對轉魚雷永磁同步推進電機直接轉矩控制系統設計

徐海珠, 謝順依, 連軍強, 王 鼎

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對轉魚雷永磁同步推進電機直接轉矩控制系統設計

徐海珠, 謝順依, 連軍強, 王 鼎

(海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

為了提高魚雷電機的效率和轉矩密度, 介紹了對轉永磁同步電機的結構, 探討了對轉永磁同步電機的直接轉矩控制技術, 推導了對轉永磁同步電機的數學模型, 建立了電機仿真模型, 分析了電機設計原理。為了保持雙轉子的等速, 設計了一種新型對轉永磁同步電機的直接轉矩控制系統, 提出了電機擾動情況下的雙轉子轉速跟隨方案, 并進行了仿真。仿真結果和理論分析吻合, 證明了直接轉矩控制技術可以很好地實現對轉永磁同步電機的調速, 且控制過程簡單, 轉矩響應迅速, 魯棒性強。

魚雷; 對轉永磁同步推進電機; 直接轉矩控制; 轉速跟隨; 擾動

0 引言

水下航行器航行過程中需要穩定姿態, 大多采用對轉螺旋槳推進系統以克服陀螺效應[1]。對轉永磁同步電機[2]比功率大、可靠性高、效率高、成本低、轉矩脈動小、散熱效果好、結構緊湊、可靠性高、無陀螺效應, 可直接驅動對轉螺旋槳推進系統, 成為水下電力推進領域的研究熱點。

1 電機結構和原理

1.1 電機結構

對轉永磁同步電機由1個定子和2個對轉的永磁轉子組成[3], 圖1為對轉永磁同步電機的結構示意圖。如圖1所示, 外轉子的內表面和內轉子的外表面安裝徑向磁化的永磁體, 定子兩側統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, 發熱和端部漏磁也大幅減小[4]。因為內外氣隙都得到利用, 可以得到更高的功率密度。電樞內外2層繞組的相序相反[5], 所以2層電樞各自產生等速而異向旋轉的磁場, 進而在2個轉子上產生等大而反向的電磁轉矩, 直接驅動對轉螺旋槳推進器。

圖1 對轉永磁同步電機結構

對轉永磁同步電機目前還沒有成熟的研究方法, 將其分解為內電機和外電機(定子內側繞組和內轉子構成內電機, 定子外側繞組和外轉子構成外電機)。本文借鑒傳統永磁同步電機研究方法, 先對2個電機分別進行研究, 再通過二者的磁場耦合和結構約束進行集成優化。

1.2 設計原理

根據電機工作原理和數學模型, 可得到內電機和外電機的電磁關系

式中:1和2,1和2,1和2,和,1和2,1和2分別為內外轉子的半徑、磁密、反電勢、磁鏈、電磁功率和轉速;l為電樞的有效長度;為電樞電流。由式(1)和式(2)可知, 當內外轉子的磁密與外徑成反比時, 二者轉矩相等。設計使兩轉子轉動慣量與阻尼系數相等, 可使兩轉子轉速相等。內轉子使用釹鐵硼永磁體以增大氣隙磁密, 外轉子使用鐵氧體永磁體以降低成本。

2 直接轉矩控制技術

直接轉矩控制采用定子磁場定向, 應用空間矢量分析, 維持定子磁鏈幅值恒定, 借助于離散的兩點式調節產生脈寬調制信號, 直接對逆變器的開關狀態進行控制, 調節定子磁鏈的旋轉速度以動態調整轉矩角, 使電機輸出轉矩跟蹤給定轉矩[6]。直接轉矩控制無需矢量控制的對轉子磁場精確定向, 避免了解耦和復雜的坐標變換, 磁鏈的估計僅涉及定子電阻, 轉矩響應迅速、結構簡單、魯棒性強、控制性能優良, 受到了廣泛關注。

借鑒傳統永磁同步電機的數學模型, 在通常假設條件下, 建立對轉永磁同步電機的坐標系下數學模型

式中:U和U,i和i為電機軸電壓和電流;表示對時間的導數;n為電機極對數;L1和L1為內轉子的軸電感;L2和L2為外轉子的軸電感;1和2, ψ1和ψ2為內外電機的轉矩角和定子磁鏈;和,ω1和ω2,1和2, T1和T2,T1和T2,1和2,Fe1和Fe2分別為內外轉子的永磁磁鏈、電角速度、轉動慣量、電磁轉矩、負載轉矩、阻尼系數和鐵耗功率。

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

3 電機模型

根據上文的數學模型, 建立電機的仿真模型, 其中軸的電壓-電流仿真模型如圖2所示。

對2個轉子分別輸入負載轉矩和電磁轉矩, 可探索2個轉子在相同條件和不同條件下電機的特性, 電機的機械模型如圖3所示。

圖2 電氣模型(q軸)

