倪 天，馬 嶺，許 可

(中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

在深海環(huán)境中，載人潛水器利用其搭載的電力推進(jìn)裝置實(shí)現(xiàn)定深直航、變深潛浮、轉(zhuǎn)向側(cè)移、動力定位等航行運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)深海環(huán)境觀測、深海礦產(chǎn)勘探、海洋生物考察、海底地形測繪、海底管道與電纜的布放與檢修等各種作業(yè)任務(wù)［1-2］。

國外在水下電力推進(jìn)技術(shù)上的研究一直處于領(lǐng)先地位，目前TECNADYNE、DSSI、SUB-ATLANTIC 等公司已開發(fā)出成熟的系列化產(chǎn)品推向市場，涵蓋了數(shù)種產(chǎn)品規(guī)格和寬廣的海洋深度。國內(nèi)關(guān)于水下推進(jìn)裝置的研究起步較晚，目前對水下推進(jìn)裝置的應(yīng)用需求主要依賴進(jìn)口，國內(nèi)僅有少數(shù)幾家科研機(jī)構(gòu)及高校，如中船重工712 所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、沈陽自動化研究所等，自行試制出一些適用于深海環(huán)境的小功率水下推進(jìn)裝置樣機(jī)，主要供科研使用，其大多存在裝置體積大、效率低、可靠性不高、轉(zhuǎn)速開環(huán)控制等問題。目前與國外系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的推進(jìn)產(chǎn)品相比，技術(shù)成熟、可靠性高的國產(chǎn)推進(jìn)裝置少之又少。

1 電力推進(jìn)裝置傳動特性研究

1.1 電力推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)

根據(jù)載人潛水器的航行工況和動力需求，對于電力推進(jìn)裝置的控制與傳動特性進(jìn)行了相關(guān)研究，設(shè)計(jì)了一種適于載人潛水器的推進(jìn)裝置，主要由推進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動裝置、壓力補(bǔ)償器和導(dǎo)管螺旋槳幾部分組成，如圖1 所示。圖1 中，機(jī)械傳動采用磁力耦合傳動技術(shù)，連接電機(jī)轉(zhuǎn)軸的主動輪通過永磁材料的磁力作用驅(qū)動從動輪及螺旋槳，將動密封轉(zhuǎn)化為靜密封，從而避免了復(fù)雜的動密封結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償油泄漏問題，降低了密封難度，提高了系統(tǒng)可靠性和推進(jìn)效率。

推進(jìn)器采用高效導(dǎo)管槳以提高系泊推力及敞水效率。主機(jī)采用高效率、高功率密度的水下無刷直流電機(jī)，以減小主機(jī)的重量和體積，提高載人潛水器的續(xù)航能力。推進(jìn)電機(jī)控制器由蓄電池組提供直流電源，配備一種轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，以抑制螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩的擾動，提高推進(jìn)裝置的電壓適應(yīng)性。

下面就磁力耦合器、螺旋槳和推進(jìn)電機(jī)的傳動與控制特性展開相關(guān)研究。

1.2 磁力耦合器的運(yùn)行機(jī)理與特性研究

永磁式磁力耦合器是利用主、從動磁轉(zhuǎn)子上的永磁材料之間相互作用力來實(shí)現(xiàn)主機(jī)和螺旋槳之間無接觸式傳動的裝置［3］。一般的磁力耦合器主要由主動輪、從動輪、永磁體、密封罩等部分組成，如圖2 所示。

圖1 基于磁力耦合器的載人潛水器電力推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of electric propulsion device based on permanent magnet gear

圖2 永磁磁力耦合器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of permanent magnet gear

主動輪連接電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，而在從動輪的外轂安裝螺旋槳，電機(jī)轉(zhuǎn)軸在磁力作用下帶動螺旋槳同步地旋轉(zhuǎn)。在主、從動輪之間采用非導(dǎo)磁(防止磁短路)耐腐蝕高強(qiáng)度金屬材料做成隔離罩將兩者隔開，為了提高傳動效率，應(yīng)盡量減小密封罩的壁厚，密封罩的內(nèi)部可充油作壓力補(bǔ)償以平衡外部水壓。采用磁力傳動方式，將動密封轉(zhuǎn)化為靜密封，提高了密封性能，大大提高了系統(tǒng)的可靠性［4-5］。

