徐海珠, 謝順依, 連軍強(qiáng), 王 鼎

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對轉(zhuǎn)魚雷永磁同步推進(jìn)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐海珠, 謝順依, 連軍強(qiáng), 王 鼎

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

為了提高魚雷電機(jī)的效率和轉(zhuǎn)矩密度, 介紹了對轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu), 探討了對轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù), 推導(dǎo)了對轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型, 建立了電機(jī)仿真模型, 分析了電機(jī)設(shè)計(jì)原理。為了保持雙轉(zhuǎn)子的等速, 設(shè)計(jì)了一種新型對轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng), 提出了電機(jī)擾動情況下的雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟隨方案, 并進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果和理論分析吻合, 證明了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)可以很好地實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)的調(diào)速, 且控制過程簡單, 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速, 魯棒性強(qiáng)。

魚雷; 對轉(zhuǎn)永磁同步推進(jìn)電機(jī); 直接轉(zhuǎn)矩控制; 轉(zhuǎn)速跟隨; 擾動

0 引言

水下航行器航行過程中需要穩(wěn)定姿態(tài), 大多采用對轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)以克服陀螺效應(yīng)[1]。對轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)[2]比功率大、可靠性高、效率高、成本低、轉(zhuǎn)矩脈動小、散熱效果好、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、無陀螺效應(yīng), 可直接驅(qū)動對轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng), 成為水下電力推進(jìn)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)和原理

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

對轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)由1個定子和2個對轉(zhuǎn)的永磁轉(zhuǎn)子組成[3], 圖1為對轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示, 外轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面和內(nèi)轉(zhuǎn)子的外表面安裝徑向磁化的永磁體, 定子兩側(cè)統(tǒng)一開槽并安裝螺線管繞組, 繞組端部大大縮短, 繞組利用率大幅提高, 發(fā)熱和端部漏磁也大幅減小[4]。因?yàn)閮?nèi)外氣隙都得到利用, 可以得到更高的功率密度。電樞內(nèi)外2層繞組的相序相反[5], 所以2層電樞各自產(chǎn)生等速而異向旋轉(zhuǎn)的磁場, 進(jìn)而在2個轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生等大而反向的電磁轉(zhuǎn)矩, 直接驅(qū)動對轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)器。

圖1 對轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

對轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)目前還沒有成熟的研究方法, 將其分解為內(nèi)電機(jī)和外電機(jī)(定子內(nèi)側(cè)繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)成內(nèi)電機(jī), 定子外側(cè)繞組和外轉(zhuǎn)子構(gòu)成外電機(jī))。本文借鑒傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)研究方法, 先對2個電機(jī)分別進(jìn)行研究, 再通過二者的磁場耦合和結(jié)構(gòu)約束進(jìn)行集成優(yōu)化。

1.2 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)電機(jī)工作原理和數(shù)學(xué)模型, 可得到內(nèi)電機(jī)和外電機(jī)的電磁關(guān)系

式中:1和2,1和2,1和2,和,1和2,1和2分別為內(nèi)外轉(zhuǎn)子的半徑、磁密、反電勢、磁鏈、電磁功率和轉(zhuǎn)速;l為電樞的有效長度;為電樞電流。由式(1)和式(2)可知, 當(dāng)內(nèi)外轉(zhuǎn)子的磁密與外徑成反比時, 二者轉(zhuǎn)矩相等。設(shè)計(jì)使兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量與阻尼系數(shù)相等, 可使兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相等。內(nèi)轉(zhuǎn)子使用釹鐵硼永磁體以增大氣隙磁密, 外轉(zhuǎn)子使用鐵氧體永磁體以降低成本。

2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

直接轉(zhuǎn)矩控制采用定子磁場定向, 應(yīng)用空間矢量分析, 維持定子磁鏈幅值恒定, 借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號, 直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制, 調(diào)節(jié)定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度以動態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)矩角, 使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩跟蹤給定轉(zhuǎn)矩[6]。直接轉(zhuǎn)矩控制無需矢量控制的對轉(zhuǎn)子磁場精確定向, 避免了解耦和復(fù)雜的坐標(biāo)變換, 磁鏈的估計(jì)僅涉及定子電阻, 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速、結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)、控制性能優(yōu)良, 受到了廣泛關(guān)注。

