一體化起動/發電機起動控制器設計

張新偉，駱光照，馬升潘，張佳波

(西北工業大學，陜西西安 710129)

0 引 言

一體化起動/發電機(以下簡稱ISG)利用電機的可逆原理，實現起動/發電雙功能。在發動機點火前，作為電動機帶動發動機加速到怠速后，發動機噴油點火，反過來拖動起動/發電機，將飛機發動機的機械能轉化成電能，以滿足機載設備的電能要求［1］。這樣就可以實現一機兩用，不僅能減輕機載重量，還能夠提高系統運行的穩定性。實現飛機發電機起動/發電功能的組合，是當今先進航空電源系統的重要發展趨勢，該系統對飛機總體性能的提升具有重要意義［2］。ISG的發電性能已經過實踐的驗證，能夠較好地滿足機載設備的要求［3］。由于ISG在起動過程中主發電機和勵磁機在內部存在輸入、輸出關聯及磁場耦合的相互影響制約，需要協同控制主發電機和勵磁電機，在一定負載條件下起動難度較大。針對ISG的工作特點及性能要求，本文分析了ISG起動過程的三個階段，針對主發電機和勵磁機的協同控制要求，設計了一種基于TMS320F2812的一體化起動控制器，可以實現主發電機和勵磁機的協同控制，結構緊湊、實時性好，可以有效提高電機的起動性能，減小控制器重量和維護難度。

1 ISG起動控制系統控制策略

ISG為多級式結構，其內部可以看作主發電機、勵磁機和副勵磁機三臺電機同軸安裝，其結構框圖如圖1所示。其中，轉子部分包括主發電機轉子、旋轉整流器、勵磁機轉子和副勵磁機磁極;定子部分對應為主發電機定子、勵磁機定子和副勵磁機定子。副勵磁機只在ISG發電狀態下為勵磁機定子提供勵磁電流，ISG起動時將副勵磁機斷開，向勵磁機中通入勵磁電流來實現ISG的起動。

圖1 ISG起動控制系統結構圖

起動過程中，起動控制器同時控制主發電機和勵磁機，起動過程分為交流勵磁階段、交直流混合勵磁和直流勵磁三個階段。第一階段，電機由靜止狀態下起動，在勵磁機定子通過單相交流電流，在氣隙中所產生的脈振磁勢，會在勵磁機電樞繞組中產生感應電勢，通過旋轉整流器向主發電機定子提供波動的直流勵磁電流。通過在主發電機定子繞組中施加相應頻率的交流電壓，使得電機開始起動。第二階段，當電機開始旋轉后，勵磁機電樞繞組中同時存在感應電勢和旋轉電勢。由于交流勵磁電流會導致主發電機勵磁電流的波動，因此必須進行調節，使得感應電勢的比例隨著電機轉速的升高而減小。在此階段，隨著轉速升高逐漸減小交流電流，并相應增加直流勵磁電流。第三階段，當電機轉速達到一定值時，由直流勵磁的勵磁機輸出能夠提供足夠的主發電機勵磁電流，此時切換為完全的直流勵磁。由此可見，要完成ISG的順利起動，必須對勵磁機及主發電機進行完全同步的協同控制。本文中，主發電機為電勵磁的同步電機，考慮到主發電機轉子結構及勵磁繞組特點，與隱極式永磁同步電機轉子特性相似，故主發電機采用Id=0的磁場定向控制方式;勵磁機控制根據不同控制階段，分別進行可疊加直流分量的頻率、電壓隨轉速實時調節的交流勵磁電流控制及脈寬調制直流控制方式。

2 硬件設計

由前面分析可知，起動控制器需要同時控制主發電機和勵磁機，實時檢測信號多，算法復雜，實時計算量大，系統采用TMS320F2812處理器作為系統控制芯片，充分利用其專門用于電機伺服控制外設——事件管理器(EV)模塊及其它相關接口，發揮其高性能的信號處理和控制功能，完成主發電機與勵磁機的協同控制。為了增加DSP的運行速度，減小數字I/O引腳的壓力，系統采用DSP+CPLD模式，CPLD完成對包括片外ADC和旋轉變壓器數字轉換(RDC)等外設的管理、PWM信號與故障信號的邏輯綜合等功能。

