0 引言

民用飞机在空中时,舱室排气阀门通过调节排出舱外的空调进气流量,使舱室的气压值保持在人体所能承受的安全和舒适范围内。由于机外的大气压力随着飞行高度而变化,舱室内由空调提供的进气量也非恒定,因此为保证座舱压力制度,舱室排气阀门的开度也需要动态调节。

舱室排气阀门的作动器,由电机提供动力,经由齿轮组和蜗轮蜗杆的机械设备,使阀门的阀瓣在0°~90°的范围内作动。为了保证民机产品安全性、可靠性的要求,排气阀门作动器包含了2套~3套电机,用作不同的控制模式和功能备份。其中手动模式下,常用无刷直流电机(Brushless Direct Current Motor,简称BLDC)驱动阀门。BLDC需要专门的驱动器电路和控制逻辑,实现调速、换向等功能^[1-2]。

在排气阀门的手动模式下,飞行员通过手动调节阀门开度,来实现对舱室气压变化率的控制。人为操作下,无刷直流电机工作于“正转-反转”指令频繁切换的状态。BLDC通过控制和驱动器件,先制动再换向。对于排气阀门,如果BLDC的实际转速变化不能跟上指令,会影响舱室压力调节的快速响应。因此,有必要对BLDC驱动的减速及制动过程进行研究,并结合工程应用中常见的闭环控制系统,给出合理的BLDC制动控制策略。

1 无刷直流电机工作原理

对常用的三相六状态的BLDC进行工作原理说明,其定子线圈绕组和转子永磁体的结构、位置分布如图1所示^[3]。

假设电机转子上分布两对永磁体的磁极,定子绕组的三对线圈A-X、B-Y、C-Z按照星形连接,每极每相的间隔角度为60°。电机内部的转子轴和定子上还分别固定霍尔传感器的转子和定子,用于检测转子磁极的位置。BLDC的定子线圈驱动电路如图2所示。

BLDC中Y接(星接)的三相绕组导通分为6个状态。任一个状态下均有两相绕组串联导通,剩余的一相绕组对应桥臂电路的功率器件均不导通。这样的目的,是使定子的永磁体跟随绕组的磁动势而运动,产生电机转子的电磁转矩。

根据电机转向来区分,在不同转子位置时的绕组相的工作规律如表1所示^[4]。

2 无刷直流电机制动过程

在无刷直流电机运转中,如果收到停止指令,立即使驱动电路中的功率开关器件截止,那么转子由于惯性作用会继续运转。在此过程中,电机处于发电机的工作状态,但因为没有形成电回路,绕组没有电流流过,电机到完全停止需要一段时间。

如果需要电机在正常运行时反转,为了防止烧坏电路,一般需要使电机转速下降到安全速度后,其反电动势降低,才能够驱动电机反转。为了提高正反转切换的速度,需要对BLDC的制动过程进行研究。

无刷直流电机,一般配备有专用的控制器或芯片实现速度/位置/转矩的闭环控制。同时,BLDC的桥式驱动电路,直接控制电机定子线圈的通断特性,直接影响制动的效果,需要对其电路特性进行详细研究^[5-6]。

3 BLDC受控制动原理

3.1 耗能制动

耗能制动时,励磁电流通过电阻消耗能量,直至转子停转。耗能制动的本质是将电机的机械能被动转为了电阻发热,该制动方法操作简单,但是低速时制动转矩会很小,制动速度较慢,并且如果频繁制动,则会大大增加电路发热。

对于舱室排气阀门,电机转轴的下游还连接有齿轮等机械结构。机械摩擦转矩及减速齿轮对转矩的放大作用,本质上同样是对电机的耗能制动。机械摩擦死区的存在,可以判别电机理论转速低于某个阈值时,转速已经降为0。

