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某種永磁同步發(fā)電機直接轉矩控制系統(tǒng)設計

2016-01-28 05:11:42張進超郝永平張令濤
機械與電子 2015年7期
關鍵詞:風洞試驗

張進超,王 玲,郝永平,張令濤

(沈陽理工大學兵器科學研究中心,遼寧 沈陽 110159)

A Permanent Magnet Synchronous Generator Direct Torque Control System Design

ZHANG Jinchao,WANG Ling,HAO Yongping,ZHANG Lingtao

(Center for Ordnance Science and Technology Research,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

某種永磁同步發(fā)電機直接轉矩控制系統(tǒng)設計

張進超,王玲,郝永平,張令濤

(沈陽理工大學兵器科學研究中心,遼寧 沈陽 110159)

A Permanent Magnet Synchronous Generator Direct Torque Control System Design

ZHANG Jinchao,WANG Ling,HAO Yongping,ZHANG Lingtao

(Center for Ordnance Science and Technology Research,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

摘要:依據(jù)二維彈道修正原理,提出修正舵機中永磁同步發(fā)電機直接轉矩控制方法,針對d-q坐標系下的永磁同步電機模型,研究了永磁同步電機直接轉矩控制方案。結果表明,修正舵機中發(fā)電機直接轉矩控制系統(tǒng)輸出轉矩能夠達到高速旋轉彈的修正效果。

關鍵詞:修正舵機;彈道修正;永磁同步發(fā)電機;電磁轉矩;風洞試驗

中圖分類號:TJ765.2

文獻標識碼:A

文章編號:1001-2257(2015)07-0034-04

收稿日期:2015-04-27

基金項目:國家863計劃資助項目(2009AA04Z167)

作者簡介:張進超(1989-),男,河北邯鄲人,碩士研究生,研究方向為現(xiàn)代控制技術與應用。

Abstract:Based on two-dimensional trajectory correction principle, a revised steering gear method of direct torque control of permanent magnet synchronous generator is proposed. For a permanent magnet synchronous motor model of d - q coordinates, a permanent magnet synchronous motor direct torque control scheme is studied. The results showed that corrected steering gear direct torque control system of the generator output torque can achieve high speed rotating projectile correction.

Key words:revised steering gear;ballistic correction;permanent magnet synchronous generator;electromagnetic torque;wind tunnel tests

0引言

二維彈道修正是指對彈丸橫向和縱向兩個方向均進行修正,主要以橫向修正為主,通過改變俯仰力矩和偏航力矩來控制彈丸飛向目標[1]。高速旋轉穩(wěn)定彈通過安裝修正舵機來實現(xiàn)彈道修正的目地,舵機系統(tǒng)中采用永磁同步發(fā)電機為轉矩輸出裝置,直接作用于修正舵片,彈載計算機解算出修正量的大小和方向進行有限次的不連續(xù)的動作從而實現(xiàn)對彈丸在縱向和橫向上的修正[2]。

修正舵機的設計充分利用了高速旋轉彈彈體高速旋轉的前提,彈體同永磁同步發(fā)電機的外轉子固定連接,修正舵片同發(fā)電機定子固定連接。彈體的旋轉力矩為永磁同步發(fā)電機提供機械能,進而產生電磁轉矩帶動修正舵片轉動,當電磁轉矩同風阻力矩達到平衡時舵片停止在某一角度,實現(xiàn)修正彈道的目標。永磁同步發(fā)電機(PMSG),因為省去了勵磁繞組、磁極鐵心和電刷-集電環(huán)結構,結構簡單緊湊,可靠性高,能夠在高轉速下正常工作[3-4]。

1永磁同步發(fā)電機直接轉矩控制理論

直接轉矩控制摒棄了解耦的思想,取消了旋轉坐標變換,通過檢測電機定子電壓和電流,借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈與轉矩,并根據(jù)與給定值比較所得差值,實現(xiàn)磁鏈與轉矩的直接控制[5]。

在建立永磁同步發(fā)電機的數(shù)學模型前,且在滿足精度的情況下通常做以下假設:忽略電機繞組漏感;轉子上沒有阻尼繞組;忽略鐵心飽和,認為磁路線性,電感參數(shù)不變;永磁材料的電導率為零;不計渦流和磁滯損耗;定子電樞繞組中感應電勢波形為正弦[4]。永磁同步發(fā)電機的運動方程為:

(1)