圖3 機械模型

4 控制系統

4.1 控制過程

對轉永磁同步電機直接轉矩控制系統(見圖4)的控制過程: 檢測逆變器的直流母線電壓和電機的兩相電流, 計算出電機反電勢, 積分以估計定子磁鏈; 根據估計的磁鏈和實測電流來計算電機的瞬時轉矩; 根據定子磁鏈來判別其位置; 電機實際轉速與給定速度比較后, 經調節器輸出轉矩給定, 與瞬時轉矩相比較, 經滯環比較器產生轉矩控制狀態量; 定子磁鏈給定值與實際值比較后經滯環比較器也產生磁鏈控制狀態量。根據3個控制信號,和來綜合查詢電壓空間矢量表, 輸出逆變器驅動控制信號, 選取電壓矢量, 既保證每個劃分扇區中轉矩的最大變化, 又保證定子磁鏈在一定范圍內其平均值基本不變。

4.2 控制策略

當電機受到擾動時, 2個轉子的轉速不再相等, 難以進行控制。但對轉永磁同步電機中, 內外電機的電樞電路串聯, 僅需要對定子電流進行控制, 就可以完成雙轉子的轉速和轉矩調節。本系統采用轉矩、磁鏈雙閉環控制, 分別計算內外轉子的轉矩, 對轉矩變化較大者進行調節, 便于穩定轉速, 減小脈動。系統采用外轉子轉速計算參考轉矩, 并使用參考磁鏈來調節外轉子磁鏈, 可以讓內轉子轉速跟隨外轉子轉速。對內外轉子轉矩變化較大者進行調節, 并使內轉子轉速跟隨外轉子轉速, 可以保證電機擾動后2個轉子轉速迅速恢復相等。

圖4 對轉永磁同步電機直接轉矩控制系統

4.3 開關電壓表

轉矩角的變化量為

由式(6)可知, 轉矩角的變化量為定子磁鏈位置增量與轉子磁鏈旋轉角之差。由于定子磁鏈由電壓空間矢量驅動, 其時間常數遠小于轉子機械時間常數[7], 故可忽略轉子位置變化。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, 并改變電機的轉矩。

根據所選運動矢量和零矢量的不同, 永磁同步電機開關表中的轉矩可處于增加、保持和減小3種狀態(對應為1,0,－1), 當實際轉矩與給定轉矩誤差在給定誤差環寬范圍內時, 選用零矢量以保持轉矩輸出, 減少逆變器開關次數和轉矩脈動, 磁鏈和電壓控制規律如式(7)、式(8)和表1所示。

表1 電壓矢量開關表

5 仿真結果及分析

系統參數如下: 極對數為6, 額定功率為15 kW, 兩轉子的額定轉速均為1000r/min, 電阻0.05Ω, 內外電機的交、直軸電感均為0.35 mH, 粘滯系數和轉動慣量均為0.065 N·m·s和0.75 kg·m2。仿真時間0.6s, 在0.1s時設置兩轉子負載為[8,14] N·m, 模擬電機擾動。在0.2s時負載突降為[3,5] N·m, 0.4s時負載驟增為[20,20] N·m, 得到電機轉速、轉矩響應。

電機轉矩響應如圖5所示, 啟動后轉矩較大, 因擾動0.1s時轉矩在12N·m附近震蕩, 0.2s負載突降后很快穩定在3 N·m, 0.6 s負載驟增后又迅速穩定到20 N·m。

圖5 轉矩響應曲線

圖6為電機兩轉子的轉速曲線, 0.1 s時, 由于電機擾動, 兩轉子負載產生差異, 轉速差別逐漸增大, 但在相同的參考轉速和內外轉子轉速跟隨的條件下, 經過0.05 s, 兩轉子轉速差異越來越小, 最終趨于相等, 轉速差值曲線如圖7。

圖6 轉速響應曲線

圖7 轉速差值響應曲線

6 結束語

根據對轉永磁同步電機的工作原理建立了電機的仿真模型, 提出了該種電機直接轉矩控制方案, 設計了電機擾動情況下的雙轉子轉速跟隨技術。仿真結果證明, 直接轉矩控制技術可以很好地實現對轉永磁同步電機的調速, 并解決雙轉子的轉速跟隨問題, 而且系統結構簡單、轉矩響應迅速、魯棒性強, 有廣闊的應用前景。

[1] 潘光, 肖志勇, 黃明明. 對轉螺旋槳設計參數優化[J]. 魚雷技術, 2010, 18(1): 5-10. Pan Guang, Xiao Zhi-yong, Huang Ming-ming. Parameters Optimization of Contra-Rotating Propeller Design[J]. Torpe- do Technology, 2010, 18(1): 5-10.

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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.

國防科技預先研究項目資助(101010601202).

徐海珠(1983-), 男, 在讀博士, 主要研究方向為水下電力推進與電機控制.

(責任編輯: 陳 曦)