水下航行器對轉螺旋槳用雙轉子永磁推進電機研究

周 濤，朱志宇，尚明棟

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

水下航行器對轉螺旋槳用雙轉子永磁推進電機研究

周 濤，朱志宇，尚明棟

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

為實現(xiàn)水下航行器高效穩(wěn)定運行，將對轉永磁同步電動機應用到對轉螺旋槳推進系統(tǒng)中，不僅能夠簡化推進系統(tǒng)結構、減小體積、降低重量和成本，而且沒有電刷滑環(huán)，運行更加安全可靠。本文模擬雙轉子在推進器不同擾動情況，觀察電流、轉速和轉矩響應。針對雙轉子永磁電機的轉速控制精度不高和解決兩邊轉子帶不平衡負載時轉矩擾動問題，設計一種積分型滑模變結構控制器。該仿真結果表明，控制器使系統(tǒng)具有快速性和精確性且對負載擾動具有較強的魯棒性。

對轉螺旋槳；對轉永磁電機；矢量控制；積分滑模

0 引 言

水下航行器在高速航行時，由于質(zhì)量不大而動力較大以及外形原因，使得單邊橫滾轉矩明顯，嚴重影響航行器的穩(wěn)定且易引起側翻。所以像魚雷等中小型水下航行器大都采用對轉螺旋槳推進結構，由兩同軸螺旋槳，1部正轉1部反向旋轉構成，分別產(chǎn)生 2 個大小相等方向相反的單邊扭矩，如果電機控制合理，2個單邊扭矩就可以完全抵消，達到消除橫滾和側翻且提高動力的目的[1]。

在風力發(fā)電和水下航行器中常會用到此種對轉結構，此外電動航模直升機等一些需要消除橫滾轉矩的地方，都可考慮使用對轉推進結構，但需要 2 個轉子同時對轉[2]。實現(xiàn)雙轉子對轉目前有 3 種方法：1）反向安裝 2 臺完全一樣的普通電機。此種方法簡單易實現(xiàn)，但是體積過大，成本較高；2）只安裝 1 臺電機，通過復雜的機械變速結構將 1 臺電機的動力轉換成 2個異向旋轉的動力。但此方法使系統(tǒng)過于復雜機械磨損大，魯棒性降和效率降低；3）采用新型結構的對轉式雙轉子永磁同步電機，該電機由 2 根軸傳遞動力效率高、體積小，提高了航行器推進系數(shù)并可增強推進裝置功能[3]。

本文對水下航行器推進用新型對轉式雙轉子永磁同步電機進行研究，該電機的最大特點是有 1 個電輸入和 2 個獨立的機械輸出。 1 臺電機就可實現(xiàn)對轉雙機械端口輸出，不僅體積小、重量輕，降低了成本，而且沒有電刷，安全可靠性高[4]。通過內(nèi)外推進軸直接帶動正反轉螺旋槳轉動，在有效避免中小型水下航行器發(fā)生側滾現(xiàn)象和保證航行器前進姿態(tài)的同時，還可明顯降低推進系統(tǒng)的機械傳動噪聲，整體運行效率提高。對轉螺旋槳（CRP）系統(tǒng)之所以高效的原因在于，前槳產(chǎn)生的渦動能量則可以通過后槳加以回收。此外，對于相同的推力要求，對轉螺旋槳降低了單個槳所承受的負荷，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，對轉螺旋槳推進系統(tǒng)的節(jié)能效果可達 10%～20%[5-6]。因此，它被廣泛應用于各種水上、水下裝備中。

1 電機工作原理與數(shù)學模型

雙轉子電機的內(nèi)外轉子與定子是由 2 個旋轉磁場耦合在一起的，這與傳統(tǒng)電機有很大不同。在定子內(nèi)外兩側的三相對稱繞組中通入三相對稱電流，產(chǎn)生旋轉磁場。定子磁通被分為兩部分，分別穿過內(nèi)外氣隙與 2 個轉子交鏈，此時可在轉子側產(chǎn)生各自的電磁轉矩。 2 個旋轉磁場的磁通都經(jīng)過定子鐵心，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，故可以把這種電機簡化看作為 2 個電機的串聯(lián)。

對轉式雙轉子永磁同步電動機的定子繞組可以等效成內(nèi)、外永磁電動機的定子繞組相串聯(lián)，此時有id1=id2=id，iq1=iq2=iq。因此，在d，q軸坐標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。電機外內(nèi)部電磁轉矩表達式為和運動方程為：

式中：ωr1，ωr2為外內(nèi)轉子電角速度；np1，np2為電機磁極對數(shù)；TL1，TL2分別為轉子軸上負載轉矩；Bm1，Bm2為 2 個轉子旋轉阻力系數(shù)。