Te為電磁轉矩;TL為負載轉矩;J為轉動慣量;ωm為機械角速度;B為粘帶摩擦系數(shù)。由于直接轉矩控制主要是在兩相靜止坐標系下完成的,故同空間矢量坐標變換,建立永磁同步發(fā)電機d-q坐標系下的數(shù)學模型,在不計飽和的情況下發(fā)電機的相量如圖1所示。

圖1 永磁同步發(fā)電機的坐標變換相量圖

圖1中,a-b-c為三相靜止坐標系;α-β為兩相靜止坐標系;d-q為轉子轉速ωr旋轉坐標系,d軸指向轉子永磁體磁鏈ψf方向;θr為轉子永磁體磁鏈相對定子a相繞組α軸的空間位置, 為定子磁鏈相對定子a相繞組α軸的空間位置角;δ為定子磁鏈矢量ψs相對于轉子磁鏈ψf的空間位置角[4-6]。

將三相靜止坐標系變換到d-q兩相靜止坐標系,PMSG的電流、磁鏈方程為:

(2)

(3)

iA,iB,iC為發(fā)電機三相電流;id,iq分別為定子電流矢量的d-q軸分量;ψd,ψq分別為定子磁鏈的d-q軸分量;Ld,Lq為定子繞組的d-q軸電感分量;Rs為定子電阻;ψf為基波磁通Φ0的磁鏈。電磁轉矩Te在旋轉d-q坐標系下的表達式為:

(4)

P為極對數(shù)。

系統(tǒng)采用id=0控制方式,即定子直軸電流為零,因而消除了永磁體的去磁現(xiàn)象或飽和現(xiàn)象[6]。電磁轉矩Te為:

(5)

因為對于永磁同步發(fā)電機來說基波磁通Φ0的磁鏈ψf為定值,當控制PMSG功率因數(shù)為常數(shù)時,在d-q軸系下發(fā)電機的電磁轉矩Te只隨著定子電流的轉矩電流分量iq成線性關系。故此,可以通過控制iq達到調節(jié)發(fā)電機電磁轉矩的目的,本系統(tǒng)采用電樞回路串聯(lián)電阻的方式調節(jié)發(fā)電機的電磁轉矩。

2模擬轉臺的控制系統(tǒng)設計

通過多次風洞試驗得到修正機構舵片所受空氣阻力距的數(shù)據(jù)信息,并根據(jù)風洞試驗的結果搭建起了地面模擬轉臺,如圖2所示。

圖2 實驗裝置實物

模擬轉臺頂部運用一個直流電機和阻尼裝置產生動態(tài)阻力矩(當電機的轉速不同時,阻尼裝置產生的阻尼力矩也不同),模擬了彈丸在飛行過程中修正舵機的受力狀態(tài)(以下稱為模擬舵機);中部采用增量式光電編碼器對模擬舵機的轉速和位置信息進行實時檢測,并把電機的位置檢測信息反饋到試驗臺的控制系統(tǒng)構成速度環(huán)控制;最下方利用高速電動機模擬飛行過程中高速旋轉的彈體,帶動永磁發(fā)電機為舵機系統(tǒng)的修正提供動力??刂葡到y(tǒng)根據(jù)事先規(guī)定好的控制方案和編碼器測定參數(shù),通過不斷地調整外接電路的阻值,實現(xiàn)對模擬舵機的轉速、定位停止和角度調整的控制[2,7]。

永磁同步發(fā)電機結構采用4對極24槽的結構。定子同十字型舵片固定連接,轉子同旋轉彈體連接,彈體在全彈道處于高旋轉狀態(tài),產生使定子與轉子可以相對旋轉轉矩,通過控制該力矩的大小來平衡舵片所受風阻力矩的作用,達到舵機系統(tǒng)的減旋和修正作用。

當串接電阻最大時,力矩較小,此時模擬風阻力矩比發(fā)電機輸出力矩大,模擬舵機相對發(fā)電機反向高速旋轉[8-9]。為了實現(xiàn)模擬舵機從高速旋轉到低轉速穩(wěn)定狀態(tài),并且在預定位置停止轉動的過程,編碼器將檢測到的實際參數(shù)反饋到控制系統(tǒng)與預設參數(shù)進行比較,然后由單片機發(fā)出控制指令,通過改變串聯(lián)電阻的阻值,調整電樞回路電流,直到達到預設轉速并保持穩(wěn)定旋轉,然后進行下一步的定位動作。其操作流程如圖3所示。

