高压直流航空燃油泵无刷直流电机堵转故障的自恢复生存能力评估与控制参数优化研究

摘要：航空燃油泵作为飞行器燃油供给系统的核心部件，其驱动电机的可靠运行直接关乎飞行安全。本文针对高压直流航空燃油泵用无刷直流电机（BLDCM）的堵转故障问题，系统研究了故障机理、检测方法与应急控制策略。在分析BLDCM堵转故障电气特征的基础上，设计了基于转速和母线电流的双参量故障检测机制；提出了一种降PWM占空比延时重启的应急控制方法，以区别于传统停机保护策略。建立了基于磁场定向控制（FOC）的BLDCM系统仿真模型，对堵转故障工况及应急控制过程进行了仿真验证；编制了故障检测与应急控制软件模块，并在燃油泵用BLDCM试验台上完成了验证试验。结果表明，所设计的检测方法能够准确识别堵转故障，应急控制机制可在故障暂态或消除后自动恢复系统运行，显著提升了燃油泵系统在故障条件下的生存能力，降低了虚警率，具有明确的工程应用价值。

关键词：高压直流；航空燃油泵；无刷直流电机；堵转故障检测；应急控制；磁场定向控制

一、航空燃油泵作用及电机应用

1.1 航空燃油泵在航空飞行器中的关键作用

航空燃油泵是飞机燃油供给系统的核心部件，其主要功能是按照飞行器各工况下的燃油需求，将燃油从油箱可靠地输送至发动机燃烧室，为发动机提供持续稳定的动力来源。燃油泵性能的优劣，直接影响发动机的燃烧效率、推力输出和运行稳定性，进而决定飞行器的机动性能和飞行安全。因此，燃油泵在航空系统中具有特殊地位和不可替代的作用。

随着现代航空技术向多电/全电方向加速演进，飞机二次能源由传统的气压能、液压能、机械能逐步统一为电能，燃油泵的驱动方式也随之由机械传动向电力驱动转变。电动燃油泵内置于燃油箱中，通常由驱动电机与离心涡轮泵直联构成，电机驱动叶轮旋转，在离心力作用下将燃油从进油口吸入、增压后经出油口压出，为发动机提供一定流量和压力的燃油。与传统机械泵相比，电动燃油泵省去了复杂的齿轮箱和传动机构，显著降低了系统重量和能量损耗，提高了供油效率，已成为现代航空燃油泵系统的主流技术方案。

1.2 稀土永磁无刷直流电机在航空燃油泵中的应用

稀土永磁无刷直流电机（BLDCM）因其体积小、质量轻、功率密度高、散热性能好、可靠性优越等特点，近年来在各工业领域得到了广泛应用。在航空燃油泵系统中，稀土永磁BLDCM已成为驱动电机的首选方案。这类电机采用钕铁硼等高性能稀土永磁材料作为转子励磁源，取消了传统有刷电机的机械换向器结构，从根本上消除了电刷磨损和换向火花问题，大幅提升了电机的寿命和环境适应性，为燃油泵提供了高效、可靠的动力保障。

在航空电源系统架构层面，270V高压直流（HVDC）系统因不受交流频率约束、电机可工作于更高转速以提高功率密度、易于实现不间断供电和并联扩容等优势，已在新一代军民用飞机上获得广泛应用。高压直流电源系统与稀土永磁BLDCM的结合，使航空燃油泵系统在功率密度、动态响应和控制精度等方面获得了显著提升。然而，航空燃油泵BLDCM通常处于密闭环境中运行，受到电机本体设计、燃油介质特性、温度变化、发动机振动等内外部因素的叠加影响，在极端工况下可能发生堵转故障。一旦发生堵转，若不及时采取有效措施，将导致电机绕组电流急剧增大、发热严重，严重时可引发绕组烧毁或控制器损坏，进而造成燃油泵失效，危及飞行安全。因此，研究BLDCM堵转故障的检测与应急控制技术，对于提高航空燃油泵系统的可靠性和安全性具有重要的理论意义和工程价值。

