垂直電磁發(fā)射系統(tǒng)及其控制技術(shù)研究

郭冀嶺, 孫海亮, 陸浩然, 劉 黎, 葉聯(lián)龍

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 610031;2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076;3.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610031)

0 引言

電磁彈射技術(shù)(Elecrtomagnetic Launch，EMI)是利用電磁力驅(qū)動(dòng)物體并將其加速到超高速度的新型發(fā)射技術(shù)。不同于彈丸型小載荷高速電磁軌道炮、線圈炮電磁發(fā)射技術(shù),電磁彈射技術(shù)特指大載荷(噸級(jí))、大推力、高速(102m/s級(jí))電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)[1]。

早在1980年,美國(guó)研究者研究將電磁彈射技術(shù)引入飛機(jī)、無人機(jī)彈射起飛,1999年完成了電磁彈射器EMALS(Electromagnetic Aircraft Launch System)功能驗(yàn)證,利用永磁同步直線電機(jī)作為動(dòng)力,彈射4.5t～45t的飛機(jī),速度在100km/h～370km/h范圍內(nèi)精確調(diào)控。2010年12月，成功彈射1架F/A-18E大黃蜂戰(zhàn)斗機(jī)；2014年EMALS正式裝載于福特級(jí)航母[2]。英國(guó)在無人機(jī)電磁彈射技術(shù)方面具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),于2005年完成了 EMKIT(電磁力集成技術(shù))的論證,2007年進(jìn)行了試驗(yàn),采用直線感應(yīng)電機(jī)作為動(dòng)力,彈射行程15m,彈射質(zhì)量500kg,末速度50m/s,每小時(shí)能進(jìn)行5次彈射[2]。我國(guó)的電磁發(fā)射技術(shù)研究開展稍晚于歐美,在大載荷的電磁彈射領(lǐng)域,海軍工程學(xué)院馬偉明院士團(tuán)隊(duì)利用航母艦載機(jī)直線感應(yīng)電機(jī)電磁彈射系統(tǒng)可將艦載機(jī)(質(zhì)量為30t～40t)加速至約80m/s[2]。

目前大部分電磁彈射主要集中在艦載機(jī)或無人機(jī)的水平或水平-滑躍彈射,本文則將電磁彈射技術(shù)應(yīng)用于垂直發(fā)射系統(tǒng)。

傳統(tǒng)發(fā)射采用燃料推進(jìn)方式,能量密度大,可通過多級(jí)方式推動(dòng)上千噸的載荷,技術(shù)成熟度很高,但也存在一些問題。相比傳統(tǒng)發(fā)射,電磁發(fā)射主要優(yōu)點(diǎn)如表1所示。通過對(duì)比可以看出，電磁發(fā)射有望成為傳統(tǒng)發(fā)射的替代(互補(bǔ))技術(shù),或者取代傳統(tǒng)發(fā)射方式的第一級(jí)燃料推進(jìn)過程,從而增加有效載荷或增加射程。

表1 傳統(tǒng)發(fā)射與電磁發(fā)射的對(duì)比

1 垂直電磁發(fā)射系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 垂直發(fā)射裝置系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Composition of the vertical electromagnetic launch system

垂直電磁發(fā)射系統(tǒng)裝置構(gòu)成如圖1所示,其主要構(gòu)成包括直線電機(jī)、變流器控制系統(tǒng)、儲(chǔ)能供電系統(tǒng)、輔助機(jī)械系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)5部分。其中，直線電機(jī)的動(dòng)子用于產(chǎn)生推力推動(dòng)載荷升空；變流器為直線電機(jī)供電并根據(jù)指令、工況、參數(shù)等控制電機(jī)運(yùn)行；儲(chǔ)能供電系統(tǒng)用于提供發(fā)射所需的能量,并且在發(fā)射過程中以電能方式給變流器供電,再由直線電機(jī)變?yōu)檩d荷動(dòng)能；輔助機(jī)械系統(tǒng)主要包括直線電機(jī)的機(jī)械支撐、直線電機(jī)動(dòng)子與載荷之間的機(jī)械接口、動(dòng)子回程緩沖裝置等；監(jiān)控系統(tǒng)用于協(xié)調(diào)各設(shè)備運(yùn)行邏輯以及運(yùn)行參數(shù)和控制指令的上傳下達(dá)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