借鑒傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型, 在通常假設(shè)條件下, 建立對轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)的坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型

式中:U和U,i和i為電機(jī)軸電壓和電流;表示對時間的導(dǎo)數(shù);n為電機(jī)極對數(shù);L1和L1為內(nèi)轉(zhuǎn)子的軸電感;L2和L2為外轉(zhuǎn)子的軸電感;1和2, ψ1和ψ2為內(nèi)外電機(jī)的轉(zhuǎn)矩角和定子磁鏈;和,ω1和ω2,1和2, T1和T2,T1和T2,1和2,Fe1和Fe2分別為內(nèi)外轉(zhuǎn)子的永磁磁鏈、電角速度、轉(zhuǎn)動慣量、電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、阻尼系數(shù)和鐵耗功率。

由式(5)可知, 保持定子磁鏈為恒定值, 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)矩角的變化而變化。

3 電機(jī)模型

根據(jù)上文的數(shù)學(xué)模型, 建立電機(jī)的仿真模型, 其中軸的電壓-電流仿真模型如圖2所示。

對2個轉(zhuǎn)子分別輸入負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩, 可探索2個轉(zhuǎn)子在相同條件和不同條件下電機(jī)的特性, 電機(jī)的機(jī)械模型如圖3所示。

圖2 電氣模型(q軸)

圖3 機(jī)械模型

4 控制系統(tǒng)

4.1 控制過程

對轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(見圖4)的控制過程: 檢測逆變器的直流母線電壓和電機(jī)的兩相電流, 計(jì)算出電機(jī)反電勢, 積分以估計(jì)定子磁鏈; 根據(jù)估計(jì)的磁鏈和實(shí)測電流來計(jì)算電機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)矩; 根據(jù)定子磁鏈來判別其位置; 電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定速度比較后, 經(jīng)調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩給定, 與瞬時轉(zhuǎn)矩相比較, 經(jīng)滯環(huán)比較器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩控制狀態(tài)量; 定子磁鏈給定值與實(shí)際值比較后經(jīng)滯環(huán)比較器也產(chǎn)生磁鏈控制狀態(tài)量。根據(jù)3個控制信號,和來綜合查詢電壓空間矢量表, 輸出逆變器驅(qū)動控制信號, 選取電壓矢量, 既保證每個劃分扇區(qū)中轉(zhuǎn)矩的最大變化, 又保證定子磁鏈在一定范圍內(nèi)其平均值基本不變。

4.2 控制策略

當(dāng)電機(jī)受到擾動時, 2個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不再相等, 難以進(jìn)行控制。但對轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)中, 內(nèi)外電機(jī)的電樞電路串聯(lián), 僅需要對定子電流進(jìn)行控制, 就可以完成雙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)矩、磁鏈雙閉環(huán)控制, 分別計(jì)算內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩, 對轉(zhuǎn)矩變化較大者進(jìn)行調(diào)節(jié), 便于穩(wěn)定轉(zhuǎn)速, 減小脈動。系統(tǒng)采用外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)算參考轉(zhuǎn)矩, 并使用參考磁鏈來調(diào)節(jié)外轉(zhuǎn)子磁鏈, 可以讓內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟隨外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。對內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩變化較大者進(jìn)行調(diào)節(jié), 并使內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟隨外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速, 可以保證電機(jī)擾動后2個轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速迅速恢復(fù)相等。

