三電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同步技術(shù)研究

馬 捷,韓 迪,邊黨偉,胡 鑫

(1.西北機(jī)電工程研究所, 陜西 咸陽(yáng) 712000；2.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 陜西 西安 710029)

交流永磁電機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小和質(zhì)量小等顯著優(yōu)點(diǎn)成為目前研究的熱點(diǎn)，尤其是在火炮隨動(dòng)系統(tǒng)方面，有很好的應(yīng)用前景。隨著彈炮結(jié)合、自行高炮武器系統(tǒng)及壓制火炮的發(fā)展，對(duì)隨動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出了更大功率和大慣量的需求。由于現(xiàn)代火炮結(jié)構(gòu)緊湊型設(shè)計(jì)，單個(gè)電機(jī)隨著功率的增大，體積也變得很大，不符合緊湊型的火炮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且安裝困難，受技術(shù)條件的限制，必須采取多電機(jī)聯(lián)動(dòng)才能滿足功率和緊湊型火炮結(jié)構(gòu)的要求。

多電機(jī)火炮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要用于驅(qū)動(dòng)火炮炮塔運(yùn)動(dòng)，為此必須進(jìn)行同步控制，同步性能受驅(qū)動(dòng)性能不匹配、負(fù)載擾動(dòng)等諸多因素的影響。因此，實(shí)現(xiàn)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的同步運(yùn)行和具有高的同步性能成為研究的熱點(diǎn)，筆者主要研究多電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步技術(shù)[1]。

1 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成和原理

采用三電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的控制方式，使3臺(tái)電機(jī)具有相同的運(yùn)行速度，即驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅能在勻速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)達(dá)到同步，而且在加、減速的動(dòng)態(tài)過程中，電機(jī)也能同步運(yùn)行。而對(duì)于2臺(tái)完全相同的電機(jī)，則對(duì)于相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其輸出速度必然相同。據(jù)此原理，設(shè)計(jì)了如圖1所示的三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制模型[2]。

從圖1可以看出，多電機(jī)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括3臺(tái)永磁同步電機(jī)。主電機(jī)驅(qū)動(dòng)包括速度環(huán)和電流環(huán)，從電機(jī)驅(qū)動(dòng)只包括電流環(huán)，且接收主電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸入，而無速度反饋，這樣就保證了3臺(tái)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)矩主令相同，都是按照主電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式來運(yùn)行，理論上實(shí)現(xiàn)同步驅(qū)動(dòng)。

2 三電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同步控制要求電機(jī)輸出同樣的力和轉(zhuǎn)速，這樣才能夠起到同步驅(qū)動(dòng)炮塔的作用。由于是3臺(tái)電機(jī)，結(jié)構(gòu)上驅(qū)動(dòng)齒輪分別相差120°，裝在座圈周圍[3]，如圖2所示。

這樣設(shè)計(jì)的原則是讓負(fù)載的力矩盡可能平分在3個(gè)電機(jī)軸上，盡量降低負(fù)載力矩不均等對(duì)三電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的影響。

2.2 速度環(huán)控制器設(shè)計(jì)

三電機(jī)同步聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)相對(duì)于普通的伺服系統(tǒng)來說，面對(duì)的最主要問題就是三電機(jī)速度同步的問題。筆者將3臺(tái)電機(jī)的電流環(huán)指令信號(hào)并聯(lián),將主電機(jī)的速度環(huán)保留,從電機(jī)的速度環(huán)斷開，保證了3臺(tái)電機(jī)接受的驅(qū)動(dòng)信號(hào)完全一致，從而實(shí)現(xiàn)三電機(jī)同步，為了使三電機(jī)具有較高的調(diào)速性能，通過調(diào)整速度環(huán)、電流環(huán)參數(shù)對(duì)電機(jī)的調(diào)速性能進(jìn)行調(diào)整。這要求速度環(huán)具有較高的調(diào)速性能和抗擾動(dòng)性，設(shè)計(jì)的分段PID控制器如圖3所示。

2.3 電流環(huán)設(shè)計(jì)

利用id=0矢量控制，如圖4所示，d、q為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，D、Q為靜止軸系。在電流環(huán)中利用park變換，park反變換，calark變換，calark反變換，對(duì)電流進(jìn)行2-3-2矢量變換，控制id、iq就可以控制電機(jī)三相電流，控制方法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，控制性能好[4]。

2.4 差速反饋控制設(shè)計(jì)

在理想情況下,若2臺(tái)電機(jī)完全相同,則對(duì)于相同的指令信號(hào),其輸出速度必然相同，然而由于電機(jī)等元器件存在離散性,即使是標(biāo)稱參數(shù)相同的元器件，其實(shí)際參數(shù)也不可能完全一致,而且作用在電機(jī)上的力矩也不可能完全相同，主電機(jī)由于具有速度環(huán)，轉(zhuǎn)速對(duì)于負(fù)載變化具有魯棒性，而對(duì)于沒有速度環(huán)的兩臺(tái)從電機(jī)負(fù)載變化會(huì)影響轉(zhuǎn)速，因此必須通過一定的控制手段解決多電機(jī)同步聯(lián)動(dòng)的問題。

