張林森，謝順依， 曾雙貴，胡平，石能勝。
(1海軍工程大學兵器工程系，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 無刷直流電機數學模型的基礎上，利用V一一llAB／s-mulink軟件建立了永磁對轉無刷直流電機控制系統的仿真模型，從電機本體和控制系統兩方面詳三三{述了模型的實現過程。仿真結果與理論分析一致，驗證了該系統模型的有效性，并為進一步研究電機控制策略和優化電機參數提供r仿真平臺。 關鍵詞：無刷直流電機；水下自主航行器；對轉電機中圖分類號：TM 301 3 文獻標志碼：A文章編號：1673—6540(2010)08_o()(]1-05
O 引 言
對轉電機以其特殊的雙轉子結構在艦船、魚雷、水下自主航行器(underwater unmanned Vehicle，uuv)等領域廣泛應用 。這種電機呵以分別帶動一組對轉螺旋槳以相反的方向旋轉，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構簡單、可靠性高和直流有刷電機調節性能與起動性能良好的優點，在汽車電子、家用電器、辦公自動化的場合應用非常成熟。近年來，隨著永磁體材料和大功率開關器件的快速發展，大功率推進用永磁無刷直流電機逐漸應用于國內外各種航行器中。
永磁對轉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，且永磁體轉子和電樞轉子的轉向相反，這是與普通永磁無刷直流電機在結構上****的不同之處。因此，分析并建立這種永磁對轉無刷直流推進電機的仿真模型，對于驗證電機設計參數的合理性、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作用。本文在分析永磁對轉無刷直流推進電機數學模型的基礎上，建立了uuV推進用對轉電機的控制系統仿真模型，并對仿真結果進行了討論。
1 永磁對轉無刷直流推進電機數學模型永磁對轉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；永磁體轉子采用表面貼裝式結構，該結構的轉子磁路各向同性，繞組自感和瓦感不隨永磁轉子相對電樞轉子的位置角變化；電機的功率控制部分采用由大功率絕緣柵雙極晶體管(IGBT)構成的三相橋式驅動電路，由于電樞繞組相對于功率控制部分是旋轉的，因此三相電壓需要通過三個滑環引入電機。永磁對轉無刷直流推進電機控制系統的拓撲結構如圖l所示。
圖1 永磁對轉無刷直流推進電機的拓撲結構永磁對轉無刷直流推進電機的電壓方程為
假設三相電樞繞組結構對稱，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。
令永磁對轉無刷直流推進電機的永磁體轉子和電樞轉子相對于電機支架旋轉的角速度分別為ωP和ωA，電機的轉矩方程可描述為
式中：Jp，Ja、--永磁體轉子和電樞轉子轉動慣量；Tlp、Tla--永磁體轉子和電樞轉子負載轉矩；Bp、Ba--永磁體轉子和電樞轉子的粘滯摩擦系數.
由此，式(3)～(5)共同組成了微分方程形式的永磁對轉無刷直流推進電機的數學模型。三相反電勢波形如圖2所示.
2永磁對轉無刷直流推進電機控制系統的仿真模型建立根據上述水磁對轉無刷直流推進電機微分方程形式的數學模型，可以搭建永磁對轉無刷直流推進電機控制系統的仿真模型，如圖3所示。
下面從電機本體和控制系統兩部分分別詳細闡述仿真模型的實現過程。
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，其內部結構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動過程中需要位置信號作為電機換相的控制信號，實際應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觸發器模塊實現霍爾位置信號的仿真，其A相的霍爾位囂傳感器模型結構如圖5所示。該子系統以電機兩個轉子的相對位置角(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，模型將電機兩個轉子的角
速度ωp和ωa、機械轉角θp和θa及電機的電磁轉矩通過IFtUX模塊合并輸出。
2。2控制系統模型永磁對轉無刷直流推進電機控制系統采用電
流、轉速雙閉環控制。由于工作環境的特殊性，對于其控制系統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控制器來實現電機的電流和轉速閉環。永磁對轉元刷直流推進電機的轉速調節是通過脈寬調制(Pulse widthModulation，PWM)技術來實現的，調制方式為HPWM-LON，即逆變器上半橋進行PWM，F半橋恒通。這種方式相對于全橋PWM方式具有轉矩脈動小，逆變系統損耗小等優點，非常適合采用蓄電池供電的水下航行器推進裝置。
圖7為轉速環PID控制器的結構。從圖中可以看出，為了消除積分飽和給系統帶來的不利影響，本文采用了防積分飽和PI調節器結構。
圖8為電流控制器結構圖，該控制器將電流誤差經過PI控制器和PwM發生器以后，得到電機轉速的PwM控制信號，通過調節占空比來調整輸入到逆變器的直流側電壓，達到轉速調節的目的．
3仿真結果及分析永磁對轉無刷直流推進電機本體的主要仿真參數如下：額定功率25 kw，額定電壓5000V，額定轉速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4，永磁體轉子和電樞轉子的轉動慣量分別為O 75 kg·m2和0．77 kg-m。，兩個轉子的粘滯摩擦系數分別為O 023 N-m-s和0 023 N·m·s。
永磁對轉無刷直流推進電機雙閉環控制系統的PI調節器參數按照工程設計方法進行初步計算，并根據負載情況進行微調。速度環參數如下：
Kp=0 2l，K1=1．3，Kc=0 16，電流環參數如下：
Kp=0 08，K1=15。PwM調制頻率為20 kHz。
仿真采用離散變步長算法，采樣時間Ts=4e一6 s，系統總的仿真時間設定為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，A相繞組120。電角度處于正向導通狀態、120。電角度處于負向導通狀態、120。電角度處于關斷狀態，電機相電流由于換相續流的緣故，并不是標準的方波，而是出現一個凹槽，這個凹槽使電機的電磁轉矩產生脈動。電機的反電動勢曲線為標準的梯形波，與理論分析一致。
圖10給出r電機的轉子角速度曲線。在電流轉速雙閉環控制器的作用下，電機的轉速迅速上升并很快保持穩定，由于永磁體轉子和電樞轉子的轉動慣量和粘滯摩擦系數存在一定差異，在轉速上升階段，兩個轉子的角速度并不一致，隨著仿真時間的增加，兩個轉子的角速度差異越來越小，基本趨于一致。
永磁對轉無刷直流推進電機的電磁轉矩如圖ll所示。從圖中可以看出，在電機起動初期，電磁轉矩非常大，這樣可以保證電機轉速迅速上升。
當轉速達到額定值以后，電磁轉矩的值快速回落，維持在約100N·m。電磁轉矩在穩態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流使方波電流出現凹槽的緣故。
4 結 語
本文分析了uuV推進用對轉永磁無刷直流推進電機結構的特點，建立了微分方程形式的電機數學模型，并利用MATLAB軟件建立了永磁對轉無刷直流推進電機控制系統的仿真模型。本文所建立的模型能夠較好地模擬真實永磁對轉無刷直流推進電機的各種特性，仿真結果與理論分析一致，該仿真模型為進一步研究永磁對轉無刷直流推進電機的控制策略和運行特性打下了基礎。 |
