艦炮智能隨動系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究

郭志榮++王其林

摘要：針對艦炮交流隨動系統(tǒng)非線性、時(shí)變和耦合的特點(diǎn)， 提出了采用直接轉(zhuǎn)矩控制（direct torque control， DTC）的永磁同步電機(jī)艦炮隨動系統(tǒng)。利用Matlab 7軟件，對傳統(tǒng)PID控制和本文所采用的策略進(jìn)行了對比，仿真結(jié)果表明直接轉(zhuǎn)矩控制改善了系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，提供了系統(tǒng)的魯棒性。

關(guān)鍵詞：艦炮 直接轉(zhuǎn)矩控制 隨動系統(tǒng) 永磁同步電機(jī)

中圖分類號：TJ391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0023-01

永磁同步電機(jī)以其體積小、重量輕、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)艦炮隨動系統(tǒng)的動、靜態(tài)指標(biāo)的大幅提高，采用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)已成為當(dāng)今艦炮隨動系統(tǒng)的發(fā)展方向。直接轉(zhuǎn)矩控制作為一種新型的交流電機(jī)控制方式，由日本的Takahashi和德國的Denpenbrock提出，Zhong[1-2]首次較完備的提出了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論，Muhammed Fazlur Rahma 實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在恒功率區(qū)的弱磁控制，因此將該控制方法應(yīng)用于艦炮永磁同步電機(jī)隨動系統(tǒng)有著廣泛的前景。

1 PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制

1.1 PMSM的數(shù)學(xué)模型[3]

在兩相靜止坐標(biāo)系下定子磁鏈的表達(dá)式：

定子電壓方程表達(dá)式：

式中：是定子電阻；、是定子兩相靜止坐標(biāo)系下的定子磁鏈分量；、為定子電壓分量；、是定子電流分量；是電機(jī)機(jī)對數(shù)；為d軸與軸間的夾角；為轉(zhuǎn)子電角速度；、為d、q軸電感；p為微分算子。

1.2 PMSM的DTC控制原理

采用直接轉(zhuǎn)矩控制的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)如圖1所示。

系統(tǒng)由永磁同步電機(jī)、逆變器、磁鏈估算單元、轉(zhuǎn)矩估算單元[4]、轉(zhuǎn)子位置估算單元、開關(guān)表和控制器等組成。控制系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速差，經(jīng)PI控制器輸出給定轉(zhuǎn)矩信號；同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)檢測的電機(jī)二相電流和電壓值，利用公式式（1）和式（2）計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際磁鏈和轉(zhuǎn)矩。估算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、電機(jī)給定磁鏈和轉(zhuǎn)矩與實(shí)際值的誤差；然后選擇逆變器的電壓矢量[5]，使電機(jī)能按控制要求調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，最終達(dá)到調(diào)速度的目的。

2 仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制在提高PMSM靜、動態(tài)特性的優(yōu)勢，對文中所提的控制策略與傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行了仿真研究。電機(jī)參數(shù)：額定轉(zhuǎn)矩；極對數(shù)為2；定子電阻，d、q軸電感。仿真開始為空載運(yùn)行，0.2秒處的階躍載荷等于它的額定轉(zhuǎn)矩，采樣周期為100。

在低轉(zhuǎn)速100rpm時(shí)，圖2、圖3分別為傳統(tǒng)PID控制和DTC控制的響應(yīng)曲線，由圖2可知，傳統(tǒng)PID控制的轉(zhuǎn)矩脈動較大；而圖3中，在直接轉(zhuǎn)矩控制中，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速而且波動較小。在高轉(zhuǎn)速1000rpm是，圖4，圖5分別為傳統(tǒng)PID控制和DTC控制的響應(yīng)曲線，由圖4可知，傳統(tǒng)PID控制的轉(zhuǎn)矩脈動較大；而圖5中，在直接轉(zhuǎn)矩控制中，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速而且波動較小。

3 結(jié)語

本文對采用直接轉(zhuǎn)矩控制的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究并做了數(shù)字仿真，仿真結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)的PID控制，直接轉(zhuǎn)矩控制在電機(jī)低速和高速時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)更快速，對系統(tǒng)外部干擾具有更強(qiáng)的魯棒性，系統(tǒng)動、靜態(tài)性能優(yōu)異，能適應(yīng)于艦炮隨動系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)的伺服系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]Depenbrock M. Direct self-control of inverter-fed machine[J].IEEE Transactions on Power Electronics，1988（4）：420-429.

[2]Zhong L， Rahman M F， Hu W Y， et al. Analysis of direct torque control in permanent magnet synchronous motor drivers[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，1997（3）：528-535.

[3]Guney I， Oguz Y. Serteller F. Dynamic behavior model of permanent magnet synchronous motor fed by PWM inverter and fuzzy logic controller for stator phase current，flux and torque control of PMSM[C].IEEE Proceeding from Electric Machines and Drives Conference，USA.2001，12-17：479-485.

[4]黎亞元，唐浦華，宋昌林.直接轉(zhuǎn)炬控制中一種磁鏈估計(jì)新方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000（5）：22-24.

[5]魏欣，陳大躍，趙春宇.一種基于占空比控制技術(shù)的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方案[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005（14）：93-97.

收稿日期：2016-09-19

作者簡介：郭志榮（1976—），男，安徽蕪湖人，博士，畢業(yè)于海軍工程大學(xué)，講師，研究方向：電力電子及電力傳動。