水下航行器對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳用雙轉(zhuǎn)子永磁推進(jìn)電機(jī)研究

周 濤，朱志宇，尚明棟

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

水下航行器對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳用雙轉(zhuǎn)子永磁推進(jìn)電機(jī)研究

周 濤，朱志宇，尚明棟

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

為實(shí)現(xiàn)水下航行器高效穩(wěn)定運(yùn)行，將對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用到對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)中，不僅能夠簡(jiǎn)化推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減小體積、降低重量和成本，而且沒(méi)有電刷滑環(huán)，運(yùn)行更加安全可靠。本文模擬雙轉(zhuǎn)子在推進(jìn)器不同擾動(dòng)情況，觀察電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。針對(duì)雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制精度不高和解決兩邊轉(zhuǎn)子帶不平衡負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種積分型滑模變結(jié)構(gòu)控制器。該仿真結(jié)果表明，控制器使系統(tǒng)具有快速性和精確性且對(duì)負(fù)載擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性。

對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳；對(duì)轉(zhuǎn)永磁電機(jī)；矢量控制；積分滑模

0 引 言

水下航行器在高速航行時(shí)，由于質(zhì)量不大而動(dòng)力較大以及外形原因，使得單邊橫滾轉(zhuǎn)矩明顯，嚴(yán)重影響航行器的穩(wěn)定且易引起側(cè)翻。所以像魚雷等中小型水下航行器大都采用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)結(jié)構(gòu)，由兩同軸螺旋槳，1部正轉(zhuǎn)1部反向旋轉(zhuǎn)構(gòu)成，分別產(chǎn)生 2 個(gè)大小相等方向相反的單邊扭矩，如果電機(jī)控制合理，2個(gè)單邊扭矩就可以完全抵消，達(dá)到消除橫滾和側(cè)翻且提高動(dòng)力的目的[1]。

在風(fēng)力發(fā)電和水下航行器中常會(huì)用到此種對(duì)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，此外電動(dòng)航模直升機(jī)等一些需要消除橫滾轉(zhuǎn)矩的地方，都可考慮使用對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)結(jié)構(gòu)，但需要 2 個(gè)轉(zhuǎn)子同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)[2]。實(shí)現(xiàn)雙轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)目前有 3 種方法：1）反向安裝 2 臺(tái)完全一樣的普通電機(jī)。此種方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但是體積過(guò)大，成本較高；2）只安裝 1 臺(tái)電機(jī)，通過(guò)復(fù)雜的機(jī)械變速結(jié)構(gòu)將 1 臺(tái)電機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)換成 2個(gè)異向旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。但此方法使系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜機(jī)械磨損大，魯棒性降和效率降低；3）采用新型結(jié)構(gòu)的對(duì)轉(zhuǎn)式雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)，該電機(jī)由 2 根軸傳遞動(dòng)力效率高、體積小，提高了航行器推進(jìn)系數(shù)并可增強(qiáng)推進(jìn)裝置功能[3]。

本文對(duì)水下航行器推進(jìn)用新型對(duì)轉(zhuǎn)式雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)進(jìn)行研究，該電機(jī)的最大特點(diǎn)是有 1 個(gè)電輸入和 2 個(gè)獨(dú)立的機(jī)械輸出。 1 臺(tái)電機(jī)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)雙機(jī)械端口輸出，不僅體積小、重量輕，降低了成本，而且沒(méi)有電刷，安全可靠性高[4]。通過(guò)內(nèi)外推進(jìn)軸直接帶動(dòng)正反轉(zhuǎn)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，在有效避免中小型水下航行器發(fā)生側(cè)滾現(xiàn)象和保證航行器前進(jìn)姿態(tài)的同時(shí)，還可明顯降低推進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)噪聲，整體運(yùn)行效率提高。對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳（CRP）系統(tǒng)之所以高效的原因在于，前槳產(chǎn)生的渦動(dòng)能量則可以通過(guò)后槳加以回收。此外，對(duì)于相同的推力要求，對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳降低了單個(gè)槳所承受的負(fù)荷，減少了空泡噪聲，因而也改善了螺旋槳的效率。經(jīng)研究表明，對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)的節(jié)能效果可達(dá) 10%～20%[5-6]。因此，它被廣泛應(yīng)用于各種水上、水下裝備中。

