雷毅 何萬國

（海軍駐中國艦船研究設(shè)計中心軍事代表室， 武漢 430064）

1 引言

目前我國電動魚雷推進(jìn)直流電機(jī)均采用雙速制方式，利用電池組的串并聯(lián)實現(xiàn)魚雷兩種速度的航行[1]，這種方法的主要缺陷是由于無法實現(xiàn)魚雷航行中機(jī)動變速，既不能實現(xiàn)魚雷彈道的最佳控制性能，也不能最大限度地利用有限的能源增大魚雷航程，難以滿足日益需求的魚雷戰(zhàn)術(shù)要求。而電動魚雷采用無級變速，使魚雷在線導(dǎo)階段，操作者可根據(jù)噪聲掩蓋和目標(biāo)運(yùn)動情況實時改變航速，以保證對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤；在自導(dǎo)階段，魚雷根據(jù)目標(biāo)狀態(tài)、目標(biāo)信號強(qiáng)度和魚雷自噪聲等原因自動調(diào)整航行速度，可以獲得最佳的戰(zhàn)術(shù)攻擊效果，并能有效地利用魚雷能源，提高魚雷航程。因此，實現(xiàn)電動魚雷的無極變速，成為世界各魚雷生產(chǎn)國投入大量的財力，進(jìn)行該項魚雷高新技術(shù)的開發(fā)和研究。

圖1 魚雷推進(jìn)電機(jī)斬波調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

文中提出的魚雷推進(jìn)電機(jī)斬波調(diào)速系統(tǒng)是采用TMS320LF2407A為控制核心、H橋式直流斬波驅(qū)動、電流內(nèi)環(huán) PI調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)速外環(huán) Fuzzy-PI調(diào)節(jié)及轉(zhuǎn)速電流測量等環(huán)節(jié)的微機(jī)控制雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)[2]。圖1為魚雷推進(jìn)電機(jī)直流斬波調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。魚雷電池組作為斬波器直流電源，其電功率通過斬波器和電機(jī)轉(zhuǎn)換為魚雷運(yùn)動的機(jī)械功率，由IGBT構(gòu)成的橋式斬波電路將蓄電池的直流電斬波成電壓連續(xù)可調(diào)的直流電，供給魚雷推進(jìn)電機(jī)使用。根據(jù)魚雷轉(zhuǎn)速變化的要求，實時調(diào)整斬波器的占空比，改變魚雷電機(jī)的輸入電壓，進(jìn)而改變魚雷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)魚雷的變速航行，提高魚雷的戰(zhàn)術(shù)性能。

2 調(diào)速系統(tǒng)控制方案

直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于電樞端電壓U，故控制U就可以控制轉(zhuǎn)速n。圖2是H型雙極性可逆PWM驅(qū)動系統(tǒng)[3]。四個開關(guān)管分成兩組，VT1和VT4為一組，VT2和VT3為一組。一組的開關(guān)管同步導(dǎo)通或關(guān)斷，兩組的開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。

圖2 H型雙極性可逆PWM驅(qū)動系統(tǒng)

在每個PWM周期里，當(dāng)VT1和VT4導(dǎo)通時，VT2和VT3截止，電樞繞組承受從A到B的正向電壓，反之電樞繞組承受從A到B的反向電壓。由于在一個PWM周期里電樞電壓經(jīng)歷了正反兩次變化，因此其平均電壓

由（1）可見，雙極性可逆PWM驅(qū)動時，電樞繞組所受的平均電壓取決于占空比D大小。當(dāng)D=1時，Ua=Us，電動機(jī)正轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速最大；當(dāng)D=1/2時，Ua=0，電動機(jī)不轉(zhuǎn)，雖然電動機(jī)不轉(zhuǎn)，但電樞繞組中仍有交變電流流動，使電動機(jī)產(chǎn)生高頻振蕩，這種振蕩有利于克服電動機(jī)負(fù)載的靜摩擦，提高動態(tài)性能；當(dāng)D=0時，Ua=?Us，電動機(jī)反轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速最大。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

設(shè)計中選用主控芯片TMS320LF2407A是專門為電機(jī)的數(shù)字化控制而設(shè)計，特別適合于橋式直流電機(jī)的高性能控制[4]。圖3為控制系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖。通過 DSP的 PWM輸出引腳PWM1-PWM4輸出的控制信號進(jìn)行控制。采用增量式光電編碼器與電機(jī)相連，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時編碼器產(chǎn)生脈沖，由光電編碼盤接口（QEP）進(jìn)入DSP通過對脈沖進(jìn)行計數(shù)，獲得速度反饋信號。電流檢測回路采用霍爾電流傳感器檢測電流變化，通過ADCIN00引腳輸入給DSP，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電流反饋信號。獲取給定速度后，DSP計算出PWM 占空比，輸出 PWM 信號經(jīng)光耦合驅(qū)動IGBT橋[6]，電動機(jī)將根據(jù)要求的速度轉(zhuǎn)動。

