张林森，谢顺依，  曾双贵，胡平，石能胜。

　　(1海军工程大学兵器工程系，湖北武汉430033；2海军92474部队，海南三亚572018；3海军92962部队，广东广州51 000c摘要：在分析水下自主航行器(uuV)推进用永磁对转无刷直流电机数学模型的基础上，利用V一一llAB／s-mulink软件建立了永磁对转无刷直流电机控制系统的仿真模型，从电机本体和控制系统两方面详三三{述了模型的实现过程。仿真结果与理论分析一致，验证了该系统模型的有效性，并为进一步研究电机控制策略和优化电机参数提供r仿真平台。

关键词：无刷直流电机；水下自主航行器；对转电机中图分类号：TM 301 3  文献标志码：A文章编号：1673—6540(2010)08_o()(]1-05

O  引  言

   对转电机以其特殊的双转子结构在舰船、鱼雷、水下自主航行器(underwater unmanned Vehicle，uuv)等领域广泛应用 。这种电机呵以分别带动一组对转螺旋桨以相反的方向旋转，从而平衡航行器的横滚力矩。永磁无刷直流电机兼具交流电机结构简单、可靠性高和直流有刷电机调节性能与起动性能良好的优点，在汽车电子、家用电器、办公自动化的场合应用非常成熟。近年来，随着永磁体材料和大功率开关器件的快速发展，大功率推进用永磁无刷直流电机逐渐应用于国内外各种航行器中。

　　永磁对转无刷直流推进电机的永磁体部分和电枢绕组部分都相对于电机支架旋转，且永磁体转子和电枢转子的转向相反，这是与普通永磁无刷直流电机在结构上****的不同之处。因此，分析并建立这种永磁对转无刷直流推进电机的仿真模型，对于验证电机设计参数的合理性、确定电机控制策略和研究电机运行特性都具有重要的指导作用。本文在分析永磁对转无刷直流推进电机数学模型的基础上，建立了uuV推进用对转电机的控制系统仿真模型，并对仿真结果进行了讨论。

1         永磁对转无刷直流推进电机数学模型永磁对转无刷直流推进电机电枢绕组为三相星形连接的集中整距绕组；永磁体转子采用表面贴装式结构，该结构的转子磁路各向同性，绕组自感和瓦感不随永磁转子相对电枢转子的位置角变化；电机的功率控制部分采用由大功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成的三相桥式驱动电路，由于电枢绕组相对于功率控制部分是旋转的，因此三相电压需要通过三个滑环引入电机。永磁对转无刷直流推进电机控制系统的拓扑结构如图l所示。

　　图1  永磁对转无刷直流推进电机的拓扑结构永磁对转无刷直流推进电机的电压方程为

 

 

假设三相电枢绕组结构对称，每相绕组的自感相等，绕组之间的互感也相等，即RA=RB=Rc=R，Laa=Lbb=Lcc=L，Labh=Lbc=Lca=M，且对于星形连接的绕组，有：Ian+Ibn+Icn=0(20

    因此，式(1)可简化为

理想的相反电动势eAN、eBN、eCN为相位互差120。电角度的梯形波。其波形如图2所示。

令永磁对转无刷直流推进电机的永磁体转子和电枢转子相对于电机支架旋转的角速度分别为ωP和ωA，电机的转矩方程可描述为

　　式中：Jp，Ja、--永磁体转子和电枢转子转动惯量；Tlp、Tla--永磁体转子和电枢转子负载转矩；Bp、Ba--永磁体转子和电枢转子的粘滞摩擦系数.

　　由此，式(3)～(5)共同组成了微分方程形式的永磁对转无刷直流推进电机的数学模型。三相反电势波形如图2所示.

　　2永磁对转无刷直流推进电机控制系统的仿真模型建立根据上述水磁对转无刷直流推进电机微分方程形式的数学模型，可以搭建永磁对转无刷直流推进电机控制系统的仿真模型，如图3所示。

　　下面从电机本体和控制系统两部分分别详细阐述仿真模型的实现过程。

　　2。1电机本体模块电机本体模块即图3中的“BⅢshIess Dc M0一tor with 2 rot。rS”子系统，其内部结构大致可分为电压方程部分和运动方程部分，图4为电机的电压方程部分模型.从图中可看出，为了方便建模，本文对电压方程的形式稍作变化，将三个相电压方程改写为两个独立的线电压方程。

 