二、航空燃油泵基本结构及工作原理

2.1 电动燃油泵的系统组成

电动航空燃油泵主要由驱动电机和泵体两部分构成，二者通常采用直联一体化结构。驱动电机一般为稀土永磁无刷直流电机，直接驱动泵体叶轮旋转。泵体部分则主要由叶轮、蜗壳、泵盖、进油口和出油口等部件组成。燃油泵整体浸入燃油中工作，利用燃油介质同时起到润滑和散热作用，这一设计有效简化了冷却系统的复杂度。

叶轮作为燃油泵的核心做功部件，承担着将电机输出的机械能转化为燃油动能与压力能的关键功能。随着航空燃油泵向高转速、高功率密度方向的不断发展，现代航空叶轮已从传统的等厚度直叶片设计，演进为采用三元流曲面设计的复杂结构。通过计算流体力学（CFD）仿真技术，设计人员可以精确优化叶轮流道形态、预测汽蚀空化性能并校核结构强度，使得叶轮水力效率较传统经验设计提升了30%以上。在高压直流燃油泵中，部分高端叶轮还集成了诱导轮功能，采用螺旋离心式主叶片与副叶片组合结构，既改善了高空进气性能，又能通过平衡孔设计有效降低高速旋转下的轴向力，避免振动与磨损。

2.2 燃油泵的工作原理

燃油泵工作时，控制系统向BLDCM发出启动指令，电机驱动叶轮高速旋转。在离心力的作用下，叶轮通过纵向旋涡和径向旋涡两种流体运动形式，将机械能传递给燃油介质，使燃油沿叶轮径向向外加速流动。燃油在蜗壳内进一步收集和引导后产生压力，经出油口被压送至发动机供油管路。整个工作过程实现了“吸入—增压—输送”的连续循环，为发动机提供稳定流量和压力的燃油供给。

在正常工况下，电机反馈转速稳定在设定值附近，母线电流维持在额定范围内，系统处于闭环稳态运行状态。燃油泵的实际输出流量和压力由转速指令决定，控制器通过转速电流双闭环结构实时调节电机的运行状态。然而，燃油泵的运行环境十分复杂——滤网膜破损可能导致杂质颗粒进入泵腔，定转子气隙间可能累积多余物，主轴轴承在长期运行后可能发生抱死，加之燃油温度变化和发动机振动等外部因素的影响，电机负载转矩可能突发性增大，进而引发过载甚至堵转故障。当堵转发生时，电机转速急剧下降或降至零，导通的两相绕组直接承受全部母线电压，导致电流急剧攀升，对电机本体和控制器构成严重威胁。因此，建立有效的堵转故障检测与应急控制机制，对于保障燃油泵系统的持续可靠运行至关重要。

三、电机堵转故障检测与应急控制技术分析

3.1 电机堵转故障分析

当BLDCM发生堵转故障时，其电气特性表现出一系列显著异常。正常运行时，电机三相绕组按既定换相逻辑依次导通，反电动势与转速成正比，母线电流随负载变化而动态调整。然而，一旦发生堵转，电机转速迅速下降，反电动势随之减小甚至为零。此时，任意时刻导通的两相绕组直接承受全部母线电压，由于反电动势几乎消失，电枢回路的等效阻抗极小，导致母线电流急剧攀升，迅速达到系统设定的电流保护阈值。若大电流状态持续，定子电枢绕组将产生严重的焦耳热效应，绕组温度快速升高，轻则导致绝缘层加速老化，重则直接烧毁绕组，甚至引发控制器功率器件损坏或火灾。

从故障诱因来看，航空燃油泵BLDCM堵转故障主要源于以下几类因素：一是机械性卡滞，如滤网膜破损导致细小杂质颗粒进入泵腔、定转子气隙之间落入多余物、主轴轴承磨损抱死、电机定转子发生扫膛等；二是负载突变，如外界油压瞬时异常、燃油管路阻力骤增等导致负载转矩超出电机驱动能力；三是电机本体或控制器故障。在实际运行中，燃油泵BLDCM的堵转故障存在三种典型的演化模式：其一，过载型暂态故障——负载突增但经短暂时间后自行恢复正常；其二，可恢复型堵转故障——故障发生后在一定时间内自动消除；其三，永久性堵转故障——故障发生后持续存在且无法自行恢复。传统的停机保护策略对上述三种模式不加区分，一律切断输出停机，这在航空应用中可能导致本可恢复的故障演变为飞行器失去动力的严重后果。

