某種永磁同步發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張進(jìn)超，王　玲，郝永平，張令濤

(沈陽(yáng)理工大學(xué)兵器科學(xué)研究中心，遼寧 沈陽(yáng) 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(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張進(jìn)超，王玲，郝永平，張令濤

(沈陽(yáng)理工大學(xué)兵器科學(xué)研究中心，遼寧 沈陽(yáng) 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(jī)中永磁同步發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，針對(duì)d-q坐標(biāo)系下的永磁同步電機(jī)模型，研究了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方案。結(jié)果表明，修正舵機(jī)中發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到高速旋轉(zhuǎn)彈的修正效果。

關(guān)鍵詞：修正舵機(jī)；彈道修正；永磁同步發(fā)電機(jī)；電磁轉(zhuǎn)矩；風(fēng)洞試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TJ765.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)07-0034-04

收稿日期：2015-04-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009AA04Z167)

作者簡(jiǎn)介：張進(jìn)超(1989-)，男，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代控制技術(shù)與應(yīng)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(duì)彈丸橫向和縱向兩個(gè)方向均進(jìn)行修正，主要以橫向修正為主，通過(guò)改變俯仰力矩和偏航力矩來(lái)控制彈丸飛向目標(biāo)[1]。高速旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈通過(guò)安裝修正舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)彈道修正的目地，舵機(jī)系統(tǒng)中采用永磁同步發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)矩輸出裝置，直接作用于修正舵片，彈載計(jì)算機(jī)解算出修正量的大小和方向進(jìn)行有限次的不連續(xù)的動(dòng)作從而實(shí)現(xiàn)對(duì)彈丸在縱向和橫向上的修正[2]。

修正舵機(jī)的設(shè)計(jì)充分利用了高速旋轉(zhuǎn)彈彈體高速旋轉(zhuǎn)的前提，彈體同永磁同步發(fā)電機(jī)的外轉(zhuǎn)子固定連接，修正舵片同發(fā)電機(jī)定子固定連接。彈體的旋轉(zhuǎn)力矩為永磁同步發(fā)電機(jī)提供機(jī)械能，進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)修正舵片轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩同風(fēng)阻力矩達(dá)到平衡時(shí)舵片停止在某一角度，實(shí)現(xiàn)修正彈道的目標(biāo)。永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)，因?yàn)槭∪チ藙?lì)磁繞組、磁極鐵心和電刷-集電環(huán)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，可靠性高，能夠在高轉(zhuǎn)速下正常工作[3-4]。

1永磁同步發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論

直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈與轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈與轉(zhuǎn)矩的直接控制[5]。

在建立永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型前，且在滿足精度的情況下通常做以下假設(shè)：忽略電機(jī)繞組漏感；轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組；忽略鐵心飽和，認(rèn)為磁路線性，電感參數(shù)不變；永磁材料的電導(dǎo)率為零；不計(jì)渦流和磁滯損耗；定子電樞繞組中感應(yīng)電勢(shì)波形為正弦[4]。永磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為：

(1)

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

圖1　永磁同步發(fā)電機(jī)的坐標(biāo)變換相量圖

圖1中，a-b-c為三相靜止坐標(biāo)系；α-β為兩相靜止坐標(biāo)系；d-q為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，d軸指向轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈ψf方向；θr為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈相對(duì)定子a相繞組α軸的空間位置， 為定子磁鏈相對(duì)定子a相繞組α軸的空間位置角；δ為定子磁鏈?zhǔn)噶喀譻相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鏈ψf的空間位置角[4-6]。

將三相靜止坐標(biāo)系變換到d-q兩相靜止坐標(biāo)系，PMSG的電流、磁鏈方程為：

(2)

(3)

iA,iB,iC為發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)矩Te在旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的表達(dá)式為：

(4)

P為極對(duì)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(zhuǎn)矩Te為：

(5)

因?yàn)閷?duì)于永磁同步發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)基波磁通Φ0的磁鏈ψf為定值，當(dāng)控制PMSG功率因數(shù)為常數(shù)時(shí)，在d-q軸系下發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te只隨著定子電流的轉(zhuǎn)矩電流分量iq成線性關(guān)系。故此，可以通過(guò)控制iq達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的目的，本系統(tǒng)采用電樞回路串聯(lián)電阻的方式調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。

2模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)多次風(fēng)洞試驗(yàn)得到修正機(jī)構(gòu)舵片所受空氣阻力距的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果搭建起了地面模擬轉(zhuǎn)臺(tái),如圖2所示。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物