磁力耦合器的主、從動輪上均安裝了徑向充磁的釤鈷永磁體，并以不同的極性交替排列，主、從動輪上的磁極對數(shù)相等，因此這種結(jié)構(gòu)的磁力耦合器的傳動比λ = 1。應(yīng)用有限元法計(jì)算與分析磁力耦合器的靜磁場，圖3 分別給出了轉(zhuǎn)差電角度等于0°和90°的兩個(gè)特殊位置的磁力線分布圖。

圖3 轉(zhuǎn)差電角度為0°和90°時(shí)磁力線分布情況Fig.3 Distribution of flux lines at 0 degree and 90 degree

從圖3 所示的磁力線分布情況可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)差電角度為0°時(shí)，主、從動輪的相異磁極對齊，磁力線通過氣隙與主、從動輪均發(fā)生交鏈，但是磁力線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此在主、從動輪之間只存在徑向相互的吸引力，傳遞的轉(zhuǎn)矩為零。同理當(dāng)轉(zhuǎn)差電角度為180°時(shí)，主、從動輪的相同磁極對齊，磁力線自行閉合，主、從動輪之間的磁鏈不經(jīng)過氣隙的互相交鏈，全部相當(dāng)于是漏磁通，主、從動輪之間只存在徑向相互的排斥作用，也不傳遞轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)差電角度為90°和270°時(shí)，磁力線通過氣隙，并與主、從動輪交鏈且發(fā)生扭曲，此時(shí)在主、從動輪之間有轉(zhuǎn)矩的傳遞并且為最大值。

分析磁力耦合器的矩角特性時(shí)，保持從動輪處于靜止?fàn)顟B(tài)，使主動輪旋轉(zhuǎn)，得出傳遞轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差電角度之間的關(guān)系曲線如圖4 所示。由該特性可知，在每個(gè)電周期內(nèi)靜轉(zhuǎn)矩按近似正弦規(guī)律變化，當(dāng)機(jī)械角度為11.25°即電角度為90°時(shí)，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值，數(shù)值約為200 N·m，而當(dāng)電角度為0°和180°時(shí)傳遞的轉(zhuǎn)矩為零。因此要使磁力耦合器傳遞一定的轉(zhuǎn)矩，應(yīng)使主從動輪間保持一定轉(zhuǎn)矩角。

圖4 磁力耦合器的轉(zhuǎn)差-轉(zhuǎn)矩的矩角特性Fig.4 Torque-angle property of permanent magnet gear

分析磁力耦合器傳動穩(wěn)定性，當(dāng)工作點(diǎn)在(0°，90°)和(270°，360°)的區(qū)間內(nèi)處于某一平衡狀態(tài)，若螺旋槳上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生了擾動，當(dāng)擾動作用消除后能重新回到原來的平衡狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行，故該區(qū)域即為磁力耦合器的穩(wěn)定工作區(qū)。

若螺旋槳上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過磁力耦合器矩角特性的最大值，則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，此時(shí)磁力耦合器發(fā)生“打滑”，不能正常傳遞主機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩。因此必須對螺旋槳負(fù)載在各種工況條件下的動態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)特性進(jìn)行計(jì)算與分析。

1.3 螺旋槳建模與特性分析

潛水器的螺旋槳將主機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為潛水器航行所需的推力，因而分析螺旋槳的運(yùn)轉(zhuǎn)特性對于推進(jìn)裝置的研究與設(shè)計(jì)至關(guān)重要。根據(jù)螺旋槳在敞水中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的流體動力特性可知，螺旋槳的推力T 和轉(zhuǎn)矩M 可用無因次量表示［6］:

其中，KT和KM分別為推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)，均為進(jìn)速比的函數(shù)，令進(jìn)速比J 為:

