双通道无刷直流电机控制系统的性能

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1、双通道无刷直流电机控制系统的性能董慧芬，周元钧，沈松花北京航空航天大学，自动化科学与电气工程学院，北京100083，中国摘要——本文将会介绍双通道无刷直流电机控制系统的性能。它将被用于下一代飞机的机电制动器（EMA）。文章将讨论在误差范围内的转矩特性和功率损耗，分析铜耗对动态特性的影响；也会对EMA系统下的两种模式的运行特性进行了数值模拟及分析。最后将会得到对应实验的电机频率。一、引言无刷直流电机（BLDCM）具有更好的可控性，更高的功率和效率，被广泛应用于航空科技。提高电机控制系统的可靠性成为不可或缺的研究内容。由多绕组定子，多套独立电力电子装定，组成的多通道控制系统，是提

2、高系统可靠性的一种方法。本文重点介绍为何双通道无刷直流电机控制系统将被用于下一代飞机的机电制动器（EMA）。本文也会涉及误差范围内的转矩特性和功率损耗，分析铜耗对动态特性的影响；最后是频率响应的实验研究示例。二、双通道的无刷直流电机控制系统双通道的无刷直流电机控制系统由两个独立的电力电子电路构成的两组三相绕组，从而组成的双通道控制系统，如图1所示。其规格如下10KW，9000rpm，270VDC，转子是由八个永磁极形成的外形[3]。定子绕组星形连接，两绕组间有30电角度之差。该系统可在双通道模式下正常操作，当任何一边发生路障可切换到单通道模式；系统能够超载运行。图1双通道的B

3、LDCM控制系统示意图和是控制变量的母线电压，和是绕组的相电流，忽略在每相之间的相电流纹波和持续电流的影响，这两套绕组的电压方程可以写成[4]：（1）（2）这里是功率器件的等效电阻，相电阻，是自感系数，是互感系数，和分别是两套绕组的电动势。由于绕组的参数是相同的，与气隙磁场为梯形波的顶部角度大于120电角度，得到如下的公式：。电磁扭矩是（3）机械特性的描述如下：（4）显然，双通道系统就是转矩和控制系统，在电流变化时，两套绕组会产生互感干扰对方。这是不同于通过一轴连接两个直流电动机系统。为了使电机运行在平衡状态，在双绕组同时工作时，Ud1应该等于Ud2。在单通道操作，其中一个绕

4、组电流为零。另一个绕组的运行电压方程如下：（5）电磁转矩如下：（6）机械特性的描述如下：（7）比较公式（4）和公式（7）可以看出，电机工作在两种模式下时，无负载角速度是相同的；但单绕组模式下角速度的下降是双绕组的两倍。样品的机械特性曲线如图2所示。图2样品的机械特性三、电机的动态数学模型电机的动态特性由电磁时间常数和机电时间常数所决定。A.电磁时间常数当电机运行在双绕组运行模式，通常，然后参考“（1）”，“（2）”，“（3）”，双绕组的电磁转矩为（8）这里，，。参考“（5）”和“（6）”，单绕组的电磁转矩为（9）在单通道模式切换到双通道模式时，电磁时间常数从增加到B.机电时间

5、常数电机的机电时间常数公式为:（10）其中是电机的转动惯量，是制动转矩，是无负载速度。参考“（3）”，在双通道模式的制动扭矩为，参考“（6）”，单通道模式下的制动转矩，单渠道模式机电时间常数是双通道模式下的两倍（11）机电时间常数可估计为，，单渠道模式机电时间常数约为双通道模式下的两倍。四、功能和能耗之间的关系双通道模式产生的转矩不同于单通道，单通道模式运行时，产生的电磁转矩和功率是有限的，系统特性也有影响。在这两种模式下，电机的电磁大小和速度是不变的，空载损耗也相同，只有铜耗是不同的。A．铜耗和转矩电机额定功率是基于双通道操作设计的，，双绕组的电流是相等，。双绕组的额定铜耗

6、：（12）和分别是两绕组的铜耗，是绕组的额定电流，相电阻。参考“（2）”，电机额定转矩是（13）当一组绕组的工作和另一组绕组的电流为零，如果电磁转矩保持正常，铜耗会增加到额定铜耗的两倍。铜耗必须在单通道模式是不变的，它等于电机的额定铜耗，方程（14）可参考“（12）”：，允许电流为（14）允许的电磁转矩：（15）如果铜耗保持不变，电动机工作在单通道模式，它可以被看做工作电流是额定电流的1.4倍，允许电磁转矩为额定转矩的70%。B．单通道模式在上述单通道模式中，转矩受电动机功率损耗和允许温度限制。允许转矩是额定转矩的70%，但必须大于负载转矩，如果操作过程在单渠道模式在完成，可

7、以采用的控制方法如下：①通过保持温度恒定上升下转矩的设计。当一个通道故障，系统在单通道模式下工作。从以上分析，如果铜耗和温度上升保持恒定，电流和转矩将分别为额定的140%和70%。那么系统的动态响应将退化。①保持电压恒定的电磁转矩设计。为了不影响系统的功能，单通道操作模式下保持转矩恒定，工作电流为，铜耗将增加或温度会上升。例如样品的工作温度为130℃，虽然采用H级材料，绝缘性和轴承会长期受损。②适当的温度上升下电磁转矩的设计。采用适当提高电机温度方法，单通道模式下允许扭矩减小为0.85，负载转矩不大于0