檢驗(yàn)同步聯(lián)動(dòng)效果必須以速度是否同步為依據(jù)。這里采用了一種差速負(fù)反饋的同步聯(lián)動(dòng)控制方案。不失一般性，以雙電機(jī)同步系統(tǒng)為例,如圖5，任取其中一個(gè)電機(jī)作為主電機(jī),保留其速度環(huán),另一個(gè)為從電機(jī),斷開其速度環(huán)，對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)器而言，輸入的電流指令是基本電流給定信號(hào)和差速反饋信號(hào)線性疊加之后的復(fù)合信號(hào)。其中兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的差速負(fù)反饋信號(hào)大小相等，極性相反[5-6]。

在動(dòng)態(tài)過程中,若2臺(tái)電機(jī)速度不同步,速差經(jīng)過線性放大之后分別反饋到兩電機(jī)的電流給定端作為輔助輸入，由于電流環(huán)的響應(yīng)要比速度環(huán)的響應(yīng)快得多,所以將差速信號(hào)引至電流給定處能盡快地抑制兩電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同步，當(dāng)電機(jī)1的速度大于電機(jī)2時(shí)，電機(jī)1的接收驅(qū)動(dòng)主令就會(huì)減小，而驅(qū)動(dòng)器2的驅(qū)動(dòng)主令就會(huì)增加,這樣就會(huì)控制兩電機(jī)的速度同步[7]。

根據(jù)兩電極差速反饋原理，研究三電機(jī)的同步運(yùn)行問題，三電機(jī)差速反饋控制原理框圖如圖6所示。

3臺(tái)電機(jī)兩兩之間進(jìn)行轉(zhuǎn)速求差,分別與速度調(diào)節(jié)器輸出合成送給3個(gè)驅(qū)動(dòng)器。為了保證三電機(jī)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)同步，其3個(gè)比例系數(shù)(K1,K2,K3)需要分別進(jìn)行調(diào)整，從而使電機(jī)較好的同步。研究發(fā)現(xiàn)，差速反饋系數(shù)決定著同步性能的好壞，當(dāng)比例系數(shù)太小，3臺(tái)電機(jī)的同步效果不好；當(dāng)比例系數(shù)取值過大，則可能引起并聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不穩(wěn)定。而且，由于各電機(jī)之間是兩兩之間取差，每個(gè)比例系數(shù)都會(huì)影響到3臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行。

3 三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真

采用Matlab/Simulink建立系統(tǒng)模型，仿真參數(shù)如下：3臺(tái)永磁同步電機(jī)參數(shù)相同，電機(jī)電阻R=6.6 mΩ,直軸電感Ld=0.734 mL,交軸電感Lq=1.74 mH,永磁體磁鏈ψf=0.192 Wb,極對(duì)數(shù)p=3,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.16 kg·m2，額定轉(zhuǎn)速5 000 r/min，逆變器輸入電壓320 V。由于在仿真情況下，3臺(tái)電機(jī)參數(shù)是完全相同的，通過模擬加載在電機(jī)軸上的力矩不同來模擬實(shí)際中情況。仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

上述仿真可以看到,當(dāng)電機(jī)上負(fù)載力矩完全相同時(shí)，3臺(tái)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)同步控制，但是在3臺(tái)電機(jī)負(fù)載力矩各不相同時(shí)，圖8顯示，沒有速度環(huán)的電機(jī)2和電機(jī)3，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)很大偏差，無法實(shí)現(xiàn)同步控制。

為了解決此問題，加入差速反饋控制進(jìn)行仿真，條件為在0.3 s時(shí)刻，分別給主電機(jī)加載大小互不相同的轉(zhuǎn)矩，仿真結(jié)果如圖9～圖12所示。

從以上的仿真對(duì)比看出，筆者設(shè)計(jì)的三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同步控制模型能夠?qū)崿F(xiàn)多電機(jī)的同步聯(lián)動(dòng)，當(dāng)三電機(jī)上負(fù)載力矩不同時(shí)，利用差速反饋控制可以很好地解決電機(jī)不同步的問題。

4 結(jié) 論

本文建立了三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同步控制模型，提出了一種主從結(jié)構(gòu)模式，保留主電機(jī)的速度環(huán)，利用主電機(jī)的速度環(huán)輸出分別作為3臺(tái)電機(jī)的輸入，這保證了3臺(tái)電機(jī)接收的轉(zhuǎn)矩主令是相同的，但由于2臺(tái)從電機(jī)沒有速度環(huán)，機(jī)械特性較軟，當(dāng)加載其上的負(fù)載與主電機(jī)不同時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)同步?；诖藛栴}，筆者提出的三電機(jī)差速反饋控制技術(shù)，仿真結(jié)果表明，該技術(shù)解決了3臺(tái)電機(jī)受負(fù)載力矩不同時(shí)轉(zhuǎn)速不同的問題，并具有較高的精度，具有工程實(shí)用價(jià)值。

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