圖2為起動控制器硬件結構圖。通過外部控制按鈕，啟動控制器，TMS320F2812通過片內ADC、片外ADC和RDC，讀取母線電壓、母線電流、A/B相電流、勵磁電流和電機的轉子位置信息，用于矢量運算并通過EVA、EVB輸出控制主發電機和勵磁機的PWM，經過光耦隔離接驅動電路。驅動電路的故障信號及功率主電路的IGBT模塊的溫度信號也通過光耦隔離實時反饋給TMS320F2812。控制器通過RS－232方式與上位機通信，實現控制參數設置和觀測。

圖2 起動控制器硬件結構圖

(1)功率主回路設計

圖3為起動控制器的功率主回路的拓撲結構，功率主電路包括兩個部分:一是控制主發電機的(VT1～VT6)三相全橋;二是控制勵磁機的(VTa～VTd)兩相H橋。系統采用115 V/400 Hz三相交流供電，通過三相不可控整流橋得到270 V的母線(VDC)電壓，為了避免上電瞬間對支撐電容的沖擊，系統在上電前設置有軟充電回路，上電時母線通過充電電阻向支撐電容充電，充電完成以后并聯晶閘管投入并通過繼電器將充電電阻切除。功率器件的增多導致母排上雜散電感的增大，在IGBT關斷過程中產生較大的過電壓Vovershoot=Ls，使集電極和發射極之間 VCE=VDC+Vovershoot＞VCEmax，造成 IGBT損壞。為了避免這種現象的產生，系統采用層疊母排結構來減小電路回路面積，同時在每個IGBT上放置吸收電容，這樣可以有效減小IGBT開關過程產生的過電壓，保護IGBT模塊。

圖3 功率主回路拓撲圖

(2)轉子位置采集電路設計

為了得到電機精確的轉子位置，系統采用12位的RDC芯片 AD2S1200，最大跟蹤速率1024 r/s，RDC內部包括有12位分辨率的跟蹤分解器和可編程正弦振蕩器，以及故障檢測電路。芯片兼容并行接口和串行接口。AD2S1200的引腳EXC與/E/X/C輸出交流勵磁信號，作為旋轉變壓器的勵磁信號，電路原理如圖4所示。

圖4 RDC轉換接口電路

在實驗過程中，主發電機為電勵磁的同步電機，在大負載運行條件下，對旋轉變壓器輸出的模擬位置信號產生很強的電磁干擾，導致位置信號的不正確，而引發起動失敗或正反轉震蕩。在本設計中通過提高激勵信號的頻率、將AD2S1200的FS1、FS2引腳拉高、將激勵頻率提高到最高的20 kHz以及采用屏蔽雙絞線進行信號傳輸、適當提高激勵電壓的幅值等措施，提高了轉子位置檢測的抗干擾能力。

(3)電流采集電路設計

在矢量控制中A/B相電流采集的精度會對控制效果產生較大影響。為了得到準確的A/B相電流值，系統采用的AD9243為3MSPS、單端供電的14位并行接口ADC。AD9243的模擬輸入端口為差分接口，所以前端需要輔以AD8138將傳感器輸出的模擬信號轉換成差分信號，電路原理圖如圖5所示。

(4)保護設計

為了保證起動控制器可以安全可靠的起動ISG，起動控制器設置了三級保護機制。第一級保護是智能IGBT驅動模塊保護，該保護能保證IGBT模塊發生退飽和短路時能夠及時關閉IGBT模塊，作用時間在10 μs以內;第二級保護是硬件保護，控制器采集的A/B相電流、母線電壓、母線電流都通過閾值設置比較電路接到CPLD的I/O上，CPLD在邏輯綜合時，當其中任何一個檢測量超過設置的閾值時，都會將控制器的主功率封鎖;第三級保護是軟件保護，軟件保護是DSP通過實時檢測各傳感器的數字量來判斷控制器的實際工作情況，軟件保護雖然速度較慢，但相比其他保護使用更靈活，可以根據實際工況實時調整保護閾值。

