側(cè)掃聲吶永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)矢量控制

吳晏辰, 王英民

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安 710072)

側(cè)掃聲吶已廣泛應(yīng)用于海底測(cè)繪、勘測(cè)、施工、障礙物和沉積物探測(cè)等[1-2]，依據(jù)換能器陣安裝位置的不同，側(cè)掃聲吶可分為船載式和拖曳體裝載式[3]。在拖曳體裝載式側(cè)掃聲吶測(cè)量過(guò)程中，要求在海水深度及海底地形變化的情況下，將聲吶與海底間的距離控制在一定范圍內(nèi)。為了達(dá)到這一目的，伺服系統(tǒng)便成為了側(cè)掃聲吶測(cè)量中的必要設(shè)備，它可以通過(guò)收放側(cè)掃鎧裝纜按需求調(diào)節(jié)聲吶與海底間的距離[4]。伺服系統(tǒng)可由液壓部件或電機(jī)驅(qū)動(dòng)[5-6]，但液壓驅(qū)動(dòng)存在無(wú)效能量轉(zhuǎn)換、能源利用率較低、復(fù)雜度較高等缺陷，鑒于此，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)越來(lái)越多的被用于纜繩的收放控制[7]。有多種電機(jī)可用于伺服驅(qū)動(dòng)[8-9]，其中，永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、體積小、重量輕、效率和功率因數(shù)高等突出優(yōu)點(diǎn)，在伺服領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[10]。本文針對(duì)側(cè)掃聲吶高度控制應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一個(gè)永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)，并對(duì)其控制技術(shù)進(jìn)行了研究，在最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)矢量控制方法基礎(chǔ)之上，提出了滑模變結(jié)構(gòu)(SMVS)矢量控制方法，效提高了系統(tǒng)的效率、動(dòng)態(tài)性能以及魯棒性。

1 PMSM伺服系統(tǒng)

所設(shè)計(jì)的側(cè)掃聲吶用永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，永磁同步電機(jī)與輪盤(pán)相連，通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)盤(pán)繞在輪盤(pán)上的鎧裝纜的收放，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)聲吶到海底距離的目的。

圖1 側(cè)掃聲吶用PMSM伺服系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

永磁同步電機(jī)是依據(jù)功率、轉(zhuǎn)速、效率等指標(biāo)要求，通過(guò)場(chǎng)路耦合方法設(shè)計(jì)的，主要包括指標(biāo)分析、總體結(jié)構(gòu)分析、材料選取、鐵芯尺寸計(jì)算、繞組設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化等。關(guān)鍵在于電磁負(fù)荷的選取、電氣損耗的合理分配、氣隙磁密校核以及繞組形式的確定。圖2給出了所設(shè)計(jì)準(zhǔn)表貼式永磁同步電機(jī)的截面圖，相比于內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電氣時(shí)間常數(shù)小，加工周期短、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，而相比于完全表貼式結(jié)構(gòu)，它能夠利用磁阻轉(zhuǎn)矩，輸出較高的轉(zhuǎn)矩。

圖2 所設(shè)計(jì)準(zhǔn)表貼式永磁同步電機(jī)截面圖

永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率主電路采用電壓源型絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)三相全橋逆變器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主功率電路拓?fù)?/p>

IGBT的驅(qū)動(dòng)電路必須具備如下2個(gè)功能：

1) 實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)IGBT柵極間的電隔離；

2) 提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。

此外，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)還需考慮靈活性、擴(kuò)展性、性價(jià)比等因素。分立式驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、成本低廉，但其集成度低，復(fù)雜度高，易受干擾且保護(hù)不夠完善，而模塊化驅(qū)動(dòng)集成度高，抗干擾能力強(qiáng)且保護(hù)全面，故本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用了模塊化的IGBT驅(qū)動(dòng)。

為了控制關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管回復(fù)浪涌電壓并減小關(guān)斷損耗，需要設(shè)計(jì)IGBT的緩沖電路。常用的緩沖電路主要分為C型、RC型和RCD型，在本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，由于輸出電流較大，且受到驅(qū)動(dòng)器體積限制，選擇基于聚丙烯電容的C型吸收電路，它具有損耗低、高頻特性好且體積較小等特點(diǎn)。

本文所設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制器主體由DSP和CPLD構(gòu)成，其原理框圖如圖4所示。圖中，母線電壓、母線電流、電機(jī)溫度等模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后，送至DSP的片內(nèi)A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，相電流經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后，送至片外A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而后送至CPLD，再由CPLD傳送至DSP；本系統(tǒng)采用旋變解碼芯片來(lái)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，由解碼芯片為旋轉(zhuǎn)變壓器提供激勵(lì)信號(hào)，并對(duì)旋變反饋的位置和速度信號(hào)進(jìn)行解碼，數(shù)據(jù)送至CPLD；電壓、電流、溫度、故障等信息由DSP通過(guò)RS422接口傳送給上位機(jī)；故障報(bào)警等外部中斷信號(hào)送給DSP外部中斷擴(kuò)展口，供DSP作相應(yīng)的處理；增強(qiáng)型PWM模塊通過(guò)矢量控制輸出PWM波，經(jīng)CPLD邏輯綜合后送給功率驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制功率橋。