式中:n 為螺旋槳的轉(zhuǎn)速，r/s;Vp為螺旋槳的進(jìn)速，m/s;t 為推力減額系數(shù);Dp為螺旋槳的直徑，m;ρ 為海水密度，kg/m3。

為了分析系泊狀態(tài)(J = 0 )螺旋槳的運(yùn)轉(zhuǎn)特性，在水池進(jìn)行了推進(jìn)器的系泊試驗(yàn)，并采用多項(xiàng)式函數(shù)對轉(zhuǎn)矩、功率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合，擬合函數(shù)形式如下:

式中:k 為多項(xiàng)式函數(shù)的階數(shù)。由式(1)分析可得，螺旋槳的推力T 和轉(zhuǎn)速n 的平方近似成正比，故預(yù)取kT=2;功率P 和轉(zhuǎn)速n 的立方近似成正比，故預(yù)取kP=3。轉(zhuǎn)速-推力特性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合曲線如圖5 所示，轉(zhuǎn)速-功率特性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合曲線如圖6 所示，分析上述曲線可得，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值擬合結(jié)果比較接近。如果擬和函數(shù)未能達(dá)到一定的精度要求，可分別提高多項(xiàng)式的階數(shù)并重新進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。

由于載人潛水器的航行運(yùn)動較為復(fù)雜，螺旋槳的動態(tài)特性與潛水器的正航/倒航、推進(jìn)器正車/倒車的狀態(tài)有關(guān)，因此需要建立螺旋槳的四象限敞水特性的動態(tài)模型，進(jìn)一步分析螺旋槳在各種復(fù)雜工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)特性，令相對進(jìn)速比J' 為:

圖5 螺旋槳的系泊轉(zhuǎn)速-推力特性曲線Fig.5 Bollard thrust property of propeller

圖6 螺旋槳的系泊轉(zhuǎn)速-功率特性曲線Fig.6 Bollard power property of propeller

采用n 階切比雪夫多項(xiàng)式對螺旋槳的敞水特性進(jìn)行逼近［7］，則推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)的表達(dá)式如下:

切比雪夫多項(xiàng)式中的Tn(x)在區(qū)間［－1，1］上具有正交性，其有限項(xiàng)擬合結(jié)果是均方誤差最小意義下的最佳逼近，其基本形式為

在實(shí)際應(yīng)用分析中，應(yīng)綜合考慮計(jì)算精度和效率，可取八階的切比雪夫多項(xiàng)式的擬合形式，得到如圖7、8 所示的結(jié)果。

圖7 螺旋槳的四象限推力特性曲線Fig.7 Four quadrant thrust-property curves

圖8 螺旋槳的四象限轉(zhuǎn)矩特性曲線Fig.8 Four quadrant torque-property curves

圖7 和圖8 所示曲線描述了推進(jìn)器在各種工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)特性，上下兩條曲線分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的推力、轉(zhuǎn)矩特性。上面一條曲線的第一象限部分對應(yīng)正航時(shí)用正車狀態(tài)，第二象限部分對應(yīng)為倒航時(shí)拉正車狀態(tài);下面一條曲線在第三象限部分對應(yīng)倒航時(shí)用倒車狀態(tài);第四象限部分對應(yīng)為倒航時(shí)拉倒車狀態(tài)。由螺旋槳的動態(tài)模型計(jì)算所得各種工況下的轉(zhuǎn)矩值，均應(yīng)小于磁力耦合器矩角特性的幅值。

1.4 推進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

推進(jìn)電機(jī)采用三相無刷直流電動機(jī)，下面建立主機(jī)的數(shù)學(xué)模型［8］。

可直接利用無刷直流電機(jī)本身的相變量來建立數(shù)學(xué)模型，假設(shè)氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間呈梯形分布;忽略不計(jì)定子齒槽、磁滯和渦流效應(yīng)的影響;并忽略不計(jì)電樞反應(yīng)對氣隙磁通的影響［9］。三相繞組的電壓平衡方程可表示為:

