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，海南三亞572018；3海軍92962部隊，廣東廣州51 000c摘要：在分析水下自主航行器(uuV)推進用永磁對轉(zhuǎn) 無刷直流電機數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用V一一llAB／s-mulink軟件建立了永磁對轉(zhuǎn)無刷直流電機控制系統(tǒng)的仿真模型，從電機本體和控制系統(tǒng)兩方面詳三三{述了模型的實現(xiàn)過程。仿真結(jié)果與理論分析一致，驗證了該系統(tǒng)模型的有效性，并為進一步研究電機控制策略和優(yōu)化電機參數(shù)提供r仿真平臺。 關(guān)鍵詞：無刷直流電機；水下自主航行器；對轉(zhuǎn)電機中圖分類號：TM 301 3 文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1673—6540(2010)08_o()(]1-05
O 引 言
對轉(zhuǎn)電機以其特殊的雙轉(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 。這種電機呵以分別帶動一組對轉(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。永磁無刷直流電機兼具交流電機結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和直流有刷電機調(diào)節(jié)性能與起動性能良好的優(yōu)點，在汽車電子、家用電器、辦公自動化的場合應(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，大功率推進用永磁無刷直流電機逐漸應(yīng)用于國內(nèi)外各種航行器中。
永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機的永磁體部分和電樞繞組部分都相對于電機支架旋轉(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在結(jié)構(gòu)上****的不同之處。因此，分析并建立這種永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機的仿真模型，對于驗證電機設(shè)計參數(shù)的合理性、確定電機控制策略和研究電機運行特性都具有重要的指導(dǎo)作用。本文在分析永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了uuV推進用對轉(zhuǎn)電機的控制系統(tǒng)仿真模型，并對仿真結(jié)果進行了討論。
1 永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機數(shù)學(xué)模型永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機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)子相對電樞轉(zhuǎn)子的位置角變化；電機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)動電路，由于電樞繞組相對于功率控制部分是旋轉(zhuǎn)的，因此三相電壓需要通過三個滑環(huán)引入電機。永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機控制系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖l所示。
圖1 永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機的拓撲結(jié)構(gòu)永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機的電壓方程為
假設(shè)三相電樞繞組結(jié)構(gòu)對稱，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，且對于星形連接的繞組，有：Ian+Ibn+Icn=0(20
因此，式(1)可簡化為
理想的相反電動勢eAN、eBN、eCN為相位互差120。電角度的梯形波。其波形如圖2所示。
令永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機的永磁體轉(zhuǎn)子和電樞轉(zhuǎn)子相對于電機支架旋轉(zhuǎn)的角速度分別為ωP和ωA，電機的轉(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)動慣量；Tlp、Tla--永磁體轉(zhuǎn)子和電樞轉(zhuǎn)子負載轉(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轉(zhuǎn)無刷直流推進電機的數(shù)學(xué)模型。三相反電勢波形如圖2所示.
2永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機控制系統(tǒng)的仿真模型建立根據(jù)上述水磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機微分方程形式的數(shù)學(xué)模型，可以搭建永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示。
下面從電機本體和控制系統(tǒng)兩部分分別詳細闡述仿真模型的實現(xiàn)過程。
2。1電機本體模塊電機本體模塊即圖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動方程部分，圖4為電機的電壓方程部分模型.從圖中可看出，為了方便建模，本文對電壓方程的形式稍作變化，將三個相電壓方程改寫為兩個獨立的線電壓方程。
圖4電機本體模型的電壓方程部分電機在轉(zhuǎn)動過程中需要位置信號作為電機換相的控制信號，實際應(yīng)用中通常采用霍爾位置傳感器來獲取電機的位置信號。本文利用simulink模塊庫中的s-R觸發(fā)器模塊實現(xiàn)霍爾位置信號的仿真，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)以電機兩個轉(zhuǎn)子的相對位置角(電角度)作為輸入，輸出占空比為50％的霍爾位置信號。
圖6為電機的運動方程模型。為了方便在仿真時觀察變量的波形，模型將電機兩個轉(zhuǎn)子的角
速度ωp和ωa、機械轉(zhuǎn)角θp和θa及電機的電磁轉(zhuǎn)矩通過IFtUX模塊合并輸出。
2。2控制系統(tǒng)模型永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機控制系統(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單可靠。因此，本文采用PI控制器來實現(xiàn)電機的電流和轉(zhuǎn)速閉環(huán)。永磁對轉(zhuǎn)元刷直流推進電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過脈寬調(diào)制(Pulse widthModulation，PWM)技術(shù)來實現(xiàn)的，調(diào)制方式為HPWM-LON，即逆變器上半橋進行PWM，F(xiàn)半橋恒通。這種方式相對于全橋PWM方式具有轉(zhuǎn)矩脈動小，逆變系統(tǒng)損耗小等優(yōu)點，非常適合采用蓄電池供電的水下航行器推進裝置。
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，得到電機轉(zhuǎn)速的PwM控制信號，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，達到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的．
3仿真結(jié)果及分析永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機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，電機極對數(shù)4，永磁體轉(zhuǎn)子和電樞轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量分別為O 75 kg·m2和0．77 kg-m。，兩個轉(zhuǎn)子的粘滯摩擦系數(shù)分別為O 023 N-m-s和0 023 N·m·s。
永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)按照工程設(shè)計方法進行初步計算，并根據(jù)負載情況進行微調(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算法，采樣時間Ts=4e一6 s，系統(tǒng)總的仿真時間設(shè)定為1 s。圖9依次給出了A相繞組的相電壓、相反電動勢、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。電角度處于負向?qū)顟B(tài)、120。電角度處于關(guān)斷狀態(tài)，電機相電流由于換相續(xù)流的緣故，并不是標(biāo)準(zhǔn)的方波，而是出現(xiàn)一個凹槽，這個凹槽使電機的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動。電機的反電動勢曲線為標(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，兩個轉(zhuǎn)子的角速度并不一致，隨著仿真時間的增加，兩個轉(zhuǎn)子的角速度差異越來越小，基本趨于一致。
永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機的電磁轉(zhuǎn)矩如圖ll所示。從圖中可以看出，在電機起動初期，電磁轉(zhuǎn)矩非常大，這樣可以保證電機轉(zhuǎn)速迅速上升。
當(dāng)轉(zhuǎn)速達到額定值以后，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)時也有比較大的脈動，主要原因就是上面分析的由于換相時電樞繞組續(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推進用對轉(zhuǎn)永磁無刷直流推進電機結(jié)構(gòu)的特點，建立了微分方程形式的電機數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB軟件建立了永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機控制系統(tǒng)的仿真模型。本文所建立的模型能夠較好地模擬真實永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機的各種特性，仿真結(jié)果與理論分析一致，該仿真模型為進一步研究永磁對轉(zhuǎn)無刷直流推進電機的控制策略和運行特性打下了基礎(chǔ)。 |