1.1 直線電機(jī)

大載荷高速度的井式電磁發(fā)射最本質(zhì)的要求就是大推力,因此提供大推力的直線電機(jī)設(shè)計(jì)與制造最為關(guān)鍵。為了具備輸出大推力的能力,同時(shí)具有高速的要求,電機(jī)在極距、頻率、功率等核心參數(shù)上與傳統(tǒng)直線電機(jī)存在很大差異。

適用于電磁發(fā)射系統(tǒng)的直線電機(jī)類型主要有直線感應(yīng)電機(jī)(Induction Linear Machine,ILM)和直線同步電機(jī)(Synchronous Linear Machine,SLM)兩種。其中，直線同步電機(jī)又分為永磁型(Permanent Magnet SLM,PMSLM)和超導(dǎo)勵(lì)磁型(Super Conduction SLM,SCSLM),表2為這3種電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)比較。

表2 電磁發(fā)射系統(tǒng)中3種直線電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)比較

按照1t載荷100m/s的離架速度，100m的加速距離,所需電磁推力將達(dá)到上百kN,超導(dǎo)勵(lì)磁直線電機(jī)目前僅有實(shí)驗(yàn)室小功率電機(jī)的案例[3],實(shí)現(xiàn)如此大功率難度很大。永磁同步直線電機(jī)由于定動(dòng)子雙邊勵(lì)磁,效率比直線感應(yīng)電機(jī)更高[4]。同時(shí),為了在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電磁推力最大化,還需要選擇適合的直線電機(jī)結(jié)構(gòu)。圖2為梳狀多重化雙邊永磁同步直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于多臺(tái)雙邊直線電機(jī)同時(shí)出力,提高了發(fā)射系統(tǒng)力密度,而且雙邊結(jié)構(gòu)有利于降低直線電機(jī)法向力的影響,另外在電機(jī)繞組設(shè)計(jì)上采用多相拓?fù)?有利于降低電磁推力脈動(dòng),也有利于變流器主電路功率器件選型。

圖2 梳狀多重化雙邊永磁同步直線電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the comb-shape double-side permanent magnetic synchronous linear motor

1.2 變流器

直線電機(jī)變流控制是實(shí)現(xiàn)電磁發(fā)射過程精確控制的核心。永磁同步直線電機(jī)變流器主要包括主電路和控制器兩大部分。

(1)主電路

主電路是指功率器件構(gòu)成的逆變回路。大功率主電路拓?fù)渲?串聯(lián)多重化、矩陣變流器需要復(fù)雜的功率器件串并聯(lián)算法復(fù)雜,多電平逆變器在控制上存在電容均壓等問題,而多相變流器拓?fù)渌韫β势骷?shù)量雖多,但其可以利用低壓功率器件實(shí)現(xiàn)大功率,且其相冗余還提高了系統(tǒng)的可靠性,更具有靈活的可擴(kuò)展性及較為簡(jiǎn)單的控制算法,很適合電磁發(fā)射系統(tǒng)直線電機(jī)變流控制,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 多相H橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the multiphase H bridge topology

(2)控制器

控制器采用軟硬件控制主電路運(yùn)行工況,是實(shí)現(xiàn)發(fā)射過程控制算法的核心所在。針對(duì)永磁同步直線電機(jī)控制方法[5],主要包括磁鏈定向矢量控制等算法,即實(shí)現(xiàn)位置、速度和電流的三閉環(huán)控制,另外還必須采取多種手段抑制推力波動(dòng)[6],以減小發(fā)射過程可能出現(xiàn)的振動(dòng)、噪聲等問題[7-8]。

1.3 儲(chǔ)能供電系統(tǒng)

