箭用組合式伺服動力電源技術(shù)研究

楊 斌，李旭陽，王開春，李琪琦，鄭再平

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

0 引 言

箭載伺服電源的提出主要基于大功率機(jī)電靜壓作動器（Electro Hydrostatic Actuators，EHA）在火箭推力矢量控制領(lǐng)域的快速發(fā)展，EHA已廣泛應(yīng)用于F-35、A380等多電飛機(jī)[1,2]，在箭用領(lǐng)域也開展了多次搖擺試車試驗(yàn)[3]，標(biāo)志EHA具備了應(yīng)用于大推力液體火箭發(fā)動機(jī)推力矢量控制的條件，而其電源方案，也受到了廣泛關(guān)注。為滿足箭載EHA大功率、高動態(tài)、高可靠性要求，開展了以火箭發(fā)動機(jī)預(yù)壓泵為主能量源的組合電源技術(shù)研究，本文基于伺服系統(tǒng)用電需求特性，對箭載組合電源的組合方式及控制方法進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，箭載組合電源系統(tǒng)能夠滿足大功率EHA的用電需求，為箭上大功率電源系統(tǒng)方案選擇提供了新的思路。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)電靜壓作動器伺服系統(tǒng)用電特性為長時(shí)小功率、瞬時(shí)高功率、制動負(fù)功率，要求電源既能提供瞬時(shí)峰值功率又能在機(jī)電伺服系統(tǒng)制動時(shí)抑制母線電壓的抬升，為滿足箭上機(jī)電伺服系統(tǒng)大功率、高可靠用電需求，提出一種以發(fā)電機(jī)為主電源，并輔以蓄電池及電容而構(gòu)成組合電源系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 發(fā)電機(jī)及發(fā)電控制器

火箭發(fā)動機(jī)預(yù)壓泵能夠提供較為穩(wěn)定的輸出功，本系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)主軸與預(yù)壓泵主軸進(jìn)行直連，以獲取火箭發(fā)動機(jī)燃料燃燒吹動渦輪而產(chǎn)生的機(jī)械功，其中發(fā)電機(jī)采用五相開繞組永磁同步電機(jī)，并配備5相H橋發(fā)電控制器，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的可控整流，在相同發(fā)電功率下降低各相負(fù)載電流。同時(shí)，基于多相發(fā)電機(jī)及多相發(fā)電控制器的容錯控制能力，提升發(fā)電環(huán)節(jié)的可靠性，以滿足箭載電源的高可靠性需求。在電能分配方面，發(fā)動機(jī)主要用于長時(shí)恒定功率的提供，可以顯著提高電源系統(tǒng)的能量密度，為考核組合電源輸出特性，在發(fā)電控制器的輸出端串聯(lián)了二極管，防止電池及機(jī)電伺服系統(tǒng)制動能量向發(fā)電控制器回路進(jìn)行充電。

1.2 鋰離子蓄電池

為提升組合電源的脈沖峰值輸出能力，保證母線電壓負(fù)載調(diào)整率在要求范圍內(nèi)，在組合電源中增加蓄電池組件，其中，蓄電池能夠在發(fā)電機(jī)具備供電能力前即可向外輸出電功率，以實(shí)現(xiàn)伺服機(jī)構(gòu)的零位保持，同時(shí)實(shí)現(xiàn)削峰填谷的功能[4]，降低電壓大范圍波動。在蓄電池選擇方面，由于電池僅提供初始位置保持電能和脈沖用電階段的電能補(bǔ)充，可以選擇功率型化學(xué)電池，為滿足輕小型化和高比能量要求，在該組合電源中，選擇功率型三元體系鋰離子電池。為考核組合電源輸出特性，同時(shí)防止伺服驅(qū)動器過大的制動能量向蓄電池充電，在蓄電池的輸出端串聯(lián)二極管。

1.3 峰值補(bǔ)償單元

峰值補(bǔ)償單元作用在于滿足機(jī)電伺服系統(tǒng)的短時(shí)脈沖電流需求和制動能量吸收，主要利用電容的快速充放電特性和較高的功率密度，以吸收伺服電機(jī)制動能量吸收及補(bǔ)償峰值電流，保證母線電壓的穩(wěn)定，同時(shí)防止制動電能向發(fā)電機(jī)和蓄電池內(nèi)倒灌，減少蓄電池大電流輸出引發(fā)的電池過熱等問題，在該組合電源中，選擇薄膜電容作為峰值補(bǔ)償單元組件。

箭用組合電源系統(tǒng)各個(gè)單機(jī)關(guān)鍵部件實(shí)物如圖2所示。

圖2 箭用組合電源系統(tǒng)關(guān)鍵單機(jī)Fig.2 Key Single Unit of Combined Power System for Launch Vehicle