1 電機(jī)工作原理與數(shù)學(xué)模型

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的內(nèi)外轉(zhuǎn)子與定子是由 2 個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)耦合在一起的，這與傳統(tǒng)電機(jī)有很大不同。在定子內(nèi)外兩側(cè)的三相對(duì)稱繞組中通入三相對(duì)稱電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。定子磁通被分為兩部分，分別穿過(guò)內(nèi)外氣隙與 2 個(gè)轉(zhuǎn)子交鏈，此時(shí)可在轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生各自的電磁轉(zhuǎn)矩。 2 個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁通都經(jīng)過(guò)定子鐵心，它們分別與定子內(nèi)外繞組交鏈，而定子內(nèi)外繞組又是串聯(lián)在一起的，故可以把這種電機(jī)簡(jiǎn)化看作為 2 個(gè)電機(jī)的串聯(lián)。

對(duì)轉(zhuǎn)式雙轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組可以等效成內(nèi)、外永磁電動(dòng)機(jī)的定子繞組相串聯(lián)，此時(shí)有id1=id2=id，iq1=iq2=iq。因此，在d，q軸坐標(biāo)系中等效定子繞組的電壓方程為：

式中：ud1，uq1，ψd1，ψq1，id1，iq1分別為外部定子的電壓和磁鏈電流的dq軸分量；ud2，uq2，ψd2，ψq2，id2，iq2分別為內(nèi)部定子的電壓，磁鏈，電流的dq軸分量；Rs1，Rs2為外內(nèi)定子繞組電阻。電機(jī)外內(nèi)部電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為和運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：ωr1，ωr2為外內(nèi)轉(zhuǎn)子電角速度；np1，np2為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)；TL1，TL2分別為轉(zhuǎn)子軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Bm1，Bm2為 2 個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)阻力系數(shù)。

電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為：

2 對(duì)轉(zhuǎn)永磁電機(jī)矢量控制

矢量控制具有線性轉(zhuǎn)矩特性，控制效率高，調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)，具有良好的起動(dòng)性能和較寬的調(diào)速范圍[7-9]。對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后，id和iq之間仍存在著耦合，要獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，就必須實(shí)現(xiàn)id和iq的解耦。對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步推進(jìn)電動(dòng)機(jī)可等效看成 2 個(gè)電機(jī)串聯(lián)，只需有效地控制定子，就可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。如能控制id= 0，整個(gè)控制過(guò)程中就沒(méi)有電樞反應(yīng)的去磁問(wèn)題，不涉及電機(jī)參數(shù)，實(shí)時(shí)性高、魯棒性好。雙轉(zhuǎn)子永磁同步推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程式為：

3 滑模控制器設(shè)計(jì)

3.1 滑模面的設(shè)計(jì)

根據(jù)電機(jī)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)變量為：

對(duì)上式求導(dǎo)可得：

文獻(xiàn)[8] 中所取滑模面包含速度誤差的微分量，會(huì)引入高頻噪聲。本文在常規(guī)滑模面的基礎(chǔ)上加入狀態(tài)量的積分量，得到積分滑模面為：

選取積分初始值：

式中：x0為x1初始狀態(tài)；I0為積分初始值；c為積分常數(shù)。當(dāng)t= 0 時(shí)，s= 0，此時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始在滑模面上運(yùn)動(dòng)，使系統(tǒng)具有全局魯棒性。另外，積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差。

3.2 控制律的選取

對(duì)式（10）求導(dǎo)得：

為提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，采用指數(shù)趨近律法設(shè)計(jì)控制器。指數(shù)趨近律的表達(dá)式為：