儲(chǔ)能供電系統(tǒng)是電磁發(fā)射的能量來源。通過對(duì)機(jī)械儲(chǔ)能、電氣儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能各類方式對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn),適合于將能量迅速轉(zhuǎn)化為變流器所需電能的儲(chǔ)能方式主要有兩類：一是電氣儲(chǔ)能方式中的電容或蓄電池,適合于小功率發(fā)射系統(tǒng)(能量在kJ等級(jí))；二是大功率脈沖電源,適合于發(fā)射所需能量達(dá)到MJ級(jí)的大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)。

其中,脈沖發(fā)電機(jī)大慣性飛輪儲(chǔ)能是一種較為理想的儲(chǔ)能方式。其主要構(gòu)成如圖4所示,三相交流電通過變頻器給拖動(dòng)用異步電機(jī)供電,帶動(dòng)脈沖發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),當(dāng)勵(lì)磁電源為脈沖發(fā)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)子勵(lì)磁后,脈沖發(fā)電機(jī)即可發(fā)出電壓,在短時(shí)間內(nèi)供給直線電機(jī)變流器。

圖4 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.4 Composition of the flywheel energy storage system

1.4 輔助機(jī)械系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)

輔助機(jī)械系統(tǒng)主要包括直線電機(jī)支撐架、動(dòng)子下落時(shí)緩沖裝置等,為滿足多規(guī)格載荷的適應(yīng)性和連續(xù)發(fā)射的要求,還必須對(duì)直線電機(jī)動(dòng)子與載荷接口、載荷裝填等機(jī)械設(shè)備進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。

由于垂直發(fā)射系統(tǒng)涉及眾多設(shè)備,有必要設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng),用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、統(tǒng)一協(xié)調(diào)各設(shè)備運(yùn)行邏輯。

2 樣機(jī)設(shè)計(jì)

考慮到大噸位高速率的全尺寸系統(tǒng)的成本和實(shí)現(xiàn)難度,有必要在前期設(shè)計(jì)小型樣機(jī)并盡可能完成功能驗(yàn)證，樣機(jī)指標(biāo)如表3所示。

表3 樣機(jī)指標(biāo)

2.1 直線電機(jī)樣機(jī)方案

圖5為直線電機(jī)樣機(jī)整體結(jié)構(gòu),主要包括直線電機(jī)及其支撐架、緩沖器等。其中，直線電機(jī)為4重雙邊永磁同步直線電機(jī),4個(gè)外側(cè)和兩個(gè)中間部直線電機(jī)定子結(jié)構(gòu)如圖6所示；動(dòng)子斷面呈“井”字形,如圖7所示。4個(gè)翼板上嵌有斜槽型永磁體, 8個(gè)滑塊與支撐架上的4根導(dǎo)軌構(gòu)成直線電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的限位裝置,承載板可安裝不同接口,以裝載不同質(zhì)量和截面的載荷。

(a)整體結(jié)構(gòu)

(b)斷面圖5 樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of the prototype

(a)兩側(cè)

(b)中間

圖7 電機(jī)動(dòng)子結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of the mover

2.2 直線電機(jī)仿真分析

直線電機(jī)電磁性能直接決定系統(tǒng)是否有預(yù)期的彈射能力。為此利用有限元(Finite Element，F(xiàn)E)仿真軟件對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行建模和計(jì)算,分析其電磁性能。

綜合考慮極對(duì)數(shù)對(duì)端部效應(yīng)的影響,在多重結(jié)構(gòu)與單重結(jié)構(gòu)電磁力成線性正比關(guān)系的假設(shè)條件下,仿真模型如圖8所示,參數(shù)如表4所示。

圖8 6極雙邊永磁同步直線電機(jī)有限元仿真模型Fig.8 FE simulation model of 6-pole double-side PMSLM

表4 樣機(jī)系統(tǒng)永磁同步直線電機(jī)電磁仿真參數(shù)

