摘要：雙轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動機作為螺旋槳推進(jìn)電機，廣泛應(yīng)用于無人水下航行器：基于雙轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動機工作原理，建立電機數(shù)學(xué)模型，采用變參數(shù)PI控制算法設(shè)計控制器，給出相對位置檢測的換相控制方案，在Matlah平臺上，建立屯機調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明，仿真建模準(zhǔn)確，控制算法精確、穩(wěn)定、可靠。
關(guān)鍵詞：雙轉(zhuǎn)無刷直流電機；變參數(shù)PI；換相控制；建模
0引 言
電力電子技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)，加快了永磁無刷直流電動機誕生，它結(jié)構(gòu)簡單，造價低，性能優(yōu)越。
由于推進(jìn)效率高、橫滾力矩平衡性能好，雙轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動機(以下簡稱PMBLDcM)在艦船等對轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。人們對雙轉(zhuǎn)PMBLDcM的認(rèn)識尚不完全，同前存在著轉(zhuǎn)矩脈動、位置傳感器安裝誤差、換相不準(zhǔn)確等問題。
本文基于雙轉(zhuǎn)PMBLDcM工作原理，借助simu一link工具包，建立其數(shù)學(xué)模型．采用變參數(shù)PI算法，搭建了仿真系統(tǒng)。模型在消除轉(zhuǎn)矩脈動、增強動態(tài)響應(yīng)和魯棒性等方面表現(xiàn)良好，對進(jìn)一步研究雙轉(zhuǎn)PMBI．DcM具有實際價值。
1雙轉(zhuǎn)PMBLDCM原理及數(shù)學(xué)模型
雙轉(zhuǎn)PMBLDcM和普通的BLDcM相比，結(jié)構(gòu)上并沒有多大的區(qū)別。雙轉(zhuǎn)PMBLDcM兩相導(dǎo)通三相星型六狀態(tài)逆變電路如圖1所示，位置傳感器檢測到內(nèi)外轉(zhuǎn)子的相對位置信號，該信號再經(jīng)過信號變換處理，向功率開關(guān)提供邏輯控制信號，使得一相橋的六個功率管按照一定順序(如按照(V1，V2)一(V2，V3)一(V3，V4)一(V4，V5)一(V5，V6)一(V6，V1)或者相反的順序)導(dǎo)通和關(guān)閉，即可實現(xiàn)電子換相。電源向電樞繞組供電，形成旋轉(zhuǎn)磁場。永磁體構(gòu)成電機內(nèi)轉(zhuǎn)子，電樞繞組均成外轉(zhuǎn)子，它們之間存在磁場的相互作用，由于作用力等于反作用力，它們的轉(zhuǎn)向是相反的。整個電機本體固定在支架上。
在理想條件下，雙轉(zhuǎn)PMBLDcM和普通的BLDcM數(shù)學(xué)模型相似。三相繞組電壓平衡方程可表示：
式中：uan、ubn和ucn分別為三相繞組的相電壓；r為每相繞組的電阻，ia、ib和ic分別為每相繞組的相電流；ean、ebn和ecn分別為每相繞組的反電動勢；λa、λb、在假定氣隙中磁場呈矩形波分布的情況下，雙轉(zhuǎn)PMBLDcM外轉(zhuǎn)了繞組的反電勢為三相對稱120。平頂寬度梯形波，其大小正比于內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之Vs+Vr，令fa(θ)、fb(θ)、fc(θ)為幅值是1、依次相差120。梯形波反電勢，如圖2所示，則三相繞組反電勢表示：
2雙轉(zhuǎn)PMBLDcM仿真調(diào)速系統(tǒng)
為了提高雙轉(zhuǎn)PMBLDcM調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能，目前廣泛使用的是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。本文電流環(huán)使用常規(guī)的PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速環(huán)使用變參數(shù)PI調(diào)節(jié)器。三相雙轉(zhuǎn)PMBLDcM調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
2．1雙轉(zhuǎn)PMBLDcM的本體仿真
模型將雙轉(zhuǎn)PMBLDcM仿真模型分為反電動勢模塊、機械模塊、電氣模塊三部分，其中反電勢部分采用在Matlab中建立M文件實現(xiàn)，機械部分采用sim—ulink工具包中的數(shù)學(xué)模塊搭建，電氣部分使用sim—Powersvstems中的實體圖形化模塊建立。由此得到雙轉(zhuǎn)PMBLDcM本體模型，如圖4所示。
2.2雙轉(zhuǎn)PMBLDcM控制器的設(shè)計
傳統(tǒng)的PI控制具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強、可靠性高等優(yōu)點，適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常采用PI控制算法。在實際應(yīng)用中，被控過程機理復(fù)雜，具有非線性、時變性和滯后等特點。新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，智能控制是近幾年發(fā)展起來的新興學(xué)科，主要方法有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制等。它們主要用來解決傳統(tǒng)方法難以適應(yīng)控制對象參數(shù)大范圍變化的問題。但是這些新算法實現(xiàn)復(fù)雜，運算量較大。在雙轉(zhuǎn)PMBLDcM調(diào)速系統(tǒng)中，本文采用變參數(shù)PI控制算法設(shè)計系統(tǒng)調(diào)節(jié)器，以達(dá)到理想的控制效果。