3.2 电机堵转故障检测方法

针对BLDCM堵转故障的特征，本文选用电机转速和母线电流作为核心检测参量，通过双参量综合判断实现对堵转故障的准确识别。这一检测方法涵盖起动过程和运行过程两个阶段。

在电机起动过程中，控制系统以固定采样周期实时采集反馈转速信号，通过测量不同时刻的转速值，计算区间内的转速变化量和转速平均变化率。若在连续多个采样周期内，转速变化率持续为负且幅值超出预设阈值，同时母线电流出现过流迹象，则判定电机在起动阶段发生了堵转故障。这一判据能够有效区分正常的起动加速过程与异常堵转工况，避免误判。

在电机正常运行过程中，反馈转速通常稳定在给定转速附近，母线电流测量值低于保护阈值。此时引入转速变化量作为辅助判据：若控制系统检测到转速在短时间内大幅下降（如从额定转速急剧跌落至某一阈值以下），且母线电流同时超出额定值，则判定电机发生堵转故障。根据不同故障严重程度，检测系统将故障划分为若干等级：当转速跌落至额定值的50%～80%且母线电流大于额定值但小于设定阈值时，判定为过载工况；当转速跌落至额定值的10%～50%且母线电流超出正常范围时，判定为机械性堵转故障；当转速降至设定最低阈值（如额定值的3%以下）且母线电流持续超过保护阈值时，判定为严重堵转故障。

值得注意的是，在基于磁场定向控制（FOC）的BLDCM系统中，无传感器控制方案下的堵转检测还可采用反电动势校验法。该方法通过观测器实时估计反电动势波形，当检测到反电动势幅值持续低于理论值或过零点周期出现异常时，判断电机进入堵转状态。但考虑到航空应用对检测可靠性的极高要求，有位置传感器的方案更为稳妥——转速信号直接来源于霍尔传感器，母线电流由采样电阻或霍尔电流传感器测量，双参量信息独立获取且相互校验，可有效降低虚警率。

3.3 电机堵转故障的应急控制机制

传统的堵转故障处理策略以停机保护为核心目标：一旦检测到堵转故障，立即封锁六路PWM输出，使电机完全停机，等待人工排查故障。然而，在航空飞行器这一特殊应用场景中，限于故障排除的可操作性——特别是对于发射后的飞行器而言——几乎不具备人工干预的可能性。若因短暂可恢复的堵转故障而导致燃油泵永久停机，整个飞行器可能失去动力，后果不堪设想。因此，在传统停机保护的基础上，必须建立一套能够在故障暂态或消除后自动恢复系统运行的应急控制机制。

本文介绍一种应急控制机制以“降PWM占空比延时重启”为核心策略，具体执行流程如下：

第一层响应——降额运行。当控制系统检测到堵转故障后，首先不直接切断PWM输出，而是将PWM占空比降低至当前值的一半（或降至预设的安全占空比值），使电机以降额模式继续运行。在降额运行期间，控制系统实时监测转速和母线电流的变化趋势：若故障消失（转速回升至正常范围、电流恢复至额定值），则立即恢复额定PWM占空比，电机返回正常工况；若在降额运行阶段再次检测到堵转故障特征，则触发第二层响应。

第二层响应——周期性重启。当降额运行仍无法规避故障时，控制系统封锁全部PWM信号，使电机停机。停机后，控制器持续监测电机绕组温度。若温度满足安全条件（如T≤120°C）且控制器自检无异常，则每隔设定时间（如1秒）进行一次重启尝试。在重启过程中，若堵转故障依然存在，则重启失败，电机再次停机并等待下一个重启周期；若堵转故障在某次重启时已经消失，则电机在重启后恢复正常运行状态，燃油泵系统恢复正常工作。

第三层响应——永久性故障处置。若经过多次周期性重启后，电机温度持续升高至危险阈值，或堵转故障始终无法消除，控制系统则判定为永久性堵转故障，执行最终停机保护，并向飞行管理系统上报故障状态。