式中:ua，ub，uc是定子繞組的相電壓;ia，ib，ic是定子繞組的相電流;ea，eb，ec是定子繞組的反電勢;L 是每相繞組的自感;M 是每兩相繞組間的互感;P 是微分算子，即有P = d/dt。

若三相繞組為Y 連接，當(dāng)沒有中線連接時(shí)有ia+ib+ic=0，代入式(9)可得:

故主機(jī)的狀態(tài)方程表示為:

主機(jī)的定子繞組的線間反電勢為:

主機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為:

由上述方程推導(dǎo)可得推進(jìn)電機(jī)動態(tài)模型結(jié)構(gòu)圖，如圖9 所示。因此，無刷推進(jìn)電機(jī)的動態(tài)模型可簡化等效為一個(gè)輸入為端電壓、輸出為轉(zhuǎn)速，并受到螺旋槳轉(zhuǎn)矩干擾的一階系統(tǒng)。

圖9 無刷直流電機(jī)動態(tài)模型框圖Fig.9 Block diagram of dynamic model

圖10 推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.10 Block diagram of velocity closed-loop system

由圖9 的推進(jìn)電機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步求得其傳遞函數(shù)為:

式中:K1為電動勢系數(shù)，K1=1/Ce，Ce為電動勢系數(shù);K2為轉(zhuǎn)矩傳遞函數(shù)，K2=R/(CeCt)，R 為電機(jī)內(nèi)阻，Ct為轉(zhuǎn)矩系數(shù);Tm=RGD2/(375CeCt)為機(jī)電時(shí)間常數(shù)，G 為轉(zhuǎn)子重量，D 為轉(zhuǎn)子直徑，TL為螺旋槳上負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

1.5 推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于采用蓄電池供電，電源電壓Ud隨著儲電量、輸出電流和內(nèi)阻的變化在一定范圍內(nèi)波動，而螺旋槳上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL中也因?yàn)樗鞑痪鶆蛞肓藬_動。為了抑制水流不均勻等因素引起的干擾轉(zhuǎn)矩，減小蓄電池供電造成電壓波動影響，設(shè)計(jì)一種如圖10 所示的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。相對于開環(huán)控制，由于引入了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，減小了穩(wěn)態(tài)誤差，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。

推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖11 所示，推進(jìn)電機(jī)的換相控制器根據(jù)霍爾傳感器提供的位置信號，切換各相繞組的導(dǎo)通邏輯(三相六狀態(tài))，并采用超前角控制以減低電流波動和轉(zhuǎn)矩波動。轉(zhuǎn)速控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速指令和測速模塊估算的實(shí)際轉(zhuǎn)速，通過PID 調(diào)節(jié)器計(jì)算導(dǎo)通相繞組的占空比并產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號，實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速與推力控制。

如圖12 所示，設(shè)計(jì)了一種基于DSP 的推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。該系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成:DSP 及其外圍電路、驅(qū)動隔離電路、智能功率模塊IPM、電流傳感器及其采樣電路、霍爾傳感器電路、系統(tǒng)保護(hù)電路、RS422 通訊電路、輔助電源等，該系統(tǒng)具有過流保護(hù)、欠/過壓保護(hù)、過熱報(bào)警、超速保護(hù)等功能。推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與上位機(jī)之間采用RS422 串口通訊，并設(shè)置了模擬輸入(±5 V)的應(yīng)急通道。

圖11 推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Velocity closed-loop control system of thruster

圖12 推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.12 System structure of the motor controller

2 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證推進(jìn)裝置的可行性和適用性，完成了樣機(jī)的設(shè)計(jì)與制造，樣機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo):電源電壓Us=(260 ± 20%)VDC，額定功率PN= 6.28 kW，額定轉(zhuǎn)速nN= 260 r/min，機(jī)殼耐壓值1.8 MPa，正向最大系泊推力140 kg，反向最大系泊推力100 kg，該推進(jìn)裝置樣機(jī)的實(shí)物如圖13 所示。搭載了該型推進(jìn)裝置的載人潛水器如圖14 所示，在艇體艏部布置了側(cè)向推進(jìn)器一臺、垂向推進(jìn)器兩臺，艉部布置了側(cè)向和垂向推進(jìn)器各一臺、主推進(jìn)器兩臺。

