側掃聲吶永磁同步電機伺服系統滑模變結構矢量控制

吳晏辰, 王英民

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安 710072)

側掃聲吶已廣泛應用于海底測繪、勘測、施工、障礙物和沉積物探測等[1-2]，依據換能器陣安裝位置的不同，側掃聲吶可分為船載式和拖曳體裝載式[3]。在拖曳體裝載式側掃聲吶測量過程中，要求在海水深度及海底地形變化的情況下，將聲吶與海底間的距離控制在一定范圍內。為了達到這一目的，伺服系統便成為了側掃聲吶測量中的必要設備，它可以通過收放側掃鎧裝纜按需求調節聲吶與海底間的距離[4]。伺服系統可由液壓部件或電機驅動[5-6]，但液壓驅動存在無效能量轉換、能源利用率較低、復雜度較高等缺陷，鑒于此，電驅動系統越來越多的被用于纜繩的收放控制[7]。有多種電機可用于伺服驅動[8-9]，其中，永磁同步電機具有結構簡單、控制靈活、體積小、重量輕、效率和功率因數高等突出優點，在伺服領域具有良好的應用前景[10]。本文針對側掃聲吶高度控制應用，設計了一個永磁同步電機伺服系統，并對其控制技術進行了研究，在最大轉矩電流比(MTPA)矢量控制方法基礎之上，提出了滑模變結構(SMVS)矢量控制方法，效提高了系統的效率、動態性能以及魯棒性。

1 PMSM伺服系統

所設計的側掃聲吶用永磁同步電機伺服系統總體結構如圖1所示，永磁同步電機與輪盤相連，通過控制電機轉速及轉動方向，實現盤繞在輪盤上的鎧裝纜的收放，進而達到調節聲吶到海底距離的目的。

圖1 側掃聲吶用PMSM伺服系統總體結構框圖

永磁同步電機是依據功率、轉速、效率等指標要求，通過場路耦合方法設計的，主要包括指標分析、總體結構分析、材料選取、鐵芯尺寸計算、繞組設計、性能優化等。關鍵在于電磁負荷的選取、電氣損耗的合理分配、氣隙磁密校核以及繞組形式的確定。圖2給出了所設計準表貼式永磁同步電機的截面圖，相比于內嵌式結構，它具有結構簡單，電氣時間常數小，加工周期短、費用低等優點，而相比于完全表貼式結構，它能夠利用磁阻轉矩，輸出較高的轉矩。

圖2 所設計準表貼式永磁同步電機截面圖

永磁同步電機驅動器的功率主電路采用電壓源型絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)三相全橋逆變器，其拓撲結構如圖3所示。

圖3 永磁同步電機驅動器主功率電路拓撲

IGBT的驅動電路必須具備如下2個功能：

1) 實現控制電路與被驅動IGBT柵極間的電隔離；

2) 提供合適的柵極驅動脈沖。

此外，驅動電路的設計還需考慮靈活性、擴展性、性價比等因素。分立式驅動電路簡單、成本低廉，但其集成度低，復雜度高，易受干擾且保護不夠完善，而模塊化驅動集成度高，抗干擾能力強且保護全面，故本文所設計系統采用了模塊化的IGBT驅動。

為了控制關斷浪涌電壓和續流二極管回復浪涌電壓并減小關斷損耗，需要設計IGBT的緩沖電路。常用的緩沖電路主要分為C型、RC型和RCD型，在本文所設計系統中，由于輸出電流較大，且受到驅動器體積限制，選擇基于聚丙烯電容的C型吸收電路，它具有損耗低、高頻特性好且體積較小等特點。

本文所設計永磁同步電機伺服系統的控制器主體由DSP和CPLD構成，其原理框圖如圖4所示。圖中，母線電壓、母線電流、電機溫度等模擬信號經信號調理電路后，送至DSP的片內A/D進行模數轉換，相電流經信號調理電路調理后，送至片外A/D轉換芯片進行模數轉換，而后送至CPLD，再由CPLD傳送至DSP；本系統采用旋變解碼芯片來檢測電機轉子位置，由解碼芯片為旋轉變壓器提供激勵信號，并對旋變反饋的位置和速度信號進行解碼，數據送至CPLD；電壓、電流、溫度、故障等信息由DSP通過RS422接口傳送給上位機；故障報警等外部中斷信號送給DSP外部中斷擴展口，供DSP作相應的處理；增強型PWM模塊通過矢量控制輸出PWM波，經CPLD邏輯綜合后送給功率驅動模塊來控制功率橋。