圖4 永磁同步電機(jī)控制器原理框圖

除上述電機(jī)和硬件電路外，還針對(duì)聲吶伺服控制的具體工況，計(jì)算了驅(qū)動(dòng)器及控制器的損耗，并基于集中參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)方法，對(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最終采用了冷板配合強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻方式。

2 MTPA矢量控制

永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有非線性、多變量和強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，增加了控制難度，常見(jiàn)控制方法包括矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。矢量控制的基本思想源于對(duì)他勵(lì)直流電機(jī)的模擬，其目的在于通過(guò)對(duì)交直軸電流的控制，改善電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的性能。圖5為傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)原理框圖。

圖5 傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)原理框圖

式中，ψf為永磁體磁鏈。

由(1)式可求得id的表達(dá)式：

2(Ld-Lq)(2)

(2)式便是進(jìn)行永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩/電流控制時(shí)id參考值的計(jì)算依據(jù)。

3 SMVS矢量控制

基于永磁同步電機(jī)的側(cè)掃聲吶伺服系統(tǒng)具有多變量、強(qiáng)耦合及參數(shù)時(shí)變等特點(diǎn)，存在較多的內(nèi)、外部干擾。比如：拖曳體施加給電機(jī)的負(fù)載會(huì)隨著作業(yè)工況發(fā)生變化，可視為外部干擾；電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子繞組電阻值會(huì)隨著溫度發(fā)生變化，可視為內(nèi)部參數(shù)擾動(dòng)，這些干擾會(huì)在很大程度上影響系統(tǒng)的性能。鑒于此，有必要引入一種魯棒控制方法。

滑模變結(jié)構(gòu)(SMVS)控制本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。該控制策略的特點(diǎn)在于其控制“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是依據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，如偏差及其各階導(dǎo)數(shù)等，有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定的“滑動(dòng)模態(tài)”軌跡運(yùn)動(dòng)。該控制方法與被控對(duì)象參數(shù)及擾動(dòng)無(wú)關(guān)，具有快速響應(yīng)、對(duì)參數(shù)變化及擾動(dòng)不敏感、無(wú)需在線辨識(shí)、物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本文將滑模變結(jié)構(gòu)控制與矢量控制相結(jié)合，以增加伺服系統(tǒng)運(yùn)行的魯棒性，提高其性能。

2〗1=x2=-ω′r

式中，Pn為極對(duì)數(shù)，J為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。選取線性滑模面s

s(x)=cx1+x2(4)

式中，c為常數(shù)。

采用比例切換控制：

u(t)=Ax1+Bx2(5)

由可達(dá)性條件ss′<0可推導(dǎo)出(5)式中的系數(shù)A,B。為了削弱滑?？刂频亩墩?，可以在轉(zhuǎn)速控制器中加入積分環(huán)節(jié)，將由滑模變結(jié)構(gòu)控制器輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換成平均轉(zhuǎn)矩指令信號(hào)。

在上述分析基礎(chǔ)之上，圖6給出了本文所設(shè)計(jì)的側(cè)掃聲吶伺服用永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)原理框圖，相比于圖5所示傳統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)，主要改進(jìn)在于：

1) 利用MPTA計(jì)算直軸電流參考值，提高系統(tǒng)功率因數(shù)及動(dòng)態(tài)性能；

2) 利用SMVS計(jì)算交軸電流參考值，提高系統(tǒng)魯棒性。

為了驗(yàn)證所提出控制方法的性能，對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，圖7給出了SMVS矢量控制下側(cè)掃聲吶永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

圖6 本文所設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)原理框圖

圖7 SMVS矢量控制下側(cè)掃聲吶伺服系統(tǒng)仿真結(jié)果

由圖可見(jiàn)，電機(jī)具有良好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速能夠快速達(dá)到預(yù)設(shè)速度800 r/min，而聲吶與海底間的距離逐漸增加，最后很好地控制在所需的25 m，整個(gè)過(guò)程無(wú)超調(diào)，且穩(wěn)態(tài)誤差很小。需要說(shuō)明的是，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速在0.3 s即達(dá)到穩(wěn)定，且波動(dòng)非常小，所以聲吶高度近似線性增加，直至6 s后達(dá)到所需值，電機(jī)停止運(yùn)行。此外，仿真過(guò)程中，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩上疊加了一定幅值的隨機(jī)擾動(dòng)，以模擬聲吶伺服控制的實(shí)際工況，良好的調(diào)速性能表明，系統(tǒng)具有很好的魯棒性，從而驗(yàn)證了SMVS矢量控制方法的有效性。