續(xù)圖2

組合電源各關(guān)鍵單機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 組合電源各單機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of Each Single Unit of Combined Power Supply

2 控制策略

箭用組合式伺服動力電源系統(tǒng)的控制目標(biāo)是在提供足夠功率輸出的同時(shí)維持母線電壓在規(guī)定范圍內(nèi)，以滿足機(jī)電伺服系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力。目前，在組合電源控制方法中，常用集中控制和分散控制，采用集中控制時(shí)，需要各控制器之間的通信聯(lián)系，整個(gè)系統(tǒng)對主控制單元及通信線路有很強(qiáng)的依賴性，系統(tǒng)可靠性大大降低；采用分散控制時(shí)，各供電單元之間無需通信聯(lián)系，系統(tǒng)基于自身特性運(yùn)行，可靠性較高。在該組合電源系統(tǒng)中，電池和電容作為不可控源，其輸出電流能力取決于電壓的壓降和儲能元件的容量，本文采用基于直流母線電壓信號的分布式控制策略，以簡化控制結(jié)構(gòu)，避免通信線路的建設(shè)。由于將母線電壓作為系統(tǒng)的控制信號，對系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定要求更為嚴(yán)格，蓄電池具有功率密度大、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，對于組合電源的穩(wěn)定控制、電能質(zhì)量和供電可靠性具有非常重要的作用。由于在整個(gè)組合電源系統(tǒng)中，電池和電容為不可控部件，無法對其放電能力進(jìn)行直接控制，因此整個(gè)組合電源的控制策略主要施加于發(fā)電機(jī)部分，并以發(fā)電機(jī)的輸出電壓作為主要控制目標(biāo)，合理匹配蓄電池的端電壓，以實(shí)現(xiàn)組合電源的輸出特性控制，滿足系統(tǒng)用電需求，優(yōu)化功率分配模式。

為提升發(fā)電機(jī)的可靠性，發(fā)電機(jī)選用五相永磁同步電機(jī)，采用開繞組形式，與星接繞組電機(jī)不同，開繞組電機(jī)的相電壓由雙逆變器共同調(diào)制，各相之間相互獨(dú)立，本文所采用的共直流母線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 共直流母線五相開繞組發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)銯ig.3 Structural Topology of Five-phase Open-winding Power Generation System with Common DC Bus

針對五相開繞組電機(jī)采用空間電壓矢量（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）控制算法，SVPWM方法由于數(shù)字實(shí)現(xiàn)方便，母線電壓利用率高，相較于SPWM方法，使用的更為廣泛。由于電機(jī)相數(shù)增加，開關(guān)器件產(chǎn)生的空間電壓矢量也增加，SVPWM控制方法的選擇也更多。為獲得較好的電磁轉(zhuǎn)矩靜、動態(tài)特性，輸出電壓作為直接的被控量，系統(tǒng)中設(shè)有電流內(nèi)環(huán)，電壓、電流雙閉環(huán)控制，使控制變得十分穩(wěn)定?；谙噜徦氖噶靠刂频奈逑嚅_繞組電機(jī)發(fā)電控制如圖4所示。

圖4 五相開繞組發(fā)電機(jī)控制策略Fig.4 Block Diagram of Control Strategy for Five-phase Open-winding Generator

本文所采用的五相發(fā)電機(jī)為氣隙磁場非正弦的電機(jī)，基波空間和三次諧波空間存在耦合電感，若三次諧波空間仍開環(huán)，必然會出現(xiàn)三次諧波電流，其不僅會帶來諧波損耗，還將產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩，影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，因此需要同時(shí)對基波空間和三次諧波空間進(jìn)行閉環(huán)控制[5,6]。外環(huán)為電壓環(huán)，反饋電壓與給定電壓之間的偏差經(jīng)過PI運(yùn)算得到電流環(huán)iq1的給定iq1ref，自然坐標(biāo)系下的五相交流實(shí)際電流經(jīng)式（1）所示由自然坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的Clark變換和式（2）所示由兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的Park變換，得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的id1、iq1、id3、iq3。給定與實(shí)際電流的偏差經(jīng)過PI運(yùn)算得到基波空間與三次諧波空間的交直軸電壓Ud1、Uq1、Ud3、Uq3。靜止坐標(biāo)系下的調(diào)制電壓，再經(jīng)過Park變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下。采用相鄰四矢量的調(diào)制方式，生成10組互補(bǔ)的PWM控制信號驅(qū)動五相全橋整流器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)共直流母線五相開繞組發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定直流電壓輸出的發(fā)電控制目標(biāo)。

