張林森，謝順依， 曾雙貴，胡平，石能勝。
(1海軍工程大學(xué)兵器工程系，湖北武漢430033；2海軍92474部隊(duì)，海南三亞572018；3海軍92962部隊(duì)，廣東廣州51 000c摘要：在分析水下自主航行器(uuV)推進(jìn)用永磁對(duì)轉(zhuǎn) 無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用V一一llAB／s-mulink軟件建立了永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，從電機(jī)本體和控制系統(tǒng)兩方面詳三三{述了模型的實(shí)現(xiàn)過程。仿真結(jié)果與理論分析一致，驗(yàn)證了該系統(tǒng)模型的有效性，并為進(jìn)一步研究電機(jī)控制策略和優(yōu)化電機(jī)參數(shù)提供r仿真平臺(tái)。 關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；水下自主航行器；對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)中圖分類號(hào)：TM 301 3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673—6540(2010)08_o()(]1-05
O 引 言
對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)以其特殊的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在艦船、魚雷、水下自主航行器(underwater unmanned Vehicle，uuv)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用 。這種電機(jī)呵以分別帶動(dòng)一組對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳以相反的方向旋轉(zhuǎn)，從而平衡航行器的橫滾力矩。永磁無刷直流電機(jī)兼具交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和直流有刷電機(jī)調(diào)節(jié)性能與起動(dòng)性能良好的優(yōu)點(diǎn)，在汽車電子、家用電器、辦公自動(dòng)化的場(chǎng)合應(yīng)用非常成熟。近年來，隨著永磁體材料和大功率開關(guān)器件的快速發(fā)展，大功率推進(jìn)用永磁無刷直流電機(jī)逐漸應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各種航行器中。
永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)的永磁體部分和電樞繞組部分都相對(duì)于電機(jī)支架旋轉(zhuǎn)，且永磁體轉(zhuǎn)子和電樞轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相反，這是與普通永磁無刷直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)上****的不同之處。因此，分析并建立這種永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)的仿真模型，對(duì)于驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性、確定電機(jī)控制策略和研究電機(jī)運(yùn)行特性都具有重要的指導(dǎo)作用。本文在分析永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了uuV推進(jìn)用對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)的控制系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了討論。
1 永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)電樞繞組為三相星形連接的集中整距繞組；永磁體轉(zhuǎn)子采用表面貼裝式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子磁路各向同性，繞組自感和瓦感不隨永磁轉(zhuǎn)子相對(duì)電樞轉(zhuǎn)子的位置角變化；電機(jī)的功率控制部分采用由大功率絕緣柵雙極晶體管(IGBT)構(gòu)成的三相橋式驅(qū)動(dòng)電路，由于電樞繞組相對(duì)于功率控制部分是旋轉(zhuǎn)的，因此三相電壓需要通過三個(gè)滑環(huán)引入電機(jī)。永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖l所示。
圖1 永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)的電壓方程為
假設(shè)三相電樞繞組結(jié)構(gòu)對(duì)稱，每相繞組的自感相等，繞組之間的互感也相等，即RA=RB=Rc=R，Laa=Lbb=Lcc=L，Labh=Lbc=Lca=M，且對(duì)于星形連接的繞組，有：Ian+Ibn+Icn=0(20
因此，式(1)可簡(jiǎn)化為
理想的相反電動(dòng)勢(shì)eAN、eBN、eCN為相位互差120。電角度的梯形波。其波形如圖2所示。
令永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)的永磁體轉(zhuǎn)子和電樞轉(zhuǎn)子相對(duì)于電機(jī)支架旋轉(zhuǎn)的角速度分別為ωP和ωA，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程可描述為
式中：Jp，Ja、--永磁體轉(zhuǎn)子和電樞轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tlp、Tla--永磁體轉(zhuǎn)子和電樞轉(zhuǎn)子負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Bp、Ba--永磁體轉(zhuǎn)子和電樞轉(zhuǎn)子的粘滯摩擦系數(shù).
由此，式(3)～(5)共同組成了微分方程形式的永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。三相反電勢(shì)波形如圖2所示.