4 結(jié) 論

本文充分將永磁同步電機(jī)用于側(cè)掃聲吶的伺服控制，通過(guò)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)向，調(diào)節(jié)拖體距離海底的高度。設(shè)計(jì)了準(zhǔn)表貼式永磁同步電機(jī)，給出了驅(qū)動(dòng)器及控制器的拓?fù)浼霸砜驁D。對(duì)矢量控制方法進(jìn)行了改進(jìn)。采用最大轉(zhuǎn)矩/電流控制策略，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)及動(dòng)態(tài)性能，在此基礎(chǔ)之上，利用滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)改造轉(zhuǎn)速環(huán)，以提高系統(tǒng)抗內(nèi)外部擾動(dòng)的能力。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)側(cè)掃聲吶永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)具有良好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能和魯棒性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙建虎,王曉,張紅梅,等. 側(cè)掃聲吶圖像分割的中性集合與量子粒子群算法[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2016,45(8): 935-942

Zhao Jianhu, Wang Xiao, Zhang Hongmei, et al. The Neutrosophic Set and Quantum-Behaved Particle Swarm Optimization Algorithm of Side Scan Sonar Image Segmentation[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2016, 45(8): 935-942 (in Chinese)

[2] 沈蔚,章守宇,李勇攀,等. C3D測(cè)深側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在人工魚(yú)礁建設(shè)中的應(yīng)用[J]. 上海海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 2013,22(3): 404-409

Shen Wei, Zhang Shouyu, Li Yongpan, et al. The Application of C3D Bathymetry Side Scan Sonar System in Artificial Reef Construction[J]. Journal of Shanghai Ocean University, 2013, 22(3): 404-409 (in Chinese)

[3] 李啟虎,李淑秋,孫長(zhǎng)瑜,等. 主被動(dòng)拖線陣聲吶中拖曳平臺(tái)噪聲和拖魚(yú)噪聲在淺海使用時(shí)的干擾特性[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2007,32(1): 1-4

Li Qihu, Li Shuqiu, Sun Changyu, et al. The Interference Characteristics of Platform and Towed Body Noise in Shallow Water for Active/Passive Towed Array Sonar[J]. Acta Acoustica, 2007, 32(1): 1-4 (in Chinese)

[4] 韓孝輝, 孫水文, 靳程. 一種實(shí)用的側(cè)掃聲吶絞車(chē)的研制及應(yīng)用[J]. 機(jī)電信息, 2015, 30: 44-45

Han Xiaohui, Sun Shuiwen, Jin Cheng. The Development and Application of a Practical Side Scan Sonar Winch[J]. Mechanical and Electrical Information, 2015, 30: 44-45 (in Chinese)

[5] 唐金元, 王翠珍, 于潞. 基于數(shù)字PID控制的吊放聲吶液壓絞車(chē)控制系統(tǒng)[J]. 青島大學(xué)學(xué)報(bào):工程技術(shù)版, 2008, 23(1): 40-45

Tang Jinyuan, Wang Cuizhen, Yu Lu. Design of the Dipping Sonar′s Hydraulic Winch Control System Based on the Digital PID Control[J]. Journal of Qingdao University：Engineering & Technology Edition, 2008, 23(1): 40-45 (in Chinese)

[6] 徐國(guó)華, 張軍勝, 向先波,等. 直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水下電纜絞車(chē)系統(tǒng)[J]. 海洋工程, 2006，24(2): 123-129

Xu Guohua, Zhang Junsheng, Xiang Xianbo, et al. Underwater Winch System Driven by Brushless DC Motor[J]. The Ocean Engineering, 2006,24(2): 123-129 (in Chinese)

[7] Ji S W, Kim S J, Kim Y B. Experimental Approach for Mooring Winch Control System Design[C]∥13th International Conference on Control, Automation and Systems, 2013: 1025-1028

[8] 何鳳有, 譚國(guó)俊, 蒯松巖, 等. 用于礦井絞車(chē)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制方法研究[J]. 電力電子技術(shù), 2003，37(5): 53-55

He Fengyou, Tan Guojun, Kuai Songyan, et al. Research on the Control Method of Switched Reluctance Drive Motor Applied to The Mine Hoist System[J]. Power Electronics, 2003, 37(5): 53-55 (in Chinese)

[9] Fatemi S M J R, Henao H, Capolino G A, et al. Influence of Hanging Load on Induction Machine Torque and Stator Current in Hoisting Winch System[C]∥36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, 2010: 2621-2627

[10] 張國(guó)良. 稀土永磁同步電機(jī)對(duì)絞車(chē)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用與控制[J]. 電氣傳動(dòng), 2014,44(11): 59-60, 2014

Zhang Guoliang. Application & Control of REPMSM as Drawworks Driver[J]. Electric Drive, 2014, 44(11): 59-60 (in Chinese)