圖3 PWM雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)硬件框圖

3 軟件設(shè)計

圖4 ADC中斷處理子程序框圖

采用 DSP實現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速控制的軟件由初始化程序、主程序和中斷子程序等組成。初始化程序主要有系統(tǒng)時鐘初始化、SCI模塊初始化、PWM 初始化、電流電壓采樣初始化、速度采樣初始化、系統(tǒng)變量初始化等。采用定時器1周期中斷標(biāo)志來啟動A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)速結(jié)束后申請ADC中斷，圖 4是 ADC 中斷處理子程序框圖。全部控制功能都通過中斷子程序來完成。在每個PWM周期（50 μs）都進(jìn)行一次電流采樣和電流PI調(diào)節(jié)，因此電流采樣周期和PWM周期相同，以實現(xiàn)實時控制。由于速度時間常數(shù)較大，在本程序中設(shè)計每90個PWM周期（4.5 ms）對速度進(jìn)行一次調(diào)節(jié)[8]。速度外環(huán)采用模糊自整定PID調(diào)節(jié)器，其模糊自整定PID參數(shù)程序是在定時器T1中斷服務(wù)程序中完成，圖5是PID參數(shù)自整定程序框圖。

圖5 PID參數(shù)自整定程序流程

4 實驗結(jié)果

為檢驗魚雷直流斬波調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)無極變速，具有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能，本系統(tǒng)的實驗是在一臺30 kW直流電機(jī)上進(jìn)行的，實驗所用負(fù)載為一臺電渦流測功機(jī)。系統(tǒng)上位機(jī)采用可靠性較高的工控機(jī)，與主控DSP通訊部分采用的是 CAN 通訊模式。系統(tǒng)使用LabWindows/CVI6.0軟件開發(fā)了上位機(jī)的控制軟件。實驗結(jié)果如下：

圖6為電機(jī)從0加速到500 rpm時速度響應(yīng)曲線，從圖中可以看到過渡時間僅為0.2 s。

圖7為電機(jī)從0加速到1000 rpm時速度響應(yīng)曲線，從圖中可以看到過渡時間僅為0.3 s。

圖6 電機(jī)從0加速到500 rpm時速度響應(yīng)曲線

圖7 電機(jī)從0加速到1000 rpm時速度響應(yīng)曲線

圖8為電機(jī)從0加速到2000 rpm時速度響應(yīng)曲線，從圖中可以看到過渡時間僅為0.45 s。

圖8 電機(jī)從0加速到2000 rpm時速度響應(yīng)曲線

圖9為電機(jī)從1000 rpm減速到0時速度響應(yīng)曲線，從圖中可以看到過渡時間僅為0.26 s。

圖9 電機(jī)從1000 rpm減速到0時速度響應(yīng)曲線

試驗結(jié)果表明實驗系統(tǒng)響應(yīng)速度快、變速沖擊小、運(yùn)行穩(wěn)定，具有良好的動靜態(tài)性能。

5 結(jié)束語

針對目前我國電動魚雷主要采用電池組的串并聯(lián)實現(xiàn)魚雷二種速度的航行，其主要缺陷是變速過程沖擊大，調(diào)速范圍窄，難以滿足魚雷戰(zhàn)術(shù)要求的特點(diǎn)，本文進(jìn)行了魚雷直流斬波調(diào)速系統(tǒng)的研究。該系統(tǒng)以TMS320LF2407A為控制核心，主電路采用H橋式直流斬波驅(qū)動和轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速。電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)使用PI調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán)使用Fuzzy-PI調(diào)節(jié)。經(jīng)實驗室模擬負(fù)載試驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有損耗和發(fā)熱量小，節(jié)約能源，噪音低，響應(yīng)速度快，變速時沖擊小，運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

[1]謝順依, 劉小虎. 魚雷推進(jìn)電機(jī)斬波調(diào)速裝置研制[J]. 魚雷技術(shù), 2005.9.

[2]盧文生, 宋虎. 基于 DSP的直流斬波調(diào)速模糊控制器[J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報, 2008.1.

[3]王曉明, 王玲. 電動機(jī)的 DSP控制-TI公司 DSP應(yīng)用[M]. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社, 2004.7.

[4]林立, 唐旭等. 基于 DSP的 PWM雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)[J]. 微電機(jī),2007.4.

[5]Astrom,K.J. Hagglund. The future of PID control[J].Control Engineering Practice, 2001, 9(11)：1163-1175.

[6]王兆安, 黃俊. 電力電子技術(shù)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.6.

[7]Leonhard, W. Control of electrical drives 3rd ed.Springer Verlag, 2001.

[8]江思敏. TMS320LF240X DSP硬件開發(fā)教程[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2003.