電磁轉矩可以表示為：

2 對轉永磁電機矢量控制

矢量控制具有線性轉矩特性，控制效率高，調(diào)節(jié)器設計易于實現(xiàn)，具有良好的起動性能和較寬的調(diào)速范圍[7-9]。對轉永磁同步推進電動機的數(shù)學模型經(jīng)過坐標變換后，id和iq之間仍存在著耦合，要獲得良好的動、靜態(tài)性能，就必須實現(xiàn)id和iq的解耦。對轉永磁同步推進電動機可等效看成 2 個電機串聯(lián)，只需有效地控制定子，就可實現(xiàn)轉速和轉矩控制。如能控制id= 0，整個控制過程中就沒有電樞反應的去磁問題，不涉及電機參數(shù)，實時性高、魯棒性好。雙轉子永磁同步推進電動機的狀態(tài)方程式為：

3 滑?？刂破髟O計

3.1 滑模面的設計

根據(jù)電機數(shù)學模型設計系統(tǒng)的狀態(tài)變量為：

對上式求導可得：

文獻[8] 中所取滑模面包含速度誤差的微分量，會引入高頻噪聲。本文在常規(guī)滑模面的基礎上加入狀態(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t= 0 時，s= 0，此時系統(tǒng)開始在滑模面上運動，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

對式（10）求導得：

為提高系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，采用指數(shù)趨近律法設計控制器。指數(shù)趨近律的表達式為：

由式（12）和式（13）可得：

滑模控制系統(tǒng)中高頻抖振問題不可避免，對抖振的合理抑制是實現(xiàn)精確控制的關鍵。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函數(shù) sgn(s)，能進一步改進該問題。

4 仿真結果及分析

根據(jù)以上對轉永磁電機數(shù)學模型與控制研究, 利用Matlab/Simulink 建立電機的仿真模型, 對 2 個轉子分別進行空載、加平衡負載和不平衡負載, 模擬航行器在水下受到水流擾動時 2 個螺旋槳的受力。當航行器受到干擾時，兩轉子轉速發(fā)生變化，若不能有效地減弱和消除擾動，航行器會失去平衡。對內(nèi)外 2 個轉子采用相同的參考轉速, 分別進行 PI 調(diào)節(jié)。

電機運行時，逆變器輸出的調(diào)制波在進行濾波后保持三相對稱是系統(tǒng)穩(wěn)定的基本條件。圖 2 為電機在額定轉速下空載運行時電流和轉矩波形，電流三相對稱且紋波小。

表1 對轉永磁同步電機參數(shù)Tab. 1 Counter rotating permanent magnet synchronousr motor parameters

圖3 是矢量控制下對電機內(nèi)外轉子軸加負載時電流、轉矩和轉速響應波形。當加不平衡負載時可以明顯看出電機電流波動且紋波增加，波動的原因主要是電機兩邊永磁轉子磁鏈在定子繞組中感應出的電動勢包含在電機電動勢中，因此當電機加不平衡負載運行時，轉子運行并非一直同步，所以導致電流波形較大的原因在于轉子磁鏈在定子感應出的反電動勢在變化。即使在不平衡負載下運行，三相電流雖有波動，但仍保持在允許范圍內(nèi)對稱，電機運行較穩(wěn)定。從圖 3（b）可以明顯看出轉矩波動增大，圖3（c）和圖 3（d）對比可以看出轉速有稍微變化相對較穩(wěn)定。

圖4 利用積分型滑模面設計的滑?？刂破髋c矢量控制相比增強了系統(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 負載，電流、轉速和轉矩響應波形如下。三相電流紋波明顯減小，表面雙轉子基本同步。轉矩響應波形良好，當加不平衡負載時雙轉子轉速如圖 4 所示，響應時間有稍微延遲，轉速雖有波動，但在允許范圍內(nèi)，說明系統(tǒng)具有很強魯棒性。滑?？刂频姆€(wěn)定性使航行器工作環(huán)境擴大，成本降低。

5 結 語

本文根據(jù)水下航行器對轉螺旋槳推進原理，提出采用雙轉子對轉永磁電機，首先對該電機矢量控制進行建模，仿真結果證明，電機矢量控制可以很好解決雙轉子速度調(diào)節(jié)問題，響應快，只是在雙轉子帶不平衡負載時會出現(xiàn)擾動。為解決以上問題，設計一種積分滑?？刂破?，讓系統(tǒng)全局魯棒性提高，加不平衡負載仿真，結果顯示系統(tǒng)擾動較小。可使水下航行器推進電機實現(xiàn)無傳感控制，工作環(huán)境適應度大大提高且系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

[1]孟昭鶴. 水下航行器用雙轉子永磁同步電機控制器的研究與實現(xiàn)[D]. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學, 2009.

[2]饒志蒙, 黃守道, 成雙銀. 對轉螺旋槳用永磁盤式對轉電機磁場仿真分析[J]. 湖南工業(yè)大學學報, 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, 陳進華. 異向旋轉雙機械口永磁電機磁路建模與場分析[J]. 電機與控制學報, 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. 一種新型結構的內(nèi)外轉子感應電機[J]. 遼寧工程技術大學學報, 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, 宋詩軍. 矢量推進自主水下航行器動力學建模及仿真[J]. 天津大學學報, 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. 對轉永磁同步推進電動機的矢量控制[J]. 微特電機, 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. 永磁同步電動機新型滑模觀測器無傳感器控制[J]. 控制理論與應用, 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，研究方向為水下航行器電力推進。