sys-tems for the More Electric Aircraft (Ref. No. 1999/180), IEE Col-loquium on, 9 Nov. 1999 Pages: 5/1 5/163 Zhu Yaozhong, Wang Ziqing. Consideration in the ElectromagneticDesign of Brushless DC motor for Flight Control. Journal of Bei-jing University of Aeronautics and Astronautics J.2000，26(2)：58614 Zhou Yuanjun. Mathematical Operation and Torque Characteristicson a Brushless DC Motor with Dual-windings J. Transactions ofChina Electrotechnical Society, 2004,19(3): 12165 Tim A. Haskew, Member, IEEE, and Dale E. Schinstock: O