由式（12）和式（13）可得：

滑模控制系統(tǒng)中高頻抖振問(wèn)題不可避免，對(duì)抖振的合理抑制是實(shí)現(xiàn)精確控制的關(guān)鍵。指數(shù)趨近律法減弱滑模抖振效果良好。此外，采用飽和函數(shù) sat(s,δ) 代替控制律中的符號(hào)函數(shù) sgn(s)，能進(jìn)一步改進(jìn)該問(wèn)題。

4 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)以上對(duì)轉(zhuǎn)永磁電機(jī)數(shù)學(xué)模型與控制研究, 利用Matlab/Simulink 建立電機(jī)的仿真模型, 對(duì) 2 個(gè)轉(zhuǎn)子分別進(jìn)行空載、加平衡負(fù)載和不平衡負(fù)載, 模擬航行器在水下受到水流擾動(dòng)時(shí) 2 個(gè)螺旋槳的受力。當(dāng)航行器受到干擾時(shí)，兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，若不能有效地減弱和消除擾動(dòng)，航行器會(huì)失去平衡。對(duì)內(nèi)外 2 個(gè)轉(zhuǎn)子采用相同的參考轉(zhuǎn)速, 分別進(jìn)行 PI 調(diào)節(jié)。

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，逆變器輸出的調(diào)制波在進(jìn)行濾波后保持三相對(duì)稱是系統(tǒng)穩(wěn)定的基本條件。圖 2 為電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下空載運(yùn)行時(shí)電流和轉(zhuǎn)矩波形，電流三相對(duì)稱且紋波小。

表1 對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)參數(shù)Tab. 1 Counter rotating permanent magnet synchronousr motor parameters

圖3 是矢量控制下對(duì)電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子軸加負(fù)載時(shí)電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形。當(dāng)加不平衡負(fù)載時(shí)可以明顯看出電機(jī)電流波動(dòng)且紋波增加，波動(dòng)的原因主要是電機(jī)兩邊永磁轉(zhuǎn)子磁鏈在定子繞組中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)包含在電機(jī)電動(dòng)勢(shì)中，因此當(dāng)電機(jī)加不平衡負(fù)載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子運(yùn)行并非一直同步，所以導(dǎo)致電流波形較大的原因在于轉(zhuǎn)子磁鏈在定子感應(yīng)出的反電動(dòng)勢(shì)在變化。即使在不平衡負(fù)載下運(yùn)行，三相電流雖有波動(dòng)，但仍保持在允許范圍內(nèi)對(duì)稱，電機(jī)運(yùn)行較穩(wěn)定。從圖 3（b）可以明顯看出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)增大，圖3（c）和圖 3（d）對(duì)比可以看出轉(zhuǎn)速有稍微變化相對(duì)較穩(wěn)定。

圖4 利用積分型滑模面設(shè)計(jì)的滑模控制器與矢量控制相比增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，積分滑模面的引入使系統(tǒng)具有了全局魯棒性。在 0.8 s 突加 10 N 負(fù)載，電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形如下。三相電流紋波明顯減小，表面雙轉(zhuǎn)子基本同步。轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形良好，當(dāng)加不平衡負(fù)載時(shí)雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速如圖 4 所示，響應(yīng)時(shí)間有稍微延遲，轉(zhuǎn)速雖有波動(dòng)，但在允許范圍內(nèi)，說(shuō)明系統(tǒng)具有很強(qiáng)魯棒性。滑模控制的穩(wěn)定性使航行器工作環(huán)境擴(kuò)大，成本降低。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)水下航行器對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)原理，提出采用雙轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)永磁電機(jī)，首先對(duì)該電機(jī)矢量控制進(jìn)行建模，仿真結(jié)果證明，電機(jī)矢量控制可以很好解決雙轉(zhuǎn)子速度調(diào)節(jié)問(wèn)題，響應(yīng)快，只是在雙轉(zhuǎn)子帶不平衡負(fù)載時(shí)會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)。為解決以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種積分滑模控制器，讓系統(tǒng)全局魯棒性提高，加不平衡負(fù)載仿真，結(jié)果顯示系統(tǒng)擾動(dòng)較小。可使水下航行器推進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感控制，工作環(huán)境適應(yīng)度大大提高且系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

[1]孟昭鶴. 水下航行器用雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)控制器的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 沈陽(yáng): 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué), 2009.