该应急控制机制的核心优势在于：对堵转故障的三种演化模式进行差异化处理。对于过载型暂态故障和可恢复型堵转故障，系统在降额运行阶段或周期性重启阶段即可自动恢复，避免了不必要的停机；对于永久性堵转故障，系统在多次尝试无效后执行安全停机，确保控制器和电机本体不受损坏。这一机制显著提高了燃油泵系统在堵转故障后的生存能力和自恢复能力，同时有效降低了虚警率，具有较强的工程应用价值。

四、系统仿真模型构建与仿真验证

4.1 BLDCM的数学模型

无刷直流电机的数学建模是控制系统分析与仿真的基础。在三相静止坐标系下，BLDCM的电压方程可表示为：

其中，uₐ、u_b、u_c为三相定子绕组端电压；iₐ、i_b、i_c为三相相电流；eₐ、e_b、e_c为三相反电动势；R为每相绕组电阻；L为每相等效电感。电机的电磁转矩方程可表示为：

其中，ω_m为电机的机械角速度。机械运动方程为：

其中，J为转动惯量，T_L为负载转矩，B为阻尼系数。

在磁场定向控制（FOC）框架下，通过Clarke变换和Park变换将三相静止坐标系下的电气量转换至两相旋转坐标系（d-q坐标系），实现励磁电流分量i_d与转矩电流分量i_q的解耦控制。在d-q坐标系下，电机的电压方程和电磁转矩方程可进一步简化为更适合控制系统设计的形式。本文中提到的燃油泵用电机为一台10 kW、11000 r/min、2极的BLDCM，采用FOC控制方法，控制器输入电压为28 V，永磁材料为钕铁硼强磁磁铁（N35SH）。上述数学模型为后续仿真模型的建立提供了理论基础。

4.2 控制系统仿真模型

基于上述数学模型，本文介绍一种燃油泵用BLDCM控制系统的仿真模型。模型采用模块化架构，主要包含以下功能模块：电机本体模块（实现BLDCM的电气和机械特性计算）、转速电流闭环控制模块（包含速度环PI控制器和电流环PI控制器）、三相功率逆变器模块（模拟PWM调制和功率管开关过程）、霍尔信号模块（提供转子位置反馈）、以及故障检测与应急控制模块。

电机转速控制采用电流内环和转速外环的双闭环结构。转速环的输入为转速指令，经过PI控制器后输出电流环的参考值；电流环根据参考电流与实际反馈电流的偏差，经PI调节后生成PWM调制信号，控制三相逆变器开关管的导通与关断，驱动电机完成转速和转矩的动态调节。在此基础上，仿真模型集成了堵转故障检测逻辑和应急控制逻辑：故障检测模块实时获取转速和母线电流信号，按预设判据判断故障状态；应急控制模块根据故障检测结果，执行降PWM占空比和周期性重启策略。

4.3 系统仿真参数

仿真模型中的关键参数设置如下：电机额定功率10 kW，额定转速11000 r/min，极对数1（2极电机），额定母线电压28 V，相电阻和相电感按实测值设置，转动惯量和阻尼系数根据电机和燃油泵负载的等效参数确定。速度环PI参数和电流环PI参数通过多次仿真调试确定，以保证系统在额定工况下具有良好的动态响应和稳态精度。故障检测阈值设置方面：过载电流阈值设为额定电流的1.5倍，堵转电流保护阈值设为200 A；转速跌落判据分为5000 r/min（轻度过载/堵转边界）和300 r/min（严重堵转边界）两个等级。应急控制参数方面：降额运行时的PWM占空比设为故障前值的50%；停机后重启间隔时间在仿真中设置为0.1 s以便于观察（实际工程中设为1 s）；电机温度保护阈值设为120°C。

4.4 电机堵转故障仿真分析

在仿真验证中，电机首先经历起动阶段，于0.05 s达到11000 r/min的额定转速并进入稳定运行状态。在0.13 s时，通过将负载转矩突然增大至额定值的4倍来模拟堵转故障的发生。仿真波形显示：堵转发生后，电机三相相电流幅值逐渐增大并迅速达到电流保护值（200 A），电流频率明显降低，电磁转矩急剧增大，电机转速在约0.17 s时下降至零。当转速归零时，电机处于完全堵转状态，此时B相电流为零，A相和C相电流维持在限流幅值，两相绕组持续承受大电流，若不加干预将导致严重的热积累和潜在的控制器损坏。