圖13 推進(jìn)裝置的樣機(jī)(槽道)實(shí)物圖Fig.13 Model machine of propulsion device

圖14 載人潛水器和搭載的推進(jìn)裝置Fig.14 Manned submarine and propulsion device

推進(jìn)裝置的試驗(yàn)中，采用直流穩(wěn)壓電源給電力推進(jìn)裝置提供260 V 電源，將推進(jìn)電機(jī)帶槳安裝在試驗(yàn)水筒中，在負(fù)載條件下測試電力推進(jìn)裝置的工作性能。分別給控制器設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速指令:30 r/min、100 r/min、200 r/min、260 r/min，測試推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速并繪制轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，如圖15 所示。

由圖15 所示的試驗(yàn)結(jié)果可得，當(dāng)電源電壓為額定值時(shí)，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，推進(jìn)器的實(shí)際轉(zhuǎn)速始終能夠跟隨給定值，穩(wěn)態(tài)誤差較小;轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線比較平穩(wěn)、無卡滯、振蕩現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制器對負(fù)載轉(zhuǎn)矩的擾動具有較強(qiáng)的抑制能力和良好的魯棒性，推進(jìn)器輸出推力較為平穩(wěn)。

為了驗(yàn)證當(dāng)蓄電池的電壓波動或電力不足條件下推進(jìn)系統(tǒng)的驅(qū)動能力和控制性能，調(diào)節(jié)電源電壓至180 V，測試推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速并繪制轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，如圖16 所示。分析試驗(yàn)結(jié)果可得，推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速未隨著電源電壓的降低而下降，表明推進(jìn)裝置的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制效果良好，驅(qū)動能力穩(wěn)定。在試驗(yàn)過程中，當(dāng)電源電壓為180 V 時(shí)，推進(jìn)器從起動到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間，相對于額定電壓情況延長了約30%。分析控制系統(tǒng)的動態(tài)模型可知，該情況相當(dāng)于減小了閉環(huán)控制系統(tǒng)的增益，因而導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間變長。

水池試驗(yàn)中，通過布置在艇體不同位置的推進(jìn)裝置，較好地實(shí)現(xiàn)了載人潛水器的定深直航、變深潛浮、轉(zhuǎn)向側(cè)移、動力定位等航行運(yùn)動。由于磁力耦合器發(fā)生過載時(shí)自動“打滑”，當(dāng)螺旋槳被異物卡死時(shí)能有效地保護(hù)推進(jìn)電機(jī)，提高了載人潛水器在惡劣工況下的生存能力和安全性。此外與采用開環(huán)控制的推進(jìn)器相比，能夠降低航行控制系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高航行自動控制的快速響應(yīng)能力和控制精度，從而提高了載人潛水器的機(jī)動能力和作業(yè)效率。

圖15 推進(jìn)器轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線(電源電壓260 V)Fig.15 Speed response of thruster (Voltage 260 V)

圖16 推進(jìn)器轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線(電源電壓180 V)Fig.16 Speed response of thruster (Voltage 180 V)

3 結(jié) 語

對水下電力推進(jìn)裝置進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳動特性分析。通過磁力耦合傳動技術(shù)實(shí)現(xiàn)主機(jī)和螺旋槳之間無接觸式傳動，提高了推進(jìn)裝置的可靠性和載人潛水器的生存能力。所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠有效地抑制螺旋槳轉(zhuǎn)速波動，提高推進(jìn)器輸出推力的平穩(wěn)度，當(dāng)蓄電池的電壓波動或電力不足情況下仍能穩(wěn)定工作，確保了潛水器的安全性。水池試驗(yàn)結(jié)果表明，能夠較好地實(shí)現(xiàn)了載人潛水器的各種航行運(yùn)動，有利于提高載人潛水器的機(jī)動能力和作業(yè)效率。

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