3 仿真分析

基于直流母線電壓信號控制方法和發(fā)電機(jī)部分的控制特性，對組合電源供電特性進(jìn)行了仿真研究，并建立組合電源模型，仿真模型如圖5所示。

圖5 組合電源系統(tǒng)仿真模型Fig5 Simulation Block Diagram of Combined Power Supply System

3.1 電池對組合電源系統(tǒng)的影響仿真分析

通過向負(fù)載端注入常值為20 A，峰值為40 A（20 ms）的電流，分別開展電機(jī)單獨(dú)供電和電機(jī)+電池組合供電特性分析，仿真結(jié)果如圖6所示，圖6a為直流母線電壓及各個(gè)單機(jī)部件的電流波形，圖6b為五相發(fā)電機(jī)的相電流波形。結(jié)果表明：發(fā)電機(jī)+電容組合工作過程中能夠滿足負(fù)載端的電流需求，但電壓波動范圍在238～295 V之間，波動范圍大于270 V±10%，電源電壓波動范圍過大，將顯著影響機(jī)電伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，對機(jī)電伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)不利。

圖6 發(fā)電機(jī)與電容供電仿真Fig.6 Simulation Diagram of Generator and Capacitor Power Supply

當(dāng)發(fā)電機(jī)、電容與電池共同供電時(shí)，將發(fā)電機(jī)的供電電壓控制值設(shè)置于電池輸出電壓之上，則常值20 A均由發(fā)電機(jī)提供，電池容量不消耗，而在峰值40 A的脈沖電流要求下，電流將由發(fā)電機(jī)與電池共同提供，電壓波動范圍在265～285 V，電壓波動范圍不到270 V±10%，仿真結(jié)果如圖7所示，圖7a為直流母線電壓及各個(gè)單機(jī)部件的電流波形，圖7b為五相發(fā)電機(jī)的相電流波形。對于伺服系統(tǒng)長時(shí)小功率、短時(shí)大功率的用電特點(diǎn)，發(fā)電機(jī)、電池與電容的組合電源形式能夠滿足需求。

圖7 發(fā)電機(jī)+電池+電容供電仿真Fig.7 Generator + Battery+Capacitor Power Supply Simulation

續(xù)圖7

3.2 組合電源供電特性仿真分析

通過以上分析可知，含有電池的組合電源相較于單發(fā)電機(jī)供電，具有較為明顯的脈沖峰值補(bǔ)償能力，可以有效避免發(fā)電機(jī)動態(tài)調(diào)整遲滯問題，能夠與機(jī)電伺服系統(tǒng)的用電特性相匹配，滿足伺服系統(tǒng)長時(shí)小功率、短時(shí)大功率的用電特性，且電壓波動范圍較小，考慮到機(jī)電伺服系統(tǒng)供電峰值電流往往是常值電流的數(shù)倍，為驗(yàn)證機(jī)電伺服系統(tǒng)用電特性與組合電源匹配特性，進(jìn)行了常值為25 A，峰值為75 A（20 ms）的脈沖特性供電仿真驗(yàn)證，通過向虛擬負(fù)載注入該負(fù)載用電曲線，對發(fā)電機(jī)電流、電池電流、母線電壓及電流進(jìn)行了采集和數(shù)據(jù)分析。

圖8 發(fā)電機(jī)+電池+電容供電組合供電仿真Fig.8 Simulation Diagram of Combined Power Supply of Generator + battery+capacitor

對圖8的仿真結(jié)果進(jìn)行分析可知：組合電源系統(tǒng)能夠提供常值25 A，峰值75 A（20 ms）的電流，電壓波動范圍在 260～290 V，電壓波動范圍不到270 V±10%，在脈沖放電過程中，首先由電容向母線進(jìn)行供電，功率輸出波形變化呈快速的階躍型，但電容容量有限，很快將能量釋放完畢，而后由電池及發(fā)電機(jī)共同向母線進(jìn)行供電，電池的輸出功率對系統(tǒng)功率發(fā)生變化時(shí)的響應(yīng)則較為緩慢，呈平緩上升或下降趨勢，但其供電響應(yīng)能力依舊快于發(fā)電機(jī)，隨著發(fā)電機(jī)的快速調(diào)整，電池供電電流逐步下降，母線電壓逐步提升，脈沖放電結(jié)束后，發(fā)電機(jī)通過調(diào)整后恢復(fù)母線電壓為270 V，功率輸出波形變化呈快速的階躍型。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述組合電源系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及控制策略的有效性，搭建組合電源實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，組合電源試驗(yàn)平臺如圖9所示。