上述仿真结果与理论分析高度吻合：堵转工况下反电动势随转速下降而减小，导通绕组的等效阻抗极小，在母线电压作用下电流急剧上升；同时电磁转矩虽大但无法克服外部负载，电机转速持续下降直至为零。这一仿真验证了堵转故障的电气特征和危害机理，为故障检测方法的参数整定提供了依据。

4.5 电机堵转应急控制仿真

针对堵转故障的不同演化时序，本文分别对“故障在堵转保护程序动作之前消失”和“故障在堵转保护程序动作之后消失”两种典型工况进行了应急控制仿真。

工况一：故障在保护动作前消失。仿真中，系统在0.15 s发生堵转故障，经综合判断后约在0.16 s确认故障并立即触发降额响应——PWM占空比降低至50%。降额后，电机相电流幅值明显减小，电磁转矩突降，转速快速下降但仍维持一定低转速运行。在0.16～0.20 s期间，由于故障持续存在，相电流幅值逐渐增大、频率减小、转速继续下降。在0.20 s时堵转故障消失，控制系统于0.21 s检测到故障消除，电机随即进入恢复起动阶段，并于0.24 s恢复额定运行状态。值得注意的是，由于应急控制机制的存在，电机在故障期间并未直接停机，而是以降额模式维持运行；一旦故障消失，系统能够迅速恢复至额定工况，保证了燃油泵运行的连续性。

工况二：故障在保护动作后消失。仿真中，堵转故障在0.22 s导致电机转速几乎降为零、电流达到保护阈值，此时堵转保护程序动作，六路功率管全部关断，三相电流和电磁转矩快速降至零。之后控制系统每隔0.1 s尝试一次重启（仿真中为便于观察结果，将实际工程中1 s的间隔时间缩短至0.1 s，并暂时忽略温度判定条件）。堵转故障在0.28 s消失，电机在0.30 s的下一个重启周期开始恢复过程，并于0.35 s恢复至额定运行状态。这一仿真结果验证了周期性重启策略的有效性：即使故障触发了停机保护，只要故障最终消失，系统仍能通过周期性重启自动恢复运行，无需人工干预。

两种工况的仿真结果共同表明，所设计的降PWM占空比延时重启应急控制机制能够有效应对不同类型的堵转故障演化模式，在保证控制器安全的前提下，最大程度地提高了系统的生存能力和自恢复能力。

五、电机堵转故障检测与应急控制机制验证试验

5.1 电机堵转故障检测与应急控制程序模块开发

在仿真验证的基础上，本文将故障检测与应急控制算法编制为嵌入式软件模块，注入到已有的燃油泵用BLDCM控制器中。程序模块采用模块化设计，主要包括以下功能子模块：信号采集与预处理模块（负责转速、母线电流、温度等信号的A/D转换和数字滤波）、故障检测判断模块（实现起动阶段和运行阶段的堵转故障判据逻辑）、应急控制状态机模块（管理正常运行、降额运行、停机等待、周期性重启四个状态之间的切换逻辑）、PWM输出控制模块（根据控制状态调节占空比或执行封锁/解封操作）、温度监测与保护模块（实时监测绕组温度并参与安全逻辑判决）。

状态机设计是该程序的核心。系统正常运行时，状态机处于“正常运行”状态，故障检测模块持续监测。当检测到堵转故障特征后，状态机转入“降额运行”状态，PWM占空比减半，并设置故障监测标志。在降额运行期间，若故障消失，状态机返回“正常运行”；若再次检测到故障，状态机转入“停机等待”状态，封锁PWM输出并启动定时器。定时器溢出后，状态机进入“周期性重启”状态，执行PWM解封并监测重启过程。若重启成功，返回“正常运行”；若重启失败，在温度条件允许时继续等待下一个重启周期，否则执行最终停机保护。整个状态机逻辑完整覆盖了前述三种故障演化模式的处理流程。

