魚(yú)雷直流電機(jī)斬波調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷毅 何萬(wàn)國(guó)

（海軍駐中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心軍事代表室， 武漢 430064）

1 引言

目前我國(guó)電動(dòng)魚(yú)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(shí)現(xiàn)魚(yú)雷兩種速度的航行[1]，這種方法的主要缺陷是由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)魚(yú)雷航行中機(jī)動(dòng)變速，既不能實(shí)現(xiàn)魚(yú)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(yú)雷航程，難以滿足日益需求的魚(yú)雷戰(zhàn)術(shù)要求。而電動(dòng)魚(yú)雷采用無(wú)級(jí)變速，使魚(yú)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(dòng)情況實(shí)時(shí)改變航速，以保證對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤；在自導(dǎo)階段，魚(yú)雷根據(jù)目標(biāo)狀態(tài)、目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度和魚(yú)雷自噪聲等原因自動(dòng)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(yú)雷能源，提高魚(yú)雷航程。因此，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)魚(yú)雷的無(wú)極變速，成為世界各魚(yú)雷生產(chǎn)國(guó)投入大量的財(cái)力，進(jìn)行該項(xiàng)魚(yú)雷高新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研究。

圖1 魚(yú)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(yú)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(dòng)、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(cè)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(yú)雷推進(jìn)電機(jī)直流斬波調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。魚(yú)雷電池組作為斬波器直流電源，其電功率通過(guò)斬波器和電機(jī)轉(zhuǎn)換為魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)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(yú)雷推進(jìn)電機(jī)使用。根據(jù)魚(yú)雷轉(zhuǎn)速變化的要求，實(shí)時(shí)調(diào)整斬波器的占空比，改變魚(yú)雷電機(jī)的輸入電壓，進(jìn)而改變魚(yú)雷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)魚(yú)雷的變速航行，提高魚(yú)雷的戰(zhàn)術(shù)性能。

2 調(diào)速系統(tǒng)控制方案

直流電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)[3]。四個(gè)開(kāi)關(guān)管分成兩組，VT1和VT4為一組，VT2和VT3為一組。一組的開(kāi)關(guān)管同步導(dǎo)通或關(guān)斷，兩組的開(kāi)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(dòng)系統(tǒng)

在每個(gè)PWM周期里，當(dāng)VT1和VT4導(dǎo)通時(shí)，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(gè)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(jiàn)，雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)時(shí)，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(shí)，Ua=Us，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速最大；當(dāng)D=1/2時(shí)，Ua=0，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，雖然電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，但電樞繞組中仍有交變電流流動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高頻振蕩，這種振蕩有利于克服電動(dòng)機(jī)負(fù)載的靜摩擦，提高動(dòng)態(tài)性能；當(dāng)D=0時(shí)，Ua=?Us，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速最大。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中選用主控芯片TMS320LF2407A是專門(mén)為電機(jī)的數(shù)字化控制而設(shè)計(jì)，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(jì)框圖。通過(guò) DSP的 PWM輸出引腳PWM1-PWM4輸出的控制信號(hào)進(jìn)行控制。采用增量式光電編碼器與電機(jī)相連，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)編碼器產(chǎn)生脈沖，由光電編碼盤(pán)接口（QEP）進(jìn)入DSP通過(guò)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲得速度反饋信號(hào)。電流檢測(cè)回路采用霍爾電流傳感器檢測(cè)電流變化，通過(guò)ADCIN00引腳輸入給DSP，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電流反饋信號(hào)。獲取給定速度后，DSP計(jì)算出PWM 占空比，輸出 PWM 信號(hào)經(jīng)光耦合驅(qū)動(dòng)IGBT橋[6]，電動(dòng)機(jī)將根據(jù)要求的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。

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(jì)

圖4 ADC中斷處理子程序框圖

采用 DSP實(shí)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(shí)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(shí)器1周期中斷標(biāo)志來(lái)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)速結(jié)束后申請(qǐng)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(guò)中斷子程序來(lái)完成。在每個(gè)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。由于速度時(shí)間常數(shù)較大，在本程序中設(shè)計(jì)每90個(gè)PWM周期（4.5 ms）對(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

為檢驗(yàn)魚(yú)雷直流斬波調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)極變速，具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)是在一臺(tái)30 kW直流電機(jī)上進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)所用負(fù)載為一臺(tái)電渦流測(cè)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(kāi)發(fā)了上位機(jī)的控制軟件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

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

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

圖6 電機(jī)從0加速到500 rpm時(shí)速度響應(yīng)曲線

圖7 電機(jī)從0加速到1000 rpm時(shí)速度響應(yīng)曲線

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

圖8 電機(jī)從0加速到2000 rpm時(shí)速度響應(yīng)曲線

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

圖9 電機(jī)從1000 rpm減速到0時(shí)速度響應(yīng)曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)響應(yīng)速度快、變速?zèng)_擊小、運(yùn)行穩(wěn)定，具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前我國(guó)電動(dòng)魚(yú)雷主要采用電池組的串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)魚(yú)雷二種速度的航行，其主要缺陷是變速過(guò)程沖擊大，調(diào)速范圍窄，難以滿足魚(yú)雷戰(zhàn)術(shù)要求的特點(diǎn)，本文進(jìn)行了魚(yú)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(dòng)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(shí)驗(yàn)室模擬負(fù)載試驗(yàn)，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(shí)沖擊小，運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

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