2永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型建立根據(jù)上述水磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)微分方程形式的數(shù)學(xué)模型，可以搭建永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示。
下面從電機(jī)本體和控制系統(tǒng)兩部分分別詳細(xì)闡述仿真模型的實(shí)現(xiàn)過程。
2。1電機(jī)本體模塊電機(jī)本體模塊即圖3中的“BⅢshIess Dc M0一tor with 2 rot。rS”子系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致可分為電壓方程部分和運(yùn)動(dòng)方程部分，圖4為電機(jī)的電壓方程部分模型.從圖中可看出，為了方便建模，本文對(duì)電壓方程的形式稍作變化，將三個(gè)相電壓方程改寫為兩個(gè)獨(dú)立的線電壓方程。
圖4電機(jī)本體模型的電壓方程部分電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中需要位置信號(hào)作為電機(jī)換相的控制信號(hào)，實(shí)際應(yīng)用中通常采用霍爾位置傳感器來獲取電機(jī)的位置信號(hào)。本文利用simulink模塊庫中的s-R觸發(fā)器模塊實(shí)現(xiàn)霍爾位置信號(hào)的仿真，其A相的霍爾位囂傳感器模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。該子系統(tǒng)以電機(jī)兩個(gè)轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置角(電角度)作為輸入，輸出占空比為50％的霍爾位置信號(hào)。
圖6為電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程模型。為了方便在仿真時(shí)觀察變量的波形，模型將電機(jī)兩個(gè)轉(zhuǎn)子的角
速度ωp和ωa、機(jī)械轉(zhuǎn)角θp和θa及電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩通過IFtUX模塊合并輸出。
2。2控制系統(tǒng)模型永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用電
流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制。由于工作環(huán)境的特殊性，對(duì)于其控制系統(tǒng)的要求是在保證控制效果的前提下盡量簡(jiǎn)單可靠。因此，本文采用PI控制器來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速閉環(huán)。永磁對(duì)轉(zhuǎn)元刷直流推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過脈寬調(diào)制(Pulse widthModulation，PWM)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，調(diào)制方式為HPWM-LON，即逆變器上半橋進(jìn)行PWM，F(xiàn)半橋恒通。這種方式相對(duì)于全橋PWM方式具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，逆變系統(tǒng)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合采用蓄電池供電的水下航行器推進(jìn)裝置。
圖7為轉(zhuǎn)速環(huán)PID控制器的結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，為了消除積分飽和給系統(tǒng)帶來的不利影響，本文采用了防積分飽和PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。
圖8為電流控制器結(jié)構(gòu)圖，該控制器將電流誤差經(jīng)過PI控制器和PwM發(fā)生器以后，得到電機(jī)轉(zhuǎn)速的PwM控制信號(hào)，通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)整輸入到逆變器的直流側(cè)電壓，達(dá)到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的．
3仿真結(jié)果及分析永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)本體的主要仿真參數(shù)如下：額定功率25 kw，額定電壓5000V，額定轉(zhuǎn)速1 500 r／min，電樞繞組電阻0 02 n，繞組等效電感0 3 mH，電機(jī)極對(duì)數(shù)4，永磁體轉(zhuǎn)子和電樞轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為O 75 kg·m2和0．77 kg-m。，兩個(gè)轉(zhuǎn)子的粘滯摩擦系數(shù)分別為O 023 N-m-s和0 023 N·m·s。
永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)按照工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行初步計(jì)算，并根據(jù)負(fù)載情況進(jìn)行微調(diào)。速度環(huán)參數(shù)如下：
Kp=0 2l，K1=1．3，Kc=0 16，電流環(huán)參數(shù)如下：
Kp=0 08，K1=15。PwM調(diào)制頻率為20 kHz。
仿真采用離散變步長(zhǎng)算法，采樣時(shí)間Ts=4e一6 s，系統(tǒng)總的仿真時(shí)間設(shè)定為1 s。圖9依次給出了A相繞組的相電壓、相反電動(dòng)勢(shì)、相電流曲線。從圖中相電壓和相電流曲線可以清楚地看出，在一個(gè)電周期范圍內(nèi)，A相繞組120。電角度處于正向?qū)顟B(tài)、120。電角度處于負(fù)向?qū)顟B(tài)、120。電角度處于關(guān)斷狀態(tài)，電機(jī)相電流由于換相續(xù)流的緣故，并不是標(biāo)準(zhǔn)的方波，而是出現(xiàn)一個(gè)凹槽，這個(gè)凹槽使電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng)。電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)曲線為標(biāo)準(zhǔn)的梯形波，與理論分析一致。
圖10給出r電機(jī)的轉(zhuǎn)子角速度曲線。在電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制器的作用下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速上升并很快保持穩(wěn)定，由于永磁體轉(zhuǎn)子和電樞轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)存在一定差異，在轉(zhuǎn)速上升階段，兩個(gè)轉(zhuǎn)子的角速度并不一致，隨著仿真時(shí)間的增加，兩個(gè)轉(zhuǎn)子的角速度差異越來越小，基本趨于一致。
永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩如圖ll所示。從圖中可以看出，在電機(jī)起動(dòng)初期，電磁轉(zhuǎn)矩非常大，這樣可以保證電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升。
當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值以后，電磁轉(zhuǎn)矩的值快速回落，維持在約100N·m。電磁轉(zhuǎn)矩在穩(wěn)態(tài)時(shí)也有比較大的脈動(dòng)，主要原因就是上面分析的由于換相時(shí)電樞繞組續(xù)流使方波電流出現(xiàn)凹槽的緣故。
4 結(jié) 語
本文分析了uuV推進(jìn)用對(duì)轉(zhuǎn)永磁無刷直流推進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，建立了微分方程形式的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB軟件建立了永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型。本文所建立的模型能夠較好地模擬真實(shí)永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)的各種特性，仿真結(jié)果與理論分析一致，該仿真模型為進(jìn)一步研究永磁對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流推進(jìn)電機(jī)的控制策略和運(yùn)行特性打下了基礎(chǔ)。 |
