摘要：双转永磁无刷直流电动机作为螺旋桨推进电机，广泛应用于无人水下航行器：基于双转永磁无刷直流电动机工作原理，建立电机数学模型，采用变参数PI控制算法设计控制器，给出相对位置检测的换相控制方案，在Matlah平台上，建立屯机调速系统仿真模型。仿真结果表明，仿真建模准确，控制算法精确、稳定、可靠。

关键词：双转无刷直流电机；变参数PI；换相控制；建模

0引  言

电力电子技术和半导体工业，加快了永磁无刷直流电动机诞生，它结构简单，造价低，性能优越。

    由于推进效率高、横滚力矩平衡性能好，双转永磁无刷直流电动机(以下简称PMBLDcM)在舰船等对转推进系统中有着广泛的应用前景。人们对双转PMBLDcM的认识尚不完全，同前存在着转矩脉动、位置传感器安装误差、换相不准确等问题。

    本文基于双转PMBLDcM工作原理，借助simu一link工具包，建立其数学模型．采用变参数PI算法，搭建了仿真系统。模型在消除转矩脉动、增强动态响应和鲁棒性等方面表现良好，对进一步研究双转PMBI．DcM具有实际价值。

1双转PMBLDCM原理及数学模型

双转PMBLDcM和普通的BLDcM相比，结构上并没有多大的区别。双转PMBLDcM两相导通三相星型六状态逆变电路如图1所示，位置传感器检测到内外转子的相对位置信号，该信号再经过信号变换处理，向功率开关提供逻辑控制信号，使得一相桥的六个功率管按照一定顺序(如按照(V1，V2)一(V2，V3)一(V3，V4)一(V4，V5)一(V5，V6)一(V6，V1)或者相反的顺序)导通和关闭，即可实现电子换相。电源向电枢绕组供电，形成旋转磁场。永磁体构成电机内转子，电枢绕组均成外转子，它们之间存在磁场的相互作用，由于作用力等于反作用力，它们的转向是相反的。整个电机本体固定在支架上。

    在理想条件下，双转PMBLDcM和普通的BLDcM数学模型相似。三相绕组电压平衡方程可表示：

    式中：uan、ubn和ucn分别为三相绕组的相电压；r为每相绕组的电阻，ia、ib和ic分别为每相绕组的相电流；ean、ebn和ecn分别为每相绕组的反电动势；λa、λb、在假定气隙中磁场呈矩形波分布的情况下，双转PMBLDcM外转了绕组的反电势为三相对称120。平顶宽度梯形波，其大小正比于内外转子转速之Vs+Vr，令fa(θ)、fb(θ)、fc(θ)为幅值是1、依次相差120。梯形波反电势，如图2所示，则三相绕组反电势表示：

2双转PMBLDcM仿真调速系统

为了提高双转PMBLDcM调速系统的动态性能，目前广泛使用的是转速、电流双闭环结构。本文电流环使用常规的PI调节器，转速环使用变参数PI调节器。三相双转PMBLDcM调速系统结构图如图3所示。

2．1双转PMBLDcM的本体仿真

模型将双转PMBLDcM仿真模型分为反电动势模块、机械模块、电气模块三部分，其中反电势部分采用在Matlab中建立M文件实现，机械部分采用sim—ulink工具包中的数学模块搭建，电气部分使用sim—Powersvstems中的实体图形化模块建立。由此得到双转PMBLDcM本体模型，如图4所示。

2.2双转PMBLDcM控制器的设计

传统的PI控制具有结构简单、鲁棒性强、可靠性高等优点，适用于可建立精确数学模型的控制系统。闭环调速系统常采用PI控制算法。在实际应用中，被控过程机理复杂，具有非线性、时变性和滞后等特点。新技术不断涌现，智能控制是近几年发展起来的新兴学科，主要方法有模糊控制、神经网络控制、变结构控制、自适应控制等。它们主要用来解决传统方法难以适应控制对象参数大范围变化的问题。但是这些新算法实现复杂，运算量较大。在双转PMBLDcM调速系统中，本文采用变参数PI控制算法设计系统调节器，以达到理想的控制效果。