3.2 反接制动

反接制动是利用反接工作绕组对应开关管的方式,实现电特性的制动:对图2的驱动电路,在发出制动信号的时刻,对工作的绕组切换桥臂上下的开关管^[5]。

此时,电源的正负极与电机线圈产生的反电动势方向相反,绕组的电流迅速减小到0。然后,电流反流,产生更强的制动转矩^[7]。

反接制动能够使电机制动过程更加迅速,但在制动初期,反电动势与电源电压的叠加,如果电机转速较高容易造成绕组上流过的电流过大。因此反接制动时,电机转速不宜过高。

3.3 回馈制动

反接制动时,电源提供能量转化为制动力矩动能。而回馈制动,是将动能转化为电能的过程^[8]。

回馈制动,要提供比电源更高的电压幅值,实现“充电”。而不受控制时,两相绕组反电势的幅值是低于电源电压的,需要通过绕组电感特性设计升压斩波电路来升压。具体原理是,半桥电路中的三个开关管始终截止,而另外半桥中的三个开关管通过PWM波控制。对于受控半桥的绕组回路,PWM导通的时间内电感储能;PWM切断时,绕组电流不能突变,产生自感电势。控制PWM的占空比,能使自感电势超过电源电压^[9-10]。

回馈制动不会消耗电源能量,并且在电机转速较高时具有良好的制动效果,适合电机高转速时制动^[11]。

4 BLDC制动过程建模仿真

根据BLDC受控制动的原理,搭建闭环控制的电机调速系统,研究比较不同制动方式的效果差异。

4.1 转速-电压双闭环控制

通过多闭环控制,可以使无刷直流电机获得更好的控制精度。仿真中,搭建“转速-电压”的双闭环BLDC控制系统,其原理如图3所示。

电机转动时,速度调节器比较实际转速N与目标转速N_ref的差值,然后通过PI(比例积分)调节,输出电压控制环的目标电压值V_{dc_ref},与采集到的电机电枢电压V_dc比较后,电压调节器通过PI调节进行校正和放大,然后输出的信号通过PWM波发生器,输出合适占空比的方波信号。PWM输出的方波信号不直接作用于BLDC的桥臂上的功率开关器件,而是用于直流降压变压器内部的开关控制,实现BLDC供电电压的调制。

在电机控制的反馈环节上,由霍尔传感器提供转子的位置信息,一方面用于测算电机转速,另一方面为全桥驱动电路提供换相信号。电枢实时电压检测后的结果还要经过低通滤波。

搭建的BLDC转速调节模型如图4所示,设定电机空载运行,仿真获得的转速曲线如图5所示。

建模仿真时,用符号表示转速的正/反向,绝对值表示转速大小。从图5中可以发现,在电机转速上升阶段,闭环PI调节后具有较好的跟随性能。但是在目标转速下降时,双闭环控制器无法使电机快速减速制动,存在明显的滞后。

当目标转速某一时刻降至0附近,可以视作电机的制动过程,此时速度调节器与电压调节器输入端的偏差比较信号很大,使调节器进入了饱和状态,表现为电压调节器输出最小电压值,相当于无刷直流电机直接断电,电枢绕组没有电流流过,转子在自身惯性作用下继续转动,主要依靠机械摩擦减速。而对于减速调速的过程,电枢电压没有完全消失,闭环控制的调节器未进入饱和状态,此时电枢电压的PI控制,会与机械摩擦叠加作用,加快转子减速过程。

对于舱室排气阀门,电机处于频繁的正反转指令切换中,因此提高电机的减速制动性能对于提高阀门动态特性至关重要。因此,下面研究对BLDC的驱动电路进行优化。

4.2 无刷直流电机反接制动

这里首先对减速和制动过程进行定义:对转速绝对值,如果下降速率低于3 000rpm/s,则触发电机的“Brake”信号。满足以下条件之一,则退出制动过程,“Brake”信号重置:

1)电机速度降至50rpm以下;

2)电机开始加速。

在图4的仿真模型中,增加“Brake”信号,用于切换电机的正常调速和制动控制过程。对于全桥控制电路,模型采用如图6的搭建方法,用来实现制动瞬间的桥臂开关管状态切换。

在图6中,每个开关管均由专门的信号控制通断。当“Brake”信号为重置状态时,桥臂由控制器进行调速控制。当“Brake”信号触发时,调速信号不再参与开关管控制,桥臂信号采用的判断逻辑如图7所示。