圖4 永磁同步電機控制器原理框圖

除上述電機和硬件電路外，還針對聲吶伺服控制的具體工況，計算了驅動器及控制器的損耗，并基于集中參數熱網絡方法，對散熱系統進行了設計，最終采用了冷板配合強迫風冷的冷卻方式。

2 MTPA矢量控制

永磁同步電機驅動系統具有非線性、多變量和強耦合的特點，增加了控制難度，常見控制方法包括矢量控制、直接轉矩控制等。矢量控制的基本思想源于對他勵直流電機的模擬，其目的在于通過對交直軸電流的控制，改善電機輸出轉矩的性能。圖5為傳統永磁同步電機矢量控制系統原理框圖。

圖5 傳統永磁同步電機矢量控制系統原理框圖

式中，ψf為永磁體磁鏈。

由(1)式可求得id的表達式：

2(Ld-Lq)(2)

(2)式便是進行永磁同步電機最大轉矩/電流控制時id參考值的計算依據。

3 SMVS矢量控制

基于永磁同步電機的側掃聲吶伺服系統具有多變量、強耦合及參數時變等特點，存在較多的內、外部干擾。比如：拖曳體施加給電機的負載會隨著作業工況發生變化，可視為外部干擾；電機運行時，定子繞組電阻值會隨著溫度發生變化，可視為內部參數擾動，這些干擾會在很大程度上影響系統的性能。鑒于此，有必要引入一種魯棒控制方法。

滑模變結構(SMVS)控制本質上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現為控制的不連續性。該控制策略的特點在于其控制“結構”并不固定，而是依據系統當前的狀態，如偏差及其各階導數等，有目的地不斷變化，迫使系統按照預定的“滑動模態”軌跡運動。該控制方法與被控對象參數及擾動無關，具有快速響應、對參數變化及擾動不敏感、無需在線辨識、物理實現簡單等優點。本文將滑模變結構控制與矢量控制相結合，以增加伺服系統運行的魯棒性，提高其性能。

2〗1=x2=-ω′r

式中，Pn為極對數，J為系統旋轉部分的轉動慣量。選取線性滑模面s

s(x)=cx1+x2(4)

式中，c為常數。

采用比例切換控制：

u(t)=Ax1+Bx2(5)

由可達性條件ss′<0可推導出(5)式中的系數A,B。為了削弱滑?？刂频亩墩?，可以在轉速控制器中加入積分環節，將由滑模變結構控制器輸出的開關信號轉換成平均轉矩指令信號。

在上述分析基礎之上，圖6給出了本文所設計的側掃聲吶伺服用永磁同步電機矢量控制系統原理框圖，相比于圖5所示傳統矢量控制系統，主要改進在于：

1) 利用MPTA計算直軸電流參考值，提高系統功率因數及動態性能；

2) 利用SMVS計算交軸電流參考值，提高系統魯棒性。

為了驗證所提出控制方法的性能，對伺服系統進行了建模仿真，圖7給出了SMVS矢量控制下側掃聲吶永磁同步電機伺服系統的仿真結果。

圖6 本文所設計的永磁同步電機矢量控制系統原理框圖

圖7 SMVS矢量控制下側掃聲吶伺服系統仿真結果

由圖可見，電機具有良好的動穩態性能，轉速能夠快速達到預設速度800 r/min，而聲吶與海底間的距離逐漸增加，最后很好地控制在所需的25 m，整個過程無超調，且穩態誤差很小。需要說明的是，由于電機轉速在0.3 s即達到穩定，且波動非常小，所以聲吶高度近似線性增加，直至6 s后達到所需值，電機停止運行。此外，仿真過程中，在負載轉矩上疊加了一定幅值的隨機擾動，以模擬聲吶伺服控制的實際工況，良好的調速性能表明，系統具有很好的魯棒性，從而驗證了SMVS矢量控制方法的有效性。

4 結 論

本文充分將永磁同步電機用于側掃聲吶的伺服控制，通過控制電機的旋轉速度和轉向，調節拖體距離海底的高度。設計了準表貼式永磁同步電機，給出了驅動器及控制器的拓撲及原理框圖。對矢量控制方法進行了改進。采用最大轉矩/電流控制策略，提高系統的功率因數及動態性能，在此基礎之上，利用滑模變結構控制技術改造轉速環，以提高系統抗內外部擾動的能力。仿真結果表明，所設計側掃聲吶永磁同步電機伺服系統具有良好的動穩態性能和魯棒性。

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