圖9、圖10分別為16m/s雙邊直線電機(jī)磁密分布云圖和磁動(dòng)勢(shì)分布云圖,最終得出總的電磁推力達(dá)到4.8kN,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖9 16m/s雙邊永磁同步直線電機(jī)磁密分布云圖Fig.9 Flux density distribution of FE model of double-side PMSLM when v=16m/s

圖10 16m/s雙邊直線電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)分布云圖Fig.10 Magneto motive force distribution of FE model of double-side PMSLM when v=16m/s

2.3 變流器方案設(shè)計(jì)

2.3.1 變流器主電路

按照電磁計(jì)算所得的功率結(jié)果,將4重電機(jī)分為兩組,1號(hào)和3號(hào)電機(jī)串聯(lián),2號(hào)和4號(hào)電機(jī)串聯(lián),兩組并聯(lián),分別由一臺(tái)三相變流器進(jìn)行控制。最終變流器與電機(jī)布置如圖11所示。

圖11 變流器分布圖Fig.11 Arrangement of converters

直線電機(jī)最大輸出功率P=FV=4.8k×16=76.8kW,2臺(tái)3相變流器,以相電流120A計(jì)算可得變流器的輸入直流電壓UDC=76.8k/3/2/120=106.5V,考慮反電勢(shì)大小,故選擇變流器供電電壓300V,IGBT選型為英飛凌FR600R450E3。

2.3.2 變流器控制

(1)動(dòng)子位置檢測(cè)

動(dòng)子位置檢測(cè)是同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的重要環(huán)節(jié),如圖12所示。采用對(duì)射式光電傳感器+光柵尺配合的檢測(cè)方案,通過“絕對(duì)編號(hào)”+“相對(duì)位置”的方法,實(shí)現(xiàn)動(dòng)子位置的定位。

(2)控制器

變流器控制器以高性能單片機(jī)作為控制核心,通過檢測(cè)動(dòng)子位置和運(yùn)行工況綜合判斷,給變流器發(fā)出控制指令。具體流程為：由脈沖分配板根據(jù)光電位置檢測(cè)裝置所得的動(dòng)子位置,由主控制器給出相電流給定值,與相電流實(shí)際值比較輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào),對(duì)變流器對(duì)應(yīng)相的功率開關(guān)器件IGBT的通斷及電流大小進(jìn)行控制,進(jìn)而控制牽引力的大小。如圖13所示的采用脈沖分配板硬件方式進(jìn)行控制功率器件通斷的方法,響應(yīng)更快,適合高速直線電機(jī)。

圖12 對(duì)射式光電傳感器位置檢測(cè)裝置Fig.12 Position detection device made of a through-beam optoelectronic sensors

圖13 多相永磁同步直線電機(jī)變流器硬件控制方式Fig.13 Hardware control strategy of multiphase PMSLM

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為確保垂直電磁發(fā)射樣機(jī)直線電機(jī)力能指標(biāo)及控制功能,首先，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的水平型雙邊永磁同步直線電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行靜態(tài)及動(dòng)態(tài)功能測(cè)試,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)垂直電磁發(fā)射樣機(jī)方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

3.1 實(shí)驗(yàn)室小型直線電機(jī)平臺(tái)參數(shù)

(a)定子

(b)動(dòng)子圖14 實(shí)驗(yàn)室水平型雙邊永磁同步直線電機(jī)平臺(tái)Fig.14 Horizontal double-side PMSLM in the lab

圖14為小型永磁同步直線電機(jī)樣機(jī),電機(jī)初級(jí)為長(zhǎng)定子軌道,次級(jí)采用永磁體結(jié)構(gòu),動(dòng)子兩側(cè)安裝滑輪,與軌道機(jī)械接觸,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向與支撐。定子長(zhǎng)度10m,動(dòng)子長(zhǎng)度1m,質(zhì)量約為20kg的直線電機(jī)動(dòng)子前進(jìn)速度最大達(dá)到4m/s。圖15(a)為制作電機(jī)時(shí)單段定子繞組連接圖,圖15(b)為動(dòng)子及其限位裝置,外殼為鋁合金,內(nèi)嵌永磁體磁極。定子和動(dòng)子的參數(shù)如表5所示。