    式中：TIr、TIs分别为控制器的比例、积分系数。

    比例调节响应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好，但是比例调节是有静差调节。

    积分调节器的输出会不断变化，直到偏差为零，属于无静差调节。滞后特性难以对干扰进行及时控制。积分过快，整个系统振荡；积分过慢，调节速度过慢。

    变参数PI控制算法类似于积分分离算法。

    控制算法思想是为了获得快速响应，超调量小，调节时问短的****控制效果，系统根据误差大小选择控制器参数级别。当误差大时，系统加大比例调节；当误差小时，系统增大积分调节。控制器设汁流程图如图5所示，变参数智能PI调节器兼有PI算法和现代控制算法的优点，原理简单，容易实现它根据被控过程，自动整定参数，达到实时、智能控制的效果。

    在Matlab平台上使用slmUlink工具包内的if—ifaction子模块搭建智能PI控制器模块，如图6所示。

2.3位置检测与开关逻辑

三相双转PMBLD—cM通过对内外转子位置检测进行换相。电动机结构及12个位置传感器安装示意图如图7所示。按图示方向旋图7电机结构及传感器安装转，l和O分别表示内外转子的位置信号高低和功率管的开通关断，s、r分别表示外转子、内转子位置传感器及信号值，则得换相逻辑如表1所示。由表

    通过Matlab语占编写函数即可实现三相双转PMBLDcM仿真调速系统换相控制。

2.4电流调节器

为了加快电动机起动、制动，缩小过渡时间，减小转矩脉动，电流调节器串联在转速环节之后，将实际相电流反馈，与给定电流比较，形成双闭环系统。

    电流调节器采用常规PI调节器，一旦达到给定转速，电流环起到跟随作用。仿真模块如图8所示。

2.5 PwM电路参考

电流值与实际相电流比较，经过滞环比较器形成PwM信号，再和功率管换向逻辑信号相“与”，实现对任意两个导通功率管的调制，如图9所示。PwM信号将直流电源斩波，改变加在电机两端的平均电压，实现对电动机转速的调节。本文采用上侧管PwM调制，下侧管恒通的调制方式。滞环电流控制器PwM电路特点是没有载波，输出电压波形中不含特定频率谐波。 

3仿真实验与结果

由以上可以构建双转PMBLDcM仿真凋速系统模型，如图O所示。

    为验证变参数PT控制器的性能，双转PMBLD—cM参数采用如表2所示的实验数据，仿真参数设置为：变步长仿真(variahle—step)类型，0de23tb(stiff/TR—BDF2)算法，****步长1×10-5，其他参数采用默认值。

    仿真调速系统内外转子负载Tir=TIS=25 N.

    m，给定转速为n=70 r／min，系统由静止起动待进入稳定状态后，在O.5 s时给定转速变为n=90 r／min，外转子转速n、4相电流‘和电磁转矩t仿真曲线如图1l所小。

    仿真调速系统在给定转速为n=80 r／min，内外转子负载转矩TIr=TIS=25 N-m，待系统起动进入稳定状态后，存0 5 s时负载转矩突变为TIR=TIS=40 N·n，外转子转速，n、4相电流i和电磁转矩T仿真曲线。

 4结语

本文通过双转PMBLDcM数学模型，采用Matlab／simul，nK lr具包搭建了电机本体仿真模型，并采用变参数l Jl控制算法，建立仿真调速系统：仿真实验结果表明，双转PMBLDcM本体及调速系统建模准确；控制算法可行、实现简单；在消除转矩脉动、增强动态响应和鲁棒性等方面表现良好的性能。为深入研究双转PMBLDcM奠定坚实的基础。