吳晏辰, 王英民

(西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安 710072)

側(cè)掃聲吶已廣泛應用于海底測繪、勘測、施工、障礙物和沉積物探測等[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)掃聲吶測量過程中，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)。為了達到這一目的，伺服系統(tǒng)便成為了側(cè)掃聲吶測量中的必要設(shè)備，它可以通過收放側(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驅(qū)動[5-6]，但液壓驅(qū)動存在無效能量轉(zhuǎn)換、能源利用率較低、復雜度較高等缺陷，鑒于此，電驅(qū)動系統(tǒng)越來越多的被用于纜繩的收放控制[7]。有多種電機可用于伺服驅(qū)動[8-9]，其中，永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、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，在伺服領(lǐng)域具有良好的應用前景[10]。本文針對側(cè)掃聲吶高度控制應用，設(shè)計了一個永磁同步電機伺服系統(tǒng)，并對其控制技術(shù)進行了研究，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、動態(tài)性能以及魯棒性。

1 PMSM伺服系統(tǒng)

所設(shè)計的側(cè)掃聲吶用永磁同步電機伺服系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，永磁同步電機與輪盤相連，通過控制電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向，實現(xiàn)盤繞在輪盤上的鎧裝纜的收放，進而達到調(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

永磁同步電機是依據(jù)功率、轉(zhuǎn)速、效率等指標要求，通過場路耦合方法設(shè)計的，主要包括指標分析、總體結(jié)構(gòu)分析、材料選取、鐵芯尺寸計算、繞組設(shè)計、性能優(yōu)化等。關(guān)鍵在于電磁負荷的選取、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)計準表貼式永磁同步電機的截面圖，相比于內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，它具有結(jié)構(gòu)簡單，電氣時間常數(shù)小，加工周期短、費用低等優(yōu)點，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)計準表貼式永磁同步電機截面圖

永磁同步電機驅(qū)動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，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 永磁同步電機驅(qū)動器主功率電路拓撲

IGBT的驅(qū)動電路必須具備如下2個功能：

1) 實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動IGBT柵極間的電隔離；

2) 提供合適的柵極驅(qū)動脈沖。

此外，驅(qū)動電路的設(shè)計還需考慮靈活性、擴展性、性價比等因素。分立式驅(qū)動電路簡單、成本低廉，但其集成度低，復雜度高，易受干擾且保護不夠完善，而模塊化驅(qū)動集成度高，抗干擾能力強且保護全面，故本文所設(shè)計系統(tǒng)采用了模塊化的IGBT驅(qū)動。

為了控制關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管回復浪涌電壓并減小關(guān)斷損耗，需要設(shè)計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)計系統(tǒng)中，由于輸出電流較大，且受到驅(qū)動器體積限制，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。

本文所設(shè)計永磁同步電機伺服系統(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、電機溫度等模擬信號經(jīng)信號調(diào)理電路后，送至DSP的片內(nèi)A/D進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，相電流經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理后，送至片外A/D轉(zhuǎn)換芯片進行模數(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檢測電機轉(zhuǎn)子位置，由解碼芯片為旋轉(zhuǎn)變壓器提供激勵信號，并對旋變反饋的位置和速度信號進行解碼，數(shù)據(jù)送至CPLD；電壓、電流、溫度、故障等信息由DSP通過RS422接口傳送給上位機；故障報警等外部中斷信號送給DSP外部中斷擴展口，供DSP作相應的處理；增強型PWM模塊通過矢量控制輸出PWM波，經(jīng)CPLD邏輯綜合后送給功率驅(qū)動模塊來控制功率橋。

圖4 永磁同步電機控制器原理框圖

除上述電機和硬件電路外，還針對聲吶伺服控制的具體工況，計算了驅(qū)動器及控制器的損耗，并基于集中參數(shù)熱網(wǎng)絡方法，對散熱系統(tǒng)進行了設(shè)計，最終采用了冷板配合強迫風冷的冷卻方式。

2 MTPA矢量控制

永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)具有非線性、多變量和強耦合的特點，增加了控制難度，常見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他勵直流電機的模擬，其目的在于通過對交直軸電流的控制，改善電機輸出轉(zhuǎn)矩的性能。圖5為傳統(tǒng)永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)原理框圖。

圖5 傳統(tǒng)永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)原理框圖

式中，ψf為永磁體磁鏈。

由(1)式可求得id的表達式：

2(Ld-Lq)(2)

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

3 SMVS矢量控制

基于永磁同步電機的側(cè)掃聲吶伺服系統(tǒng)具有多變量、強耦合及參數(shù)時變等特點，存在較多的內(nèi)、外部干擾。比如：拖曳體施加給電機的負載會隨著作業(yè)工況發(fā)生變化，可視為外部干擾；電機運行時，定子繞組電阻值會隨著溫度發(fā)生變化，可視為內(nèi)部參數(shù)擾動，這些干擾會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。該控制策略的特點在于其控制“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是依據(jù)系統(tǒng)當前的狀態(tài)，如偏差及其各階導數(shù)等，有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預定的“滑動模態(tài)”軌跡運動。該控制方法與被控對象參數(shù)及擾動無關(guān)，具有快速響應、對參數(shù)變化及擾動不敏感、無需在線辨識、物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。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)運行的魯棒性，提高其性能。

2〗1=x2=-ω′r

式中，Pn為極對數(shù)，J為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動慣量。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)

由可達性條件ss′<0可推導出(5)式中的系數(shù)A,B。為了削弱滑模控制的抖振，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)控制器輸出的開關(guān)信號轉(zhuǎn)換成平均轉(zhuǎn)矩指令信號。

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

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

2) 利用SMVS計算交軸電流參考值，提高系統(tǒng)魯棒性。

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

圖6 本文所設(shè)計的永磁同步電機矢量控制系統(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，電機具有良好的動穩(wěn)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速能夠快速達到預設(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，整個過程無超調(diào)，且穩(wěn)態(tài)誤差很小。需要說明的是，由于電機轉(zhuǎn)速在0.3 s即達到穩(wěn)定，且波動非常小，所以聲吶高度近似線性增加，直至6 s后達到所需值，電機停止運行。此外，仿真過程中，在負載轉(zhuǎn)矩上疊加了一定幅值的隨機擾動，以模擬聲吶伺服控制的實際工況，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用于側(cè)掃聲吶的伺服控制，通過控制電機的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)向，調(diào)節(jié)拖體距離海底的高度。設(shè)計了準表貼式永磁同步電機，給出了驅(qū)動器及控制器的拓撲及原理框圖。對矢量控制方法進行了改進。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)外部擾動的能力。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計側(cè)掃聲吶永磁同步電機伺服系統(tǒng)具有良好的動穩(wěn)態(tài)性能和魯棒性。

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