圖9 組合電源試驗(yàn)平臺Fig.9 Combined Power Supply Experiment Platform

為模擬機(jī)電伺服系統(tǒng)長時(shí)小功率、瞬時(shí)高功率、制動負(fù)功率的用電特性，通過提取機(jī)電伺服系統(tǒng)的特性曲線，并將其施加于電子負(fù)載控制端，模擬實(shí)際用電工況。

4.1 電池對組合電源系統(tǒng)的影響分析

通過向電子負(fù)載注入常值為20 A，峰值為40 A（20 ms）的電流，分別開展電機(jī)單獨(dú)供電與電機(jī)+電池組合供電特性分析，通過試驗(yàn)結(jié)果分析結(jié)果可知，發(fā)電機(jī)對于伺服系統(tǒng)的高動態(tài)特性跟蹤能力較差，其電壓波動范圍在230～320 V，相較于基準(zhǔn)電壓270 V，波動范圍在±20%之間，與機(jī)電伺服系統(tǒng)±10%電壓波動范圍要求存在一定差距，而當(dāng)發(fā)電機(jī)結(jié)合電池共同供電時(shí)，常值20 A均由發(fā)電機(jī)提供，電池電能不消耗，而在峰值40 A的脈沖電流要求下，電流將由發(fā)電機(jī)與電池共同提供，電壓波動范圍在255～285 V，電壓波動范圍小于基準(zhǔn)電壓的±10%，能夠滿足機(jī)電伺服系統(tǒng)的高動態(tài)要求。

圖10 發(fā)電機(jī)與電容供電試驗(yàn)波形Fig.10 Experimental Waveform of Generator and Capacitor Power Supply

圖11 發(fā)電機(jī)+電池+電容供電試驗(yàn)波形Fig.11 Generator+battery+capacitor Powered Experimental Waveform

4.2 組合電源供電特性分析

通過以上分析可知，組合電源相較于單發(fā)電機(jī)供電具有較為明顯的削峰填谷能力，能夠與機(jī)電伺服系統(tǒng)的用電特性相匹配。為驗(yàn)證仿真結(jié)果的真實(shí)性，開展了常值為25 A，峰值為75 A（20 ms）的脈沖特性供電試驗(yàn)，通過向電子負(fù)載注入該負(fù)載用電曲線，并對發(fā)電機(jī)電流、電池電流、母線電壓及電流進(jìn)行了采集，結(jié)果顯示，組合電源系統(tǒng)能夠提供常值25 A，峰值75 A的電流，電壓波動范圍在245～302 V，電壓波動范圍接近270 V±10%，在脈沖放電過程中，首先由電容向母線進(jìn)行供電，功率輸出波形變化呈快速的階躍型，但電容容量有限，很快將能量釋放完畢，而后由電池及發(fā)電機(jī)共同向母線進(jìn)行供電，電池的輸出功率對系統(tǒng)功率發(fā)生變化時(shí)的響應(yīng)則較為緩慢，呈平緩上升或下降趨勢，但其供電響應(yīng)能力依舊快于發(fā)電機(jī)，隨著發(fā)電機(jī)控制的快速調(diào)整，電池供電電流逐步下降，母線電壓逐步提升，脈沖放電結(jié)束后，發(fā)電機(jī)通過調(diào)整后恢復(fù)至基準(zhǔn)電壓，發(fā)電機(jī)功率輸出波形變化呈快速的階躍型。

圖12 發(fā)電機(jī)+電池+電容供電組合供電試驗(yàn)波形Fig.12 Generator+battery+capacitor Power Supply Combined Power Supply Experimental Waveform

圖13 發(fā)電機(jī)+電池+電容供電組合供電試驗(yàn)波形Fig.13 Generator+battery+capacitor Power Supply Combined Power Supply Experimental Waveform

5 結(jié)束語

通過仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知，基于發(fā)電機(jī)的組合型伺服動力電源能夠有效結(jié)合發(fā)電機(jī)的高比能量特性和電池/電容的高比功率特性，滿足機(jī)電靜壓伺服系統(tǒng)長時(shí)小功率、瞬時(shí)高功率、制動負(fù)功率用電特性，切供電能力、電壓調(diào)整率等參數(shù)均能滿足機(jī)電伺服系統(tǒng)用電需求。后續(xù)將逐步開展發(fā)電機(jī)的快響應(yīng)控制技術(shù)研究，并在蓄電池與母線之間增加雙向DC-DC單元，以進(jìn)一步提高電壓恢復(fù)時(shí)間、提高電池電壓平臺利用率，提升箭上發(fā)電式組合能源的供電品質(zhì)和能量利用率。