劉亞兵, 李 譯, 王海清， 王元奎, 王小雷, 段凱源

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所昆明分部, 昆明 650101;2.中國民航大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 天津 300300；3.海裝駐昆明地區(qū)第二軍事代表室，昆明650101)

0 引 言

無人水下航行器(以下簡稱UUV)作為一種水下無人作戰(zhàn)平臺,近年來在世界范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展[1]。無論是美軍的MANTA、海神,或是德國的Orca,其顯著特點就是電動力推進(jìn)、噪聲小、 航速低、推進(jìn)效率高[2-4]。大型UUV的提出始于2004年發(fā)布的《美海軍UUV總體規(guī)劃》[5]，該規(guī)劃依據(jù)載體平臺的直徑、排水量、載荷等指標(biāo)將UUV劃分為便攜式、輕型、重型及大型4類。美海軍更是陸續(xù)出臺相關(guān)指引性文件，強(qiáng)調(diào)加快大型UUV的研發(fā)，并接連提出MANTA、水螅項目及爪子等大型UUV的需求。與此同時，西方傳統(tǒng)軍事強(qiáng)國如英、德、法等國家也在開展大型UUV的研制[6]。因體積容積巨大，大型UUV可攜帶多種任務(wù)載荷，實施多樣化任務(wù)，已成為水下裝備發(fā)展的重要方向。

作為低航速的水下無人裝備，大型UUV通常采用電動力推進(jìn)，低速、大扭矩是其推進(jìn)電機(jī)的特征之一。將永磁同步電機(jī)(以下簡稱PMSM)作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)是當(dāng)前國外先進(jìn)UUV普遍采用的方案,相較于無刷直流電動機(jī),PMSM在低速性能、噪聲特性、轉(zhuǎn)矩脈動等方面均表現(xiàn)出色。本文將針對大型UUV用低速大扭矩永磁同步電機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行研究。

1 磁場定向控制策略

無刷直流電動機(jī)的三相驅(qū)動電流為方波，由于采用120°兩兩導(dǎo)通方式，功率器件的輪序?qū)▽⑹沟秒姍C(jī)相電流在換相點出現(xiàn)“凹陷”，引起轉(zhuǎn)矩脈動的同時也增大了電磁噪聲。與無刷直流電動機(jī)不同的是，驅(qū)動PMSM運行的三相電流為平滑的正弦波，采用磁場定向矢量控制技術(shù)。對電機(jī)的控制實質(zhì)上都是對其電磁轉(zhuǎn)矩的控制，為簡化分析,建立PMSM數(shù)學(xué)模型時,通常作如下假設(shè)：忽略磁飽和效應(yīng)、鐵損及磁滯影響,感應(yīng)電動勢為理想正弦波,在同步旋轉(zhuǎn)d，q坐標(biāo)系中,PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩方程[5]：

(1)

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；p為轉(zhuǎn)子極對數(shù)；ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈；id,iq為直軸、交軸定子電流；Ld,Lq為直軸、交軸電感。對PMSM轉(zhuǎn)矩的控制實質(zhì)上就是對定子電流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中d軸及q軸上的分量id,iq的控制。

圖1為PMSM定子電流iS在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的矢量圖,id,iq與iS滿足式(2)所示關(guān)系：

圖1 定子電流矢量圖

(2)

對于表貼式PMSM而言，直軸電感與交軸電感接近，實現(xiàn)對定子電流矢量在交軸分量的控制就能實現(xiàn)對電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制,這就是矢量控制的原理。因此,實時獲取定子電流幅值大小及轉(zhuǎn)子位置就成了磁場定向控制的關(guān)鍵所在。

圖2為磁場定向控制原理框圖。定子電流ia,ib為電機(jī)任意兩相相電流，由霍爾型電流傳感器實時測得，轉(zhuǎn)子位置θ由旋轉(zhuǎn)變壓器(以下簡稱RVDT)實時測得，令idRef=0，通過內(nèi)環(huán)PI控制器實時控制id,iq，外環(huán)PI控制器實時控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速及電流的雙閉環(huán)控制。

圖2 磁場定向控制技術(shù)框圖

2 改進(jìn)型控制策略

本文分析了針對PMSM的傳統(tǒng)磁場定向控制技術(shù)原理，采用PI控制器，將電機(jī)實時轉(zhuǎn)速及相電流作為各自控制器的反饋變量。電機(jī)轉(zhuǎn)速是根據(jù)RVDT旋轉(zhuǎn)的角度間接計算而來，若計算出的實時轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速偏差較大，那么速度PI控制器將產(chǎn)生非正常的iq給定值，進(jìn)而引起電流環(huán)PI控制器失調(diào)，使得系統(tǒng)振蕩，嚴(yán)重時會損壞組部件；而電機(jī)相電流是呈正弦周期變化的變量，并易受外界電磁環(huán)境干擾，傳統(tǒng)控制策略中將相電流的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果直接參與Clarke變換，且兩個電流環(huán)的輸出結(jié)果互不耦合，極易引起PI控制器失效。針對以上缺陷，下面介紹改進(jìn)型控制策略。

