舵系統(tǒng)用無刷直流電動機仿真研究
劉松斌12，王明彥1
（1哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，哈爾濱150001
2大慶石油學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，哈爾濱163318）
摘要：文章對無刷直流電動機( bldcm)作為舵系統(tǒng)的原動機詳細地進行了分析，建立了數(shù)學(xué)模型。并對其在速度模式下的速度伺服特性和抗負載擾動進行了詳細的仿真實驗。仿真實驗結(jié)果表明無刷直流電動機在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)情況下具有穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)良性能，完全滿足舵系統(tǒng)的要求。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動機；舵系統(tǒng)；速度伺服；仿真
中國分類號：tm36 +1 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)05-0038_03
0引 言
舵機作為飛行器和魚雷的執(zhí)行裝置，接受來自計算機送來的控制角命令，用以操縱舵面的偏轉(zhuǎn)角度，從而產(chǎn)生一定的鉸鏈力矩，以保持正常的姿態(tài)。用于操作舵面的伺服泵統(tǒng)稱之為舵系統(tǒng)。舵系統(tǒng)是飛行器和魚雷控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分，伺服系統(tǒng)的動、靜態(tài)指標直接影響控制系統(tǒng)的性能和擊中目標的命中率。早期舵系統(tǒng)一般采用直流電動機作為原動機執(zhí)行元件。直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速。但直流電動機需電刷、機械換相裝置，易產(chǎn)生火花、電磁干擾和噪聲，從而造成飛行器和魚雷隱蔽性比較差，同時轉(zhuǎn)速不能太高，也制約了其機動靈活性和快速性。
無刷直流電動機以電子換相裝置取代了直流電動機的機械換相裝置，不但克服了直流電動機的缺點，而且具有運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點。在現(xiàn)代舵系統(tǒng)設(shè)計時，常采用無刷直流電動機作為舵機的原動機。
本文了建立了無刷直流電動機數(shù)學(xué)模型，并據(jù)此建立無刷直流電動機在二二導(dǎo)通控制方式下matlab仿真模型，給出詳細的仿真實驗結(jié)果并加以分析，最后給出相應(yīng)的結(jié)論。無刷直流電動機的數(shù)學(xué)模型
無刷直流電動機的主電路如圖l所示。輸入直流母線電壓為udc；vf1、vf3和vf5為p溝道m(xù)osfet，低電平導(dǎo)通；vf2、vf4和vf6為n溝道m(xù)osfet，高電平導(dǎo)通。
假設(shè)：①忽略齒槽效應(yīng)；②繞組均勻分布于光滑的定子內(nèi)表面，且三相繞組對稱；③繞組饋電時，對氣隙磁場的影響忽略不計。根據(jù)無刷直電動機的特性，得其數(shù)學(xué)模型如下：
電磁轉(zhuǎn)矩方程為：
由牛頓第二定律，其運動方程為：
2 matlab仿真研究
根據(jù)式(1)~式(3)構(gòu)建無刷直流電動機matlab仿真模型框圖如圖2所示。
仿真參數(shù)如下：直流母線電壓udc= 200 v；定子繞組電阻r=2.5 ω；l-m= 11. 2 mh；轉(zhuǎn)動慣量j=0．008 kg．m2；極對數(shù)np=1;負載轉(zhuǎn)矩tl=2 n-m；給定轉(zhuǎn)速n =500 r/min�？刂品绞綖槎䦟�(dǎo)通模式。仿真結(jié)果如下：
bldcm輸出的轉(zhuǎn)速波形如圖3所示。超調(diào)量百分之27. 4，調(diào)整時間16 ms。仿真結(jié)果可以看出，bldcm從開始起動到達穩(wěn)態(tài)，響應(yīng)時間快，穩(wěn)態(tài)精度高。
a相繞組給定電流和實際電流分別如圖4、圖5所示。從仿真結(jié)果可以看出，實際電流跟隨給定電流變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨特性好。一般把電流內(nèi)環(huán)校正為i型系統(tǒng)。
bldcm輸出的實際轉(zhuǎn)矩波形如圖6所示。調(diào)整時間16 ms，電磁轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩峰峰值0.4 n.m，轉(zhuǎn)矩紋波是由開關(guān)管不斷換相 |