圖5 電流采集電路

3 軟件設計

起動控制器軟件可分為主程序和PWM計算中斷子程序兩部分，其中主程序負責完成系統狀態檢測、故障判斷與處理、上位機通訊處理等功能。如圖6所示，控制器上電以后完成對系統的初始化，檢測控制器狀態是否正常，若沒有故障，控制器給功率主回路上電。判斷外部控制指令，包括起動、停止信號，若檢測到起動信號，通過檢測母線電壓、母線電流、A/B相電流、勵磁電流和轉子位置和速度進行故障判斷，若有故障，主程序停止并向上位機報出對應的故障信號。若沒有故障，則進入控中斷子程序，在中斷程序中完成對主發電機和勵磁機PWM計算后，通過通信端口向上位機實時反饋采集的數字量和計算的過程量。

圖6 軟件流程圖

中斷子程序主要實現對主發電機三相電流和勵磁機參數的實時采集，并經相應的計算后得到主發電機和勵磁機的控制PWM波。如圖7所示，在中斷子程序中，主發電機采用Id=0的矢量控制，給定轉速和檢測轉速的差值經速度環PID調節以后得到電流環給定值。采集的 IA、IB、IC經過Clarke/Park變換得到反饋Id、Iq。－Iq和0－Id經過電流環PID得到給定的Ud、Uq;Ud和Uq經過Clarke/Park 逆變換得到 UA、UB、UC，然后通過扇區計算和矢量作用時間計算，得到每一個橋臂的PWM占空比，輸出SVPWM。為了實現主發電機和勵磁電機的協同控制以實現最大的起動轉矩，對勵磁機的控制是根據實際轉速調整輸出電流中交流與直流分量的比例關系，得到需要輸出的PWM波的占空比。在勵磁機控制中交直流的切換點是保證最大起動轉矩的關鍵，經過大量試驗確定了最佳切換點應在500 r/min開始逐漸減小交流分量，向交直流混合勵磁過渡，最后變成完全的直流勵磁。

圖7 中斷子程序

4 試驗結果及分析

系統進行了樣機設計和試驗驗證，試驗電機為15 kW ISG樣機，加載裝置為Magtrol磁粉+渦流測功機。根據發動機的工作特性曲線，通過測功機的上位機控制器設置需要的模擬加載曲線，如圖8所示。

從圖8可以看出，發動機的起動轉矩為5 N·m，隨著轉矩的升高，轉矩逐漸增加，在 800 r/min時達到最大30 N·m，并維持一段時間使電機處于恒轉矩階段;當轉速達到2400 r/min時，隨著轉速的升高，轉矩逐漸減小，此時電機處在恒功率階段;當轉速達到4000 r/min時，負載降為4 N·m。圖9中C1為勵磁電流波形;C2為主發電機的電樞電流波形;C3三相交流輸入電流波形;C4經三相不可控整流輸出的直流電壓波形。根據圖8從圖

9中可以看出，起動/發電機帶載起動時主發電機的電樞電流在給定負載條件下隨著轉速升高逐漸增大后又逐漸減小;勵磁電流由完全的交流勵磁向交直流混合勵磁過渡，最后變成完全的直流勵磁。在整個起動過程中母線電壓均沒有明顯的波動，驗證了硬件平臺的穩定性。

圖8 模擬加載曲線

圖9 電流/電壓波形

圖10為ISG在圖8的負載條件下的起動過程。從圖中可以看出，電機可以在給定負載轉矩下成功起動，并達到了預定轉速，驗證了起動控制器設計的可行性。

圖10 ISG起動過程轉速曲線

5 結 語

ISG起動控制器經過現場復雜電磁環境的試驗驗證，可以安全可靠的完成ISG的起動。一體化設計使控制器結構緊湊，可有效減小重量和體積;以DSP+CPLD為核心的控制單元可以保證采集信號的實時性和控制的精度;三級保護機制保證了控制器的安全性。因此，該起動控制器在大功率ISG起動控制系統中具有良好的應用前景。

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