圖3 控制程序流程

3實驗結果分析

3.1 電樞回路串接電阻值同電磁轉矩的關系

通過修正彈在全彈道飛行下進行的風洞實驗,測得修正舵片所受風阻力矩最大值為0.612 N·m,即永磁同步發(fā)電機輸出轉矩必須大于風阻力矩才能達到修正的效果。把實驗電機三相進行串聯(lián)短接測量不同轉速下發(fā)電機的最大輸出轉矩,結果如表1所示。

從表1可知,當外轉子的轉速轉到6 000 r/min的條件下發(fā)電機的最大輸出轉矩為0.658 7 N·m,設計的永磁發(fā)電機已經(jīng)達到修正要求。

表1不同轉速下的永磁發(fā)電機的最大控制轉矩

轉速(r/min)最大輸出轉矩T/(N·m)轉速/(r/min)最大輸出轉矩T/(N·m)45000.352360000.658750000.451265000.713255000.549870000.8348

高速旋轉彈彈體轉速可達12 000 r/min,隨著轉子轉速的不斷提高永磁發(fā)電機的最大輸出轉矩也在不斷的增大。為了驗證發(fā)電機輸出小轉矩同樣能達到修正的效果,實驗采用原動機6 000 r/min條件下,進行永磁同步發(fā)電機的直接轉矩控制實驗。串接電阻與電磁轉矩之間的關系,如表2所示。

表2電阻與電磁力矩的關系

電阻/Ω力矩/(N·m)電阻/Ω力矩/(N·m)電阻/Ω力矩/(N·m)10.20.36757.40.45354.60.54539.80.379170.46114.20.55459.40.38226.60.47213.80.576290.39446.20.48133.40.58568.60.40175.80.492030.60628.20.42325.40.51182.30.61707.80.434450.53321.70.6265

從表2數(shù)據(jù)可以看出,當外接電阻值越小時,電樞回路電流分量iq越大,使得永磁同步發(fā)電機的輸出轉矩越大。說明電樞回路串接電阻實現(xiàn)了永磁同步發(fā)電機的直接轉矩控制。利用Matlab將其以方程和曲線的形式表示,如圖4所示。

圖4 電磁力矩隨電阻阻值的變化曲線

其擬合表達式為:

y=0.000 310 13x3-0.005 324 9x2-

0.006 038 2x+0.655 1

(6)

3.2 控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

外圍控制電路采用8個并聯(lián)的不同阻值電阻構成,根據(jù)編碼器反饋的位置檢測信息來調整串接電阻值。不同的并聯(lián)之路的接通來實現(xiàn)若干電阻的并聯(lián),從而可以形成多組電阻值的組合。另外采用電阻并聯(lián)的方式,在一定程度上減小了每一個電阻上的功率,防止電阻過熱而燒壞電阻。改變電樞回路的電阻值,達到控制iq的目的,實現(xiàn)了永磁同步發(fā)電機的直接轉矩控制,進而實現(xiàn)了高速旋轉彈丸的修正作用。

4結束語

提出一種用于彈道修正彈舵機系統(tǒng)中永磁同步發(fā)電機的直接轉矩控制系統(tǒng),實現(xiàn)了修正舵機的減旋和停止角度的控制。通過理論分析和平臺實驗的驗證,所設計的永磁同步發(fā)電機直接轉矩控制系統(tǒng)能夠達到修正彈的基本要求。結果表明該控制方法人為機械特性好,并能夠達到相應的控制準確性,良好的快速性和穩(wěn)定性,為后續(xù)的彈道修正的進一步研究提供了很好的參考依據(jù)。

參考文獻:

[1]周中華.二維彈道修正裝置設計[D].南京:南京理工大學,2006.

[2]李新福,陳柏寧,郝永平,等.彈道修正執(zhí)行機構中電機的控制方法研究[J].成組技術與生產現(xiàn)代化,2014,31(3):36-40.

[3]William J.Larkin,Mitch homas.Atmospheric flignt of a variable-bend body[J].Younal of Guidance and control,1979,2(5):382-387.

[4]王秀和,李光友,楊玉波.永磁電機[M].北京:中國電力出版社,2010.

[5]萬中奇.永磁同步發(fā)電機預測直接轉矩控制策略研究[D].浙江:浙江大學,2013.

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[7]鄧星鐘.機電傳動控制[M].武漢:華中科技大學出版社,2006.

[8]Huynh C,Hawkins L,Farahani A.Design and development of a 2 MW high speed permanent magnet alternator for shipboard application[J].Naval Engineers Journal,2005,117(4):23-29.

[9]辜承林,陳喬夫,熊永前.電機學[M].武漢:華中科技大學出版社,2005.

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