5.2 电机堵转故障检测与应急控制机制验证过程

验证试验借助已有的燃油泵用BLDCM试验台完成。为防止堵转故障对驱动系统及电机本体造成不可逆损坏，试验在空载低转速条件下进行。试验步骤如下：首先使BLDCM在5000 r/min的转速下空载运行至稳定状态；随后使用特定工具对电机输出轴施加阻力矩，模拟堵转故障的发生；当观测到控制系统检测到堵转故障并触发应急控制响应后，立即解除对输出轴的控制，恢复电机的自由运行条件，以验证系统在故障消失后的自恢复能力。

试验过程中，通过数据采集系统实时记录电机转速、母线电流、PWM占空比和故障标志信号。试验结果表明：当输出轴被制动后，电机转速迅速下降，母线电流急剧上升，控制系统在数百毫秒内正确检测到堵转故障并触发应急控制响应——PWM占空比降低、故障标志位置位。当输出轴解除制动后，故障消失，控制系统在下一个检测周期识别到正常工况，自动恢复PWM占空比至额定值，电机转速平稳回升至5000 r/min。在整个试验过程中，未发生控制器过流保护误触发或电机异常停机现象，验证了故障检测方法的准确性和应急控制机制的有效性。虽然试验在低转速轻载条件下进行，但其控制逻辑与全工况一致，试验结果具有良好的代表性。

六、总结与展望

本文围绕高压直流航空燃油泵用无刷直流电机的堵转故障问题，从故障机理分析、检测方法设计、应急控制策略构建、系统仿真验证和试验验证五个层面开展了系统性研究，取得了以下主要成果：

第一，深入分析了BLDCM堵转故障的电气特征和故障诱因。堵转工况下，反电动势随转速急剧下降而衰减，导通绕组直接承受母线电压，导致电流快速攀升，对电机和控制器构成严重的热安全威胁。航空燃油泵的运行环境和故障排除的可操作性限制，决定了必须突破传统停机保护模式的局限。

第二，设计了基于转速和母线电流双参量的堵转故障检测方法。通过设置起动阶段和运行阶段的差异化判据，实现了对不同严重程度故障的准确识别与分级，为后续控制决策提供了可靠的信息基础。

第三，提出了一种降PWM占空比延时重启的应急控制机制。该机制对过载暂态、可恢复堵转和永久性堵转三类故障模式实施差异化处理，在保障系统安全的前提下，显著提高了燃油泵系统在故障后的生存能力和自恢复能力，有效降低了虚警率。

第四，建立了基于FOC的BLDCM控制系统仿真模型，完成了堵转故障和应急控制的仿真验证。仿真结果与理论分析高度一致，验证了故障检测方法和应急控制策略的合理性与有效性。

第五，编制了故障检测与应急控制软件模块并完成了试验台验证，试验结果进一步证实了所提方案在工程应用中的可行性。

本研究在燃油泵电机堵转故障的检测与应急处理方面取得了阶段性成果，但仍存在若干值得深入探索的方向。例如，如何在多参数检测的基础上引入智能诊断算法（如机器学习分类器）以进一步提升故障辨识精度和降低虚警率；如何在多电飞机架构下实现燃油泵系统与其他机电系统的协同容错控制；如何按照航空适航标准（如DO-254、DO-178C）对故障检测与应急控制软件进行严格的认证与审定。这些问题的研究，将对提升航空燃油泵系统的可靠性和安全性具有深远意义。

航空燃油泵作为飞行器燃油供给系统的“心脏”，其驱动电机的可靠性始终是飞行安全的重要基石。堵转故障作为一种典型的严重故障模式，若处理不当，可能导致燃油泵失效甚至飞行器失去动力。本文的研究为航空燃油泵BLDCM的堵转故障风险规避提供了具有工程应用价值的技术支撑和参考方案，有助于推动燃油泵系统向更高可靠性、更强生存能力的方向发展，对保障航空飞行安全具有积极的理论与实践意义。

&注：本文内容灵感来源于【周治伊，窦满峰，刘冬利等．航空燃油泵用无刷直流电机换相时刻研究】，由于小编水平有限，对所阅读文献的翻译及总结难免有误，错误之处敬请指正，非常感谢。本公众号推送内容以交流学习为目的，并非商业用途，所使用的配图均来源于公开网络获取，如有侵权，请联系协商处理。

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