模擬轉(zhuǎn)臺(tái)頂部運(yùn)用一個(gè)直流電機(jī)和阻尼裝置產(chǎn)生動(dòng)態(tài)阻力矩(當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同時(shí)，阻尼裝置產(chǎn)生的阻尼力矩也不同)，模擬了彈丸在飛行過(guò)程中修正舵機(jī)的受力狀態(tài)(以下稱為模擬舵機(jī))；中部采用增量式光電編碼器對(duì)模擬舵機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并把電機(jī)的位置檢測(cè)信息反饋到試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)構(gòu)成速度環(huán)控制；最下方利用高速電動(dòng)機(jī)模擬飛行過(guò)程中高速旋轉(zhuǎn)的彈體，帶動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)為舵機(jī)系統(tǒng)的修正提供動(dòng)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(cè)定參數(shù)，通過(guò)不斷地調(diào)整外接電路的阻值，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬舵機(jī)的轉(zhuǎn)速、定位停止和角度調(diào)整的控制[2,7]。

永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)采用4對(duì)極24槽的結(jié)構(gòu)。定子同十字型舵片固定連接，轉(zhuǎn)子同旋轉(zhuǎn)彈體連接，彈體在全彈道處于高旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，產(chǎn)生使定子與轉(zhuǎn)子可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，通過(guò)控制該力矩的大小來(lái)平衡舵片所受風(fēng)阻力矩的作用，達(dá)到舵機(jī)系統(tǒng)的減旋和修正作用。

當(dāng)串接電阻最大時(shí)，力矩較小，此時(shí)模擬風(fēng)阻力矩比發(fā)電機(jī)輸出力矩大，模擬舵機(jī)相對(duì)發(fā)電機(jī)反向高速旋轉(zhuǎn)[8-9]。為了實(shí)現(xiàn)模擬舵機(jī)從高速旋轉(zhuǎn)到低轉(zhuǎn)速穩(wěn)定狀態(tài)，并且在預(yù)定位置停止轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程，編碼器將檢測(cè)到的實(shí)際參數(shù)反饋到控制系統(tǒng)與預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行比較，然后由單片機(jī)發(fā)出控制指令，通過(guò)改變串聯(lián)電阻的阻值，調(diào)整電樞回路電流，直到達(dá)到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速并保持穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，然后進(jìn)行下一步的定位動(dòng)作。其操作流程如圖3所示。

圖3　控制程序流程

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1　電樞回路串接電阻值同電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

通過(guò)修正彈在全彈道飛行下進(jìn)行的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，測(cè)得修正舵片所受風(fēng)阻力矩最大值為0.612 N·m，即永磁同步發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩必須大于風(fēng)阻力矩才能達(dá)到修正的效果。把實(shí)驗(yàn)電機(jī)三相進(jìn)行串聯(lián)短接測(cè)量不同轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，結(jié)果如表1所示。

從表1可知，當(dāng)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)到6 000 r/min的條件下發(fā)電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩為0.658 7 N·m，設(shè)計(jì)的永磁發(fā)電機(jī)已經(jīng)達(dá)到修正要求。

表1不同轉(zhuǎn)速下的永磁發(fā)電機(jī)的最大控制轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)速(r/min)最大輸出轉(zhuǎn)矩T/(N·m)轉(zhuǎn)速/(r/min)最大輸出轉(zhuǎn)矩T/(N·m)45000.352360000.658750000.451265000.713255000.549870000.8348

高速旋轉(zhuǎn)彈彈體轉(zhuǎn)速可達(dá)12 000 r/min，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的不斷提高永磁發(fā)電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩也在不斷的增大。為了驗(yàn)證發(fā)電機(jī)輸出小轉(zhuǎn)矩同樣能達(dá)到修正的效果，實(shí)驗(yàn)采用原動(dòng)機(jī)6 000 r/min條件下，進(jìn)行永磁同步發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制實(shí)驗(yàn)。串接電阻與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，如表2所示。

表2電阻與電磁力矩的關(guān)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(dāng)外接電阻值越小時(shí)，電樞回路電流分量iq越大，使得永磁同步發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩越大。說(shuō)明電樞回路串接電阻實(shí)現(xiàn)了永磁同步發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)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(dá)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(shí)現(xiàn)

外圍控制電路采用8個(gè)并聯(lián)的不同阻值電阻構(gòu)成，根據(jù)編碼器反饋的位置檢測(cè)信息來(lái)調(diào)整串接電阻值。不同的并聯(lián)之路的接通來(lái)實(shí)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(gè)電阻上的功率，防止電阻過(guò)熱而燒壞電阻。改變電樞回路的電阻值，達(dá)到控制iq的目的，實(shí)現(xiàn)了永磁同步發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高速旋轉(zhuǎn)彈丸的修正作用。

4結(jié)束語(yǔ)

提出一種用于彈道修正彈舵機(jī)系統(tǒng)中永磁同步發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了修正舵機(jī)的減旋和停止角度的控制。通過(guò)理論分析和平臺(tái)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的永磁同步發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)能夠達(dá)到修正彈的基本要求。結(jié)果表明該控制方法人為機(jī)械特性好，并能夠達(dá)到相應(yīng)的控制準(zhǔn)確性，良好的快速性和穩(wěn)定性，為后續(xù)的彈道修正的進(jìn)一步研究提供了很好的參考依據(jù)。

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