将桥臂驱动电路增加反接制动相关的条件判断逻辑,其余仿真条件与图4的模型一致,获得的电机转速曲线如图8所示。

对比图5和图8,可以看出在目标转速的制动和减速阶段,无刷直流电机的减速效果明显。

4.3 无刷直流电机回馈制动

采用与4.2节相同的“Brake”信号定义。仿真时采用半桥斩波的方式,其核心控制逻辑是对全桥桥臂电路的上半桥开全管截止,下半桥的开关管通断,取决于制动前一时刻的上半桥是否导通——如果导通,则在“Brake”信号触发期间,采用PWM波控制下半桥臂导通,否则保持下半桥臂始终截止。下半桥臂开关管的控制模型如图9所示。

其中,为了检测电机制动时各相的桥臂开关管的通断情况,并在制动控制期间保持,使用了由代码独立编写的“ManageResetSet”模块,作用是检测到上半桥臂开关管打开时,模块保持输出为True逻辑,直到“Brake”信号变成False,使模块重置,输出变为False。然后通过一个PWM波生成模块使得在制动控制期间,下半桥臂的开关管受控开或关。

在桥臂电路中,在电机供电电源端并入一个电容,用于模拟对电源的充电。如果检测到电容两端,随着PWM波的周期有明显的充电-放电过程,则认为回馈制动是有效的。

理论上,升压后作用在电容两端的电压为:

式中,U_f为升压阶段,作用在电源端的电压,V;E为每相绕组电感的反电动势,V;D为PWM波的占空比(0~1)。

由式(1)可以看出,开关管的PWM波占空比越大,对电源端产生的升压越高,但是同时也说明了,如果反电动势不够大,则有可能升压Uf小于电源的电压值,无法实现有效的回馈制动。

对于图3所示的转速-电压双闭环控制BLDC调速系统,在4.1节已经分析过,制动或减速阶段,经过电压调制环节,实际给到电机的电压很小,因此如果采用较大的占空比,理论上是能实现回馈制动的。这里,选取与4.2节相同的目标转速和转矩条件,并设置半桥开关管的PWM信号占空比为0.9,进行回馈制动控制方式的调速仿真,获得的转速曲线如图10所示。

从图10的实际转速来看,对比图5电机的非受控减速过程,有了一定的制动效果,但是对比图8的反接制动,制动速度明显变慢。分析原因如下:

1)反接制动过程,桥臂电路的上下桥臂开关管均参与了制动过程,通过电源的反接,输入电能用于抵抗电枢产生的反电动势,效果明显。而回馈制动过程,桥臂电路仅一个开关管参与制动过程,并且是一种被动的能量转换。电容端的电压变化如图11所示,有电压有明显的梳齿装充放电变化,证明实现了回馈制动。同时,回馈制动主要在PWM波使开关管截止时才能对电容充电,占空比越大,升压效果越明显,但是充电时间也短,使电压上升有限。

2) 在仿真中,由于电机绕组的供电是由直流减压变压器实现的,在输出侧同样有一个电容,因此实际升压值会受限于变压器的输出侧电容。

3) 在式(1)中给出了升压值与反电动势的关系,而反电动势取决于制动时的转速。在高速时制动,回馈制动有较好的效果。

5 结论

本文对舱室排气阀门的作动设备——无刷直流电机,研究了其制动和减速过程的电特性,并通过仿真的方法,对速度-电压双闭环控制的BLDC,进行了制动过程仿真研究。

仿真中,反接制动表现出了更快的“刹车”效果;但是在实际应用中,如果电机转速较高,反接制动接入的瞬间容易造成绕组上流过的电流过大,产生发热严重。相反,从回馈制动的原理上,电机转速较高时,反电动势较大,向电源端回馈电压也大,制动效果明显。因此建议在工程应用中,将两种制动方式结合,同时考虑无刷直流电机和控制电路的特性,选择合适的转速阈值,在较高转速下采用回馈制动,较低转速下采用反接制动。

对于舱室排气阀门,工作时具有频繁正反转切换的特点,考虑到排气阀门内部有机械减速机构,为了提高电机的使用寿命,防止电气元件的损耗,也可以考虑在电机转速较低时,切断电气控制,由阀门自身的摩擦实现机械制动减速。

参考文献