式中：TIr、TIs分別為控制器的比例、積分系數(shù)。
比例調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快，輸出與輸入同步，沒有時間滯后，其動態(tài)特性好，但是比例調(diào)節(jié)是有靜差調(diào)節(jié)。
積分調(diào)節(jié)器的輸出會不斷變化，直到偏差為零，屬于無靜差調(diào)節(jié)。滯后特性難以對干擾進(jìn)行及時控制。積分過快，整個系統(tǒng)振蕩；積分過慢，調(diào)節(jié)速度過慢。
變參數(shù)PI控制算法類似于積分分離算法。
控制算法思想是為了獲得快速響應(yīng)，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時問短的****控制效果，系統(tǒng)根據(jù)誤差大小選擇控制器參數(shù)級別。當(dāng)誤差大時，系統(tǒng)加大比例調(diào)節(jié)；當(dāng)誤差小時，系統(tǒng)增大積分調(diào)節(jié)。控制器設(shè)汁流程圖如圖5所示，變參數(shù)智能PI調(diào)節(jié)器兼有PI算法和現(xiàn)代控制算法的優(yōu)點，原理簡單，容易實現(xiàn)它根據(jù)被控過程，自動整定參數(shù)，達(dá)到實時、智能控制的效果。
在Matlab平臺上使用slmUlink工具包內(nèi)的if—ifaction子模塊搭建智能PI控制器模塊，如圖6所示。
2.3位置檢測與開關(guān)邏輯
三相雙轉(zhuǎn)PMBLD—cM通過對內(nèi)外轉(zhuǎn)子位置檢測進(jìn)行換相。電動機結(jié)構(gòu)及12個位置傳感器安裝示意圖如圖7所示。按圖示方向旋圖7電機結(jié)構(gòu)及傳感器安裝轉(zhuǎn)，l和O分別表示內(nèi)外轉(zhuǎn)子的位置信號高低和功率管的開通關(guān)斷，s、r分別表示外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子位置傳感器及信號值，則得換相邏輯如表1所示。由表
通過Matlab語占編寫函數(shù)即可實現(xiàn)三相雙轉(zhuǎn)PMBLDcM仿真調(diào)速系統(tǒng)換相控制。
2.4電流調(diào)節(jié)器
為了加快電動機起動、制動，縮小過渡時間，減小轉(zhuǎn)矩脈動，電流調(diào)節(jié)器串聯(lián)在轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)之后，將實際相電流反饋，與給定電流比較，形成雙閉環(huán)系統(tǒng)。
電流調(diào)節(jié)器采用常規(guī)PI調(diào)節(jié)器，一旦達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，電流環(huán)起到跟隨作用。仿真模塊如圖8所示。
2.5 PwM電路參考
電流值與實際相電流比較，經(jīng)過滯環(huán)比較器形成PwM信號，再和功率管換向邏輯信號相“與”，實現(xiàn)對任意兩個導(dǎo)通功率管的調(diào)制，如圖9所示。PwM信號將直流電源斬波，改變加在電機兩端的平均電壓，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。本文采用上側(cè)管PwM調(diào)制，下側(cè)管恒通的調(diào)制方式。滯環(huán)電流控制器PwM電路特點是沒有載波，輸出電壓波形中不含特定頻率諧波。
3仿真實驗與結(jié)果
由以上可以構(gòu)建雙轉(zhuǎn)PMBLDcM仿真凋速系統(tǒng)模型，如圖O所示。
為驗證變參數(shù)PT控制器的性能，雙轉(zhuǎn)PMBLD—cM參數(shù)采用如表2所示的實驗數(shù)據(jù)，仿真參數(shù)設(shè)置為：變步長仿真(variahle—step)類型，0de23tb(stiff/TR—BDF2)算法，****步長1×10-5，其他參數(shù)采用默認(rèn)值。
仿真調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)外轉(zhuǎn)子負(fù)載Tir=TIS=25 N.
m，給定轉(zhuǎn)速為n=70 r／min，系統(tǒng)由靜止起動待進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，在O.5 s時給定轉(zhuǎn)速變?yōu)閚=90 r／min，外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n、4相電流‘和電磁轉(zhuǎn)矩t仿真曲線如圖1l所小。
仿真調(diào)速系統(tǒng)在給定轉(zhuǎn)速為n=80 r／min，內(nèi)外轉(zhuǎn)子負(fù)載轉(zhuǎn)矩TIr=TIS=25 N-m，待系統(tǒng)起動進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，存0 5 s時負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)門IR=TIS=40 N·n，外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，n、4相電流i和電磁轉(zhuǎn)矩T仿真曲線。
4結(jié)語
本文通過雙轉(zhuǎn)PMBLDcM數(shù)學(xué)模型，采用Matlab／simul，nK lr具包搭建了電機本體仿真模型，并采用變參數(shù)l Jl控制算法，建立仿真調(diào)速系統(tǒng)：仿真實驗結(jié)果表明，雙轉(zhuǎn)PMBLDcM本體及調(diào)速系統(tǒng)建模準(zhǔn)確；控制算法可行、實現(xiàn)簡單；在消除轉(zhuǎn)矩脈動、增強動態(tài)響應(yīng)和魯棒性等方面表現(xiàn)良好的性能。為深入研究雙轉(zhuǎn)PMBLDcM奠定堅實的基礎(chǔ)。
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