2.1 轉(zhuǎn)速濾波控制

準(zhǔn)確的速度計算不僅影響電機(jī)速度輸出,而且對電流環(huán)的控制也起到了決定性作用,特別是在低速應(yīng)用場合,良好的速度控制策略至關(guān)重要。在系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)子位置信號依靠RVDT獲取,RVDT輸出的是角度信息θ(t),那么單位時間內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度即是轉(zhuǎn)速:

她知道顧盼愛她，從認(rèn)識她到現(xiàn)在，已經(jīng)愛了兩年。憑良心講，他也算才貌出眾，雖然職業(yè)危險了點，較她卻也不相伯仲?？僧吘挂粋€兵一個賊，不該走一條路，更不能上一條船。

(3)

離散化表達(dá)式：

ω(k)=K1[θ(k)-θ(k-1)]

(4)

根據(jù)式(4)即可計算出電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速,但由于高頻噪聲的存在,計算得到的實時轉(zhuǎn)速值存在較大波動,如果速度PI控制器直接將此不真實的值納入反饋量,將引起系統(tǒng)失控。因此,引入低通濾波器來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確計算。即：

(5)

式中：ω(t)*為濾波后的轉(zhuǎn)速；τ為時間常數(shù)。

式(5)的微分形式：

(6)

離散化后如下式：

(7)

整理得:

ω(k)*=K2ω(k-1)*+K3ω(k)

(8)

2.2 電流耦合控制

圖3 交叉耦合控制原理圖

定子電壓值ud,uq滿足如下關(guān)系：

(9)

式中：ud0,uq0為傳統(tǒng)PI控制器的輸出值；Ed,Eq為d軸，q軸的電流誤差值；Cd,Cq為耦合控制器。

2.3 負(fù)id弱磁控制

電機(jī)受逆變器控制時，定子電流iS受逆變器輸出能力限制，滿足如下方程：

(10)

同時逆變器輸出電壓也受直流母線電壓限制，滿足如下方程：

(11)

不考慮定子電阻的影響，式(11)換成另外一種表達(dá)形式：

(12)

即：

(13)

以(id,iq)為變量，在同一坐標(biāo)系中將式(10)與式(13)用曲線形式表達(dá)，如圖4所示。圓形為電流限制圓，橢圓形為電壓限制圓，電機(jī)運行時id,iq將一直受此電流限制圓和電壓限制圓的限制。在電機(jī)負(fù)載較小時，電流及電壓均未達(dá)到限制邊緣，運行在圖中的A點，隨著轉(zhuǎn)速升高，逐漸到達(dá)B點，在此之前，均采用id=0控制模式。達(dá)到B點后，繼續(xù)增大負(fù)載，由于電壓限制，電流將只能沿著電壓限制圓向左移動，如圖中的P點所示，此時，id已經(jīng)變成負(fù)值，即所謂的弱磁控制；若繼續(xù)增大負(fù)載，運行軌跡將最終到達(dá)Q點，即兩個限制圓的交點。

圖4 電機(jī)運行過程電壓及電流軌跡

UUV采用電池供電，逆變器母線電壓將逐漸降低，隨著負(fù)載的增大，ud和uq將達(dá)到飽和，如圖4中的虛線橢圓所示，此時應(yīng)采用負(fù)id控制進(jìn)入弱磁區(qū)并增大弱磁角度。

3 實驗研究

為驗證本文所述的改進(jìn)型控制策略，進(jìn)行了實驗測試，實驗電機(jī)的部分參數(shù)如表1所示。

表1 實驗電機(jī)部分參數(shù)

圖5為逆變器未與電機(jī)連接時，逆變器三相輸出電壓波形。圖6為未改進(jìn)控制策略下的電機(jī)相電流波形，圖7為改進(jìn)后的相電流波形。傳統(tǒng)的控制策略在電池電壓較低時，PI調(diào)節(jié)器達(dá)到飽和，導(dǎo)致d軸電流出現(xiàn)振蕩，采用弱磁策略之后，可對電流進(jìn)行更好的跟蹤。

圖5 逆變器輸出電壓波形

圖6 未改進(jìn)控制策略下的相電流波形

圖7 改進(jìn)控制策略下的相電流波形

4 結(jié) 語

大型UUV已成為世界各海洋強(qiáng)國大力發(fā)展的水下無人裝備之一，本文針對大型UUV所用的低速大扭矩電機(jī)進(jìn)行應(yīng)用分析，對當(dāng)下應(yīng)用廣泛、性能優(yōu)異的PMSM進(jìn)行了控制策略研究，在傳統(tǒng)磁場定向控制技術(shù)基礎(chǔ)上，運用轉(zhuǎn)速濾波控制技術(shù)、電流交叉耦合控制技術(shù)及負(fù)id弱磁控制技術(shù)，提高了電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度，增強(qiáng)了電流環(huán)PI控制器魯棒性，解決了電池供電后期電壓不足而引起的電壓飽和問題，最后通過實驗驗證了改進(jìn)控制策略的可行性。