直線電機(jī)三相變流器由調(diào)壓器供電,通過高性能單片機(jī)XE164FN為核心的主控板進(jìn)行控制。

(a)定子繞組的連接方式

(b)動(dòng)子及其限位裝置圖15 實(shí)驗(yàn)室直線電機(jī)機(jī)構(gòu)細(xì)節(jié)Fig.15 Detail structure of the PMSLM in the lab

表5 實(shí)驗(yàn)室直線電機(jī)定、動(dòng)子參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)室小型直線電機(jī)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)分析

直線電機(jī)樣機(jī)平臺(tái)搭建完畢后，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)的速度控制功能試驗(yàn)和靜態(tài)推力測(cè)試試驗(yàn)。

(1)速度控制功能試驗(yàn)

采用如圖13所示的控制方法,利用相電流反饋值與給定值進(jìn)行Bang-Bang調(diào)節(jié),給定電流越大,電磁推力越大,速度越快。圖16是實(shí)驗(yàn)得到的階梯形狀的兩相電流波形。

圖16 相電流波形Fig.16 Current curve

由于行程較短,動(dòng)子在起動(dòng)加速至在線路中部約5m處(速度觀測(cè)點(diǎn)4)即進(jìn)行制動(dòng)。通過設(shè)定單邊相繞組不同的電流給定值,得到不同速度曲線如圖17所示。

圖17 不同給定電流值下的速度曲線Fig.17 Velocity curve with different currents

(2)靜態(tài)推力測(cè)試試驗(yàn)

在動(dòng)子前段接推力傳感器,在輸出電壓固定頻率25Hz下,通過調(diào)節(jié)變流器輸入電壓進(jìn)而改變相電流,從而改變推力的大小。

實(shí)驗(yàn)選取了幾組不同的電流,采集了對(duì)應(yīng)的推力值,考慮到測(cè)量誤差以及推力波動(dòng),分別記錄了最大推力和最小推力兩組數(shù)據(jù),如表6所示。

表6 不同電流對(duì)應(yīng)推力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖18 有限元仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果推力對(duì)比Fig.18 The thrust comparison between the FE simulation result and experiment result

圖18給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與有限元仿真結(jié)果的對(duì)比。由圖18可以看出，電機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在1A～5A范圍內(nèi)與仿真結(jié)果吻合較好。

4 結(jié)論

通過電磁仿真和功能試驗(yàn),驗(yàn)證了雙邊型永磁同步直線電機(jī)在電磁發(fā)射應(yīng)用中在力能指標(biāo)、變流控制方面的優(yōu)勢(shì)。

1)電機(jī)采用多重雙邊永磁同步直線電機(jī)結(jié)構(gòu),采用有限元建模法與實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)比可以驗(yàn)證直線電機(jī)受力情況,從而為更大尺寸、更多重?cái)?shù)、更大電流的全尺寸電磁發(fā)射用直線電機(jī)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2)變流器采用多相H橋拓?fù)?控制方式采用光電式傳感器,硬件控制快速算法,這無論對(duì)于水平運(yùn)動(dòng)的縮比樣機(jī)還是垂直運(yùn)動(dòng)的全尺寸系統(tǒng),在控制技術(shù)上是可以通用的,只是在電路規(guī)模、器件功率、傳感器規(guī)模等方面存在差異。

3)縮比樣機(jī)由于所需發(fā)射能量較小,僅需電容儲(chǔ)能即可,而全尺寸發(fā)射系統(tǒng)所需能量大,必須設(shè)計(jì)相適應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng),但儲(chǔ)能系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,只需要保證發(fā)射過程中輸出到變流器上的直流母線電壓跌落程度在允許范圍內(nèi)即可,這種實(shí)驗(yàn)可以單獨(dú)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

4)機(jī)械輔助接口技術(shù)涉及具體的直線電機(jī)和載荷的質(zhì)量、形狀和尺寸,需要對(duì)真實(shí)發(fā)射場(chǎng)景進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。