圖4 對轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

4.3 開關(guān)電壓表

轉(zhuǎn)矩角的變化量為

由式(6)可知, 轉(zhuǎn)矩角的變化量為定子磁鏈位置增量與轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角之差。由于定子磁鏈由電壓空間矢量驅(qū)動, 其時間常數(shù)遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)子機(jī)械時間常數(shù)[7], 故可忽略轉(zhuǎn)子位置變化。故通常使用電壓矢量快速、線性地改變定子磁鏈的幅值和角度, 并改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)所選運(yùn)動矢量和零矢量的不同, 永磁同步電機(jī)開關(guān)表中的轉(zhuǎn)矩可處于增加、保持和減小3種狀態(tài)(對應(yīng)為1,0,－1), 當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩誤差在給定誤差環(huán)寬范圍內(nèi)時, 選用零矢量以保持轉(zhuǎn)矩輸出, 減少逆變器開關(guān)次數(shù)和轉(zhuǎn)矩脈動, 磁鏈和電壓控制規(guī)律如式(7)、式(8)和表1所示。

表1 電壓矢量開關(guān)表

5 仿真結(jié)果及分析

系統(tǒng)參數(shù)如下: 極對數(shù)為6, 額定功率為15 kW, 兩轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速均為1000r/min, 電阻0.05Ω, 內(nèi)外電機(jī)的交、直軸電感均為0.35 mH, 粘滯系數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量均為0.065 N·m·s和0.75 kg·m2。仿真時間0.6s, 在0.1s時設(shè)置兩轉(zhuǎn)子負(fù)載為[8,14] N·m, 模擬電機(jī)擾動。在0.2s時負(fù)載突降為[3,5] N·m, 0.4s時負(fù)載驟增為[20,20] N·m, 得到電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。

電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)如圖5所示, 啟動后轉(zhuǎn)矩較大, 因擾動0.1s時轉(zhuǎn)矩在12N·m附近震蕩, 0.2s負(fù)載突降后很快穩(wěn)定在3 N·m, 0.6 s負(fù)載驟增后又迅速穩(wěn)定到20 N·m。

圖5 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖6為電機(jī)兩轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速曲線, 0.1 s時, 由于電機(jī)擾動, 兩轉(zhuǎn)子負(fù)載產(chǎn)生差異, 轉(zhuǎn)速差別逐漸增大, 但在相同的參考轉(zhuǎn)速和內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟隨的條件下, 經(jīng)過0.05 s, 兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差異越來越小, 最終趨于相等, 轉(zhuǎn)速差值曲線如圖7。

圖6 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖7 轉(zhuǎn)速差值響應(yīng)曲線

6 結(jié)束語

根據(jù)對轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)的工作原理建立了電機(jī)的仿真模型, 提出了該種電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方案, 設(shè)計(jì)了電機(jī)擾動情況下的雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟隨技術(shù)。仿真結(jié)果證明, 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)可以很好地實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)的調(diào)速, 并解決雙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速跟隨問題, 而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速、魯棒性強(qiáng), 有廣闊的應(yīng)用前景。

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A Direct Torque Control System of Counter-rotating PMSM for Torpedo Propulsion

XU Hai-zhu, XIE Shun-yi, LIAN Jun-qiang, WANG Ding

(Department of Weaponry Engineering Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To improve the torque density and efficiency of a torpedo motor, the configuration and working principle of a counter-rotating permanent magnet synchronous motor(PMSM) are introduced. A simulation model of counter-rotating PMSM is established by deducing its mathematical model, and the design principle of this kind of motor is analyzed. A new direct torque control system for counter-rotating PMSM is designed, and the speed following strategy of two rotors in disturbance condition is proposed to keep the speeds of two rotors equal. Simulation result, which coincides well with the theoretical analysis, verifies that direct torque control is competent for regulating speed of counter-rotating PMSM with high robustness and quick torque response.

torpedo; counter-rotating permanent magnet synchronous motor (PMSM); direct torque control; speed following; disturbance

TJ630.32; TM346

A

1673-1948(2012)01-0051-05

2011-07-14;

2011-07-21.

國防科技預(yù)先研究項(xiàng)目資助(101010601202).

徐海珠(1983-), 男, 在讀博士, 主要研究方向?yàn)樗码娏ν七M(jìn)與電機(jī)控制.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)