吊艙式推進(jìn)器中的伺服電機(jī)控制-2019年文檔

1、吊艙式推進(jìn)器中的伺服電機(jī)控制 DOI：10.15938/j.jhust.2015.03.010 O 引 言 國外對吊艙式推進(jìn)器技術(shù)的研究起步較早、 較深入， 在大多 數(shù)國家的軍隊(duì)尤其是海軍中對這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)投入了大量人力和 財(cái)力的研究，并在推進(jìn)效率、噪聲消除、操作性能等方面有很大 進(jìn)步，在海軍艦艇中的應(yīng)用極其廣泛 . 永磁同步電動機(jī)與感應(yīng)式異步電機(jī)相比不需要無功勵(lì)磁電 流，可以顯著提高功率因數(shù)，減小定子電流和電阻損耗，效率比 同規(guī)格的異步電動機(jī)提高了 2% -8%.而且永磁同步電動機(jī)的效率 一般在 25%- 120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因 數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)的節(jié)能效果更為顯著 .

2、 因此本文將永磁同步電 機(jī)代替異步電動機(jī)作為推進(jìn)器的動力機(jī)， 要想使推進(jìn)器獲得更好的性能應(yīng)主要從兩方面下手： 先進(jìn)變 頻技術(shù)和合適的控制方式 . 與傳統(tǒng)的變頻控制相比矢量控制可以 明顯減小逆變器輸出電流的諧波成分及電機(jī)的諧波損耗， 降低脈 動轉(zhuǎn)矩，并且其控制簡單，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便，電壓利用率 高.SVP-WM矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流電動機(jī)上 模擬直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)律， 磁場定向坐標(biāo)通過矢量變換， 將 三相交流電動機(jī)的定子電流分解成勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分 量，并使這兩個(gè)分量相互垂直，彼此獨(dú)立，然后分別調(diào)節(jié)，以獲 得像直流電動機(jī)一樣良好的動態(tài)特性 . 因此矢量控制的關(guān)鍵在于 對定子

3、電流幅值和空間位置（頻率和相位）的控制，矢量控制的 目的是改善轉(zhuǎn)矩控制性能， 最終的實(shí)施是對 id ，iq 的控制 . 由于 定子側(cè)的物理量都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋 轉(zhuǎn)，因此調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算都不方便 . 需借助復(fù)雜的坐標(biāo)變換進(jìn) 行矢量控制 . 本文通過Simulink搭建SVPW變流模塊和模糊PI控制器 的，對永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行仿真， 驗(yàn)證該方式的控制效果 . 1電機(jī)數(shù)學(xué)模型及SVPW技術(shù) 1.1 電機(jī)模型 電機(jī)定子的電壓方程式： 其中： 為三相繞組相電壓； 為每相繞組電阻； 為三相繞 組相電流； 為三相繞組的磁通； 為微分算子 . 1.2 SVPW原理 SVPW實(shí)際上是

4、對三相電壓源逆變器功率器件的一種特殊的 開關(guān)觸發(fā)方式的組合， 這種開關(guān)觸發(fā)順序組合將在電機(jī)定子線圈 中產(chǎn)生相差為 120。的波形失真較小的正弦波電流 . 圖 1 中 是 6 個(gè)功率開關(guān)， a、b、c 代表 3 個(gè)橋臂的開關(guān)狀 態(tài)，規(guī)定當(dāng)上橋臂為“開”狀態(tài)時(shí)，開關(guān)狀態(tài)為1；當(dāng)下橋臂為 “開”狀態(tài)時(shí)，開關(guān)狀態(tài)為 0. 這 6個(gè)開關(guān)器件組合起來共有 000、 001、010、011、100、101、110、111，8 種的開關(guān)狀態(tài) . 其中 000、 111 這兩種開關(guān)狀態(tài)在電機(jī)驅(qū)動中都不會產(chǎn)生有效的電流 . 因此 稱其為零矢量， 另外 6 種開關(guān)狀態(tài)分別是 6 個(gè)有效矢量 . 它們將 3600 的

5、電壓 空間分為 6 個(gè)扇區(qū)，每扇區(qū) 600，如圖 2 所示 . 利用這 6 個(gè)基本 有效矢量，可以合成 3600 內(nèi)的任何矢量 . 當(dāng)要合成某一矢量時(shí)先將這一矢量分解到離它最近的兩個(gè) 基本矢量，用這兩個(gè)基本矢量去表示，如圖 3 所示，而每個(gè)基本 矢量的作用大小就利用作用時(shí)間 和 去代表， 計(jì)算公式如下， 用 基本電壓矢量按照不同的時(shí)間比例去合成所需要的電壓矢量， 從 而保證生成電壓波形近似于正弦波， 圖中 和 代表兩個(gè)相鄰的基本電壓空間矢量， 是輸出的參 考相電壓矢量， 其幅值代表相電壓的幅值， 其旋轉(zhuǎn)角速度是輸出 正弦電壓的角頻率， 通過坐標(biāo)分解， 用兩個(gè)基礎(chǔ)向量的矢量和表 示. 的作用時(shí)間