　　图4电机本体模型的电压方程部分电机在转动过程中需要位置信号作为电机换相的控制信号，实际应用中通常采用霍尔位置传感器来获取电机的位置信号。本文利用simulink模块库中的s-R触发器模块实现霍尔位置信号的仿真，其A相的霍尔位嚣传感器模型结构如图5所示。该子系统以电机两个转子的相对位置角(电角度)作为输入，输出占空比为50％的霍尔位置信号。

　　图6为电机的运动方程模型。为了方便在仿真时观察变量的波形，模型将电机两个转子的角

　速度ωp和ωa、机械转角θp和θa及电机的电磁转矩通过IFtUX模块合并输出。

　　     2。2控制系统模型永磁对转无刷直流推进电机控制系统采用电

流、转速双闭环控制。由于工作环境的特殊性，对于其控制系统的要求是在保证控制效果的前提下尽量简单可靠。因此，本文采用PI控制器来实现电机的电流和转速闭环。永磁对转元刷直流推进电机的转速调节是通过脉宽调制(Pulse widthModulation，PWM)技术来实现的，调制方式为HPWM-LON，即逆变器上半桥进行PWM，F半桥恒通。这种方式相对于全桥PWM方式具有转矩脉动小，逆变系统损耗小等优点，非常适合采用蓄电池供电的水下航行器推进装置。

　　图7为转速环PID控制器的结构。从图中可以看出，为了消除积分饱和给系统带来的不利影响，本文采用了防积分饱和PI调节器结构。

图8为电流控制器结构图，该控制器将电流误差经过PI控制器和PwM发生器以后，得到电机转速的PwM控制信号，通过调节占空比来调整输入到逆变器的直流侧电压，达到转速调节的目的．

 

　　3仿真结果及分析永磁对转无刷直流推进电机本体的主要仿真参数如下：额定功率25 kw，额定电压5000V，额定转速1 500 r／min，电枢绕组电阻0 02 n，绕组等效电感0 3 mH，电机极对数4，永磁体转子和电枢转子的转动惯量分别为O 75 kg·m2和0．77 kg-m。，两个转子的粘滞摩擦系数分别为O 023 N-m-s和0 023 N·m·s。

　　永磁对转无刷直流推进电机双闭环控制系统的PI调节器参数按照工程设计方法进行初步计算，并根据负载情况进行微调。速度环参数如下：

　　Kp=0 2l，K1=1．3，Kc=0 16，电流环参数如下：

　　Kp=0 08，K1=15。PwM调制频率为20 kHz。

　　仿真采用离散变步长算法，采样时间Ts=4e一6 s，系统总的仿真时间设定为1 s。图9依次给出了A相绕组的相电压、相反电动势、相电流曲线。从图中相电压和相电流曲线可以清楚地看出，在一个电周期范围内，A相绕组120。电角度处于正向导通状态、120。电角度处于负向导通状态、120。电角度处于关断状态，电机相电流由于换相续流的缘故，并不是标准的方波，而是出现一个凹槽，这个凹槽使电机的电磁转矩产生脉动。电机的反电动势曲线为标准的梯形波，与理论分析一致。

图10给出r电机的转子角速度曲线。在电流转速双闭环控制器的作用下，电机的转速迅速上升并很快保持稳定，由于永磁体转子和电枢转子的转动惯量和粘滞摩擦系数存在一定差异，在转速上升阶段，两个转子的角速度并不一致，随着仿真时间的增加，两个转子的角速度差异越来越小，基本趋于一致。

永磁对转无刷直流推进电机的电磁转矩如图ll所示。从图中可以看出，在电机起动初期，电磁转矩非常大，这样可以保证电机转速迅速上升。

　　当转速达到额定值以后，电磁转矩的值快速回落，维持在约100N·m。电磁转矩在稳态时也有比较大的脉动，主要原因就是上面分析的由于换相时电枢绕组续流使方波电流出现凹槽的缘故。

4  结  语

    本文分析了uuV推进用对转永磁无刷直流推进电机结构的特点，建立了微分方程形式的电机数学模型，并利用MATLAB软件建立了永磁对转无刷直流推进电机控制系统的仿真模型。本文所建立的模型能够较好地模拟真实永磁对转无刷直流推进电机的各种特性，仿真结果与理论分析一致，该仿真模型为进一步研究永磁对转无刷直流推进电机的控制策略和运行特性打下了基础。