[2]饒志蒙, 黃守道, 成雙銀. 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳用永磁盤式對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)磁場(chǎng)仿真分析[J]. 湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 28(1): 39-41. RAO Zhi-meng, HUANG Shou-dao, CHENG Shuang-yin. The contra-rotating propeller disc counter rotating permanent magnet motor magnetic field simulation analysis[J]. Journal of Hunan University of Technology, 2014, 28(1): 39-41.

[3]張鳳閣, 劉光偉, 陳進(jìn)華. 異向旋轉(zhuǎn)雙機(jī)械口永磁電機(jī)磁路建模與場(chǎng)分析[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2009, 13(6): 804-809. ZHANG Feng-ge, LIU Guang-wei, CHEN Jin-hua. Double mechanical differential rotation mouth permanent magnet motor magnetic circuit modeling and field analysis[J]. Journal of Motor and Control, 2009, 13(6): 804-809.

[4]孫廣貴, 張鳳閣, 王鳳翔. 一種新型結(jié)構(gòu)的內(nèi)外轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 24(6): 874-877. SUN Guang-gui, ZHANG Feng-ge, WANG Feng-xiang. A new type of structure of outer rotor induction motor[J]. Journal of Liaoning University of Engineering Science, 2005, 24(6): 874-877.

[5]PAVANI G. Comparitive study of double-rotor permanentmagnet brushless motors with cylindrical and disc typeslot-less stator[D]. Baton Rouge: Louisiana State Univer-sity, 2007.

[6]王玉, 林秀桃, 宋詩(shī)軍. 矢量推進(jìn)自主水下航行器動(dòng)力學(xué)建模及仿真[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 47(2): 144-148. WANG Yu, LIN Xiu-tao, SONG Shi-jun. Vectored thrust of autonomous underwater navigation line vehicle dynamics modeling and simulation[J]. Journal of Tianjin University, 2014, 47(2): 144-148.

[7]徐海珠, 謝順依, 張林森, 等. 對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矢量控制[J]. 微特電機(jī), 2011, (10): 55-57. XU Hai-zhu, XIE Shun-yi, ZHANG Lin-sen. Counter rotating permanent magnet synchronous push into motor vector control[J]. Micro & Special Motor, 2011, (10): 55-57.

[8]GIERAS J F, WANG Rong-jie, KAMPER M J. Axial flux permanent magnet brushless machine[M]. New York: Springer, 2008: 11-12.

[9]魯文其, 黃文新, 胡育文. 永磁同步電動(dòng)機(jī)新型滑模觀測(cè)器無(wú)傳感器控制[J]. 控制理論與應(yīng)用, 2009, 26(4): 429-432. LU Wen-qi, HUANG Wen-xin, HU Yu-wen. New type of sliding mode observer for sensorless control of PMSM[J]. Control Theory and Using, 2009, 26(4): 429-432.

Underwater vehicle with double contra-rotating propeller rotor permanent magnet propulsion motor research

ZHOU Tao, ZHU Zhi-yu, SHANG Ming-dong
(School of Electrical and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

To achieve high efficiency and stable operation, underwater vehicle will counter rotating permanent magnet synchronous motor is applied to the contra-rotating propeller propulsion system, not only can simplify the structure of the propulsion system, reducing the volume, reduce weight and cost, and there is no brush slip ring, more safety and reliable operation. For the motor vector control simulation and design of double rotor under disturbances in the propeller speed following the plan. In order to realize high precision control of dual-rotor permanent magnet motor and on both sides of the rotor with unbalanced load torque disturbance, designed a kind of integral type sliding mode variable structure controller, the controller makes the system has the quickness and accuracy, and has strong robustness to load disturbances.

the contra-rotating propeller；counter rotating permanent magnet motor；vector control；integral sliding mode

TM351；U674

A

1672 - 7619(2017)04 - 0111 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.022

2016 - 08 - 18；

2016 - 09 - 22

周濤(1992 - )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樗潞叫衅麟娏ν七M(jìn)。