6、 . 為了知道用哪兩個(gè)基礎(chǔ)矢量來分解 就必須先知道該矢量位 于第幾扇區(qū)，值， Xu 為控制量論域的幅值 .n 為偏差變量模糊子 集最大值，m為偏差變化率變量模糊子集最大值，I為控制量模 糊子集最大值 . 為中間變量， 按照上述公式計(jì)算出 . 將 分解到 坐標(biāo)系中得 到 和 設(shè)扇區(qū)變量為 SEC. 當(dāng) 時(shí) a=I ，否則 a=0； 當(dāng) 時(shí) b=I ，否則 b=0； 當(dāng) 時(shí) c=l ，否則 c=0； 計(jì)算扇區(qū)公式為：SEC=a+2b +4c共有8種組合方式，但由 于 a，b，c 不能同時(shí)為 1 或 0，所以只有 6 種組合 . 2 模糊 PI 控制原理 模糊控制系統(tǒng)通常由模糊控制器、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)、

7、被控對象和檢 測裝置等部分組成，如圖 4 所示， 圖 4 模糊邏輯控制系統(tǒng)原理圖 模糊自適應(yīng) PI 控制器是建立在 PI 控制基礎(chǔ)上的， 控制器的 輸入量是系統(tǒng)偏差E,經(jīng)過模糊規(guī)則分析推理，查詢模糊矩陣表 來調(diào)整參數(shù)從而提高提高系統(tǒng)綜合性能 . 模糊 PI 控制器的設(shè)計(jì)通常按以下步驟進(jìn)行： 1）確定輸入輸出變量 由結(jié)構(gòu)圖易知此系統(tǒng)為一個(gè)多輸人多輸出的系統(tǒng)， 輸入變量 為偏差E和偏差變化率EC,輸出為PI控制器的比例系數(shù)Kp和 積分 Ki ，這類控制器的一般形式為： 在此系統(tǒng)中X1為偏差量E、X2為偏差變化率EC,模糊推理 的輸出信號 為控制器的Kp和Ki參數(shù). 2） 量化因子和比例因子的確定計(jì)

8、算公式為： 其中：XE為偏差論域幅值，Xc為偏差變換率論域幅 圖 5 模糊自適應(yīng) PI 控制器結(jié)構(gòu)圖 在本文中的PMSM矢量控制系統(tǒng)中： 3）輸入輸出變量的模糊化處理 偏差量E的量化論域?yàn)镋=-50 , 50，語言值集合為NB, NM NS ZQ PS, PM PB.偏差變化率 EC的量化論域?yàn)?2e +005 , 2e +005 論域的語言集合為 . 設(shè)的基礎(chǔ)論域?yàn)?，論域上的語言集合為.設(shè)K,的基礎(chǔ)論 域?yàn)?1，3.5 ，6 ，語言集合為 . 為了節(jié)省CPU的運(yùn)算時(shí)間，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，節(jié)省系統(tǒng)存 儲空間的開銷，通常離線進(jìn)行模糊矩陣計(jì)算和輸出U的計(jì)算.因 此將實(shí)際的 Ki 和 Kp 控制策略

9、歸納為控制規(guī)則表 . 3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其仿真 通過電流傳感器測量逆變器輸出的定子電流， 經(jīng)過坐標(biāo)變換 將三相電流轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流分量 id 、iq ，并將其作 為電流環(huán)的負(fù)反饋送與給定量進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差 . 將檢測到的電 機(jī)實(shí)際速度作為速度環(huán)的負(fù)反饋量， 并與給定速度進(jìn)行比對產(chǎn)生 速度的偏差 . 速度偏差經(jīng)過速度 PI 調(diào)節(jié)器，輸出用于轉(zhuǎn)矩控制的 電流的 q 軸參考分量 和 ，（等于零）與電流反饋量 的偏差進(jìn) 過電流 PI 調(diào)節(jié)器，分別送出 dq0 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的定子相電壓矢量 的分量Vd vq，在通過Park逆變換轉(zhuǎn)換成 坐標(biāo)系的定子相電 壓矢量 . 其中：PMSM勺額定轉(zhuǎn)矩為0.8 N.m,額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min， 最大母線電壓 300 V. 給定設(shè)置為 200，仿真時(shí)間 0.06 s ，仿真 結(jié)果見下圖 . 由圖 10 轉(zhuǎn)速曲線計(jì)算得出，系統(tǒng)的超調(diào)量為 0.5%，調(diào)整時(shí) 間 0.004 s ，穩(wěn)態(tài)誤差與震蕩都很小 . 滿足推進(jìn)器的控制要求 . 為了檢測系統(tǒng)在變速運(yùn)行時(shí)效果，給定一個(gè)幅值為 200 rad/s ，頻率為 50 Hz 的信號，仿真結(jié)果 11、12、13 圖. 如圖 11所示，驗(yàn)證設(shè)定值連續(xù)高頻變化時(shí)的響應(yīng)效果 . 表明 在即使受到一定干擾也能夠?qū)﹄姍C(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確控制 . 除了電機(jī)轉(zhuǎn)速之外， 如