摘要：雙轉永磁無刷直流電動機作為螺旋槳推進電機，廣泛應用于無人水下航行器：基于雙轉永磁無刷直流電動機工作原理，建立電機數學模型，采用變參數PI控制算法設計控制器，給出相對位置檢測的換相控制方案，在Matlah平臺上，建立屯機調速系統仿真模型。仿真結果表明，仿真建模準確，控制算法精確、穩定、可靠。
關鍵詞：雙轉無刷直流電機；變參數PI；換相控制；建模
0引 言
電力電子技術和半導體工業，加快了永磁無刷直流電動機誕生，它結構簡單，造價低，性能優越。
由于推進效率高、橫滾力矩平衡性能好，雙轉永磁無刷直流電動機(以下簡稱PMBLDcM)在艦船等對轉推進系統中有著廣泛的應用前景。人們對雙轉PMBLDcM的認識尚不完全，同前存在著轉矩脈動、位置傳感器安裝誤差、換相不準確等問題。
本文基于雙轉PMBLDcM工作原理，借助simu一link工具包，建立其數學模型．采用變參數PI算法，搭建了仿真系統。模型在消除轉矩脈動、增強動態響應和魯棒性等方面表現良好，對進一步研究雙轉PMBI．DcM具有實際價值。
1雙轉PMBLDCM原理及數學模型
雙轉PMBLDcM和普通的BLDcM相比，結構上并沒有多大的區別。雙轉PMBLDcM兩相導通三相星型六狀態逆變電路如圖1所示，位置傳感器檢測到內外轉子的相對位置信號，該信號再經過信號變換處理，向功率開關提供邏輯控制信號，使得一相橋的六個功率管按照一定順序(如按照(V1，V2)一(V2，V3)一(V3，V4)一(V4，V5)一(V5，V6)一(V6，V1)或者相反的順序)導通和關閉，即可實現電子換相。電源向電樞繞組供電，形成旋轉磁場。永磁體構成電機內轉子，電樞繞組均成外轉子，它們之間存在磁場的相互作用，由于作用力等于反作用力，它們的轉向是相反的。整個電機本體固定在支架上。
在理想條件下，雙轉PMBLDcM和普通的BLDcM數學模型相似。三相繞組電壓平衡方程可表示：
式中：uan、ubn和ucn分別為三相繞組的相電壓；r為每相繞組的電阻，ia、ib和ic分別為每相繞組的相電流；ean、ebn和ecn分別為每相繞組的反電動勢；λa、λb、在假定氣隙中磁場呈矩形波分布的情況下，雙轉PMBLDcM外轉了繞組的反電勢為三相對稱120。平頂寬度梯形波，其大小正比于內外轉子轉速之Vs+Vr，令fa(θ)、fb(θ)、fc(θ)為幅值是1、依次相差120。梯形波反電勢，如圖2所示，則三相繞組反電勢表示：
2雙轉PMBLDcM仿真調速系統
為了提高雙轉PMBLDcM調速系統的動態性能，目前廣泛使用的是轉速、電流雙閉環結構。本文電流環使用常規的PI調節器，轉速環使用變參數PI調節器。三相雙轉PMBLDcM調速系統結構圖如圖3所示。
2．1雙轉PMBLDcM的本體仿真
模型將雙轉PMBLDcM仿真模型分為反電動勢模塊、機械模塊、電氣模塊三部分，其中反電勢部分采用在Matlab中建立M文件實現，機械部分采用sim—ulink工具包中的數學模塊搭建，電氣部分使用sim—Powersvstems中的實體圖形化模塊建立。由此得到雙轉PMBLDcM本體模型，如圖4所示。
2.2雙轉PMBLDcM控制器的設計
傳統的PI控制具有結構簡單、魯棒性強、可靠性高等優點，適用于可建立精確數學模型的控制系統。閉環調速系統常采用PI控制算法。在實際應用中，被控過程機理復雜，具有非線性、時變性和滯后等特點。新技術不斷涌現，智能控制是近幾年發展起來的新興學科，主要方法有模糊控制、神經網絡控制、變結構控制、自適應控制等。它們主要用來解決傳統方法難以適應控制對象參數大范圍變化的問題。但是這些新算法實現復雜，運算量較大。在雙轉PMBLDcM調速系統中，本文采用變參數PI控制算法設計系統調節器，以達到理想的控制效果。
式中：TIr、TIs分別為控制器的比例、積分系數。
比例調節響應速度快，輸出與輸入同步，沒有時間滯后，其動態特性好，但是比例調節是有靜差調節。
積分調節器的輸出會不斷變化，直到偏差為零，屬于無靜差調節。滯后特性難以對干擾進行及時控制。積分過快，整個系統振蕩；積分過慢，調節速度過慢。
變參數PI控制算法類似于積分分離算法。
控制算法思想是為了獲得快速響應，超調量小，調節時問短的****控制效果，系統根據誤差大小選擇控制器參數級別。當誤差大時，系統加大比例調節；當誤差小時，系統增大積分調節。控制器設汁流程圖如圖5所示，變參數智能PI調節器兼有PI算法和現代控制算法的優點，原理簡單，容易實現它根據被控過程，自動整定參數，達到實時、智能控制的效果。
在Matlab平臺上使用slmUlink工具包內的if—ifaction子模塊搭建智能PI控制器模塊，如圖6所示。
2.3位置檢測與開關邏輯
三相雙轉PMBLD—cM通過對內外轉子位置檢測進行換相。電動機結構及12個位置傳感器安裝示意圖如圖7所示。按圖示方向旋圖7電機結構及傳感器安裝轉，l和O分別表示內外轉子的位置信號高低和功率管的開通關斷，s、r分別表示外轉子、內轉子位置傳感器及信號值，則得換相邏輯如表1所示。由表
通過Matlab語占編寫函數即可實現三相雙轉PMBLDcM仿真調速系統換相控制。
2.4電流調節器
為了加快電動機起動、制動，縮小過渡時間，減小轉矩脈動，電流調節器串聯在轉速環節之后，將實際相電流反饋，與給定電流比較，形成雙閉環系統。
電流調節器采用常規PI調節器，一旦達到給定轉速，電流環起到跟隨作用。仿真模塊如圖8所示。
2.5 PwM電路參考
電流值與實際相電流比較，經過滯環比較器形成PwM信號，再和功率管換向邏輯信號相“與”，實現對任意兩個導通功率管的調制，如圖9所示。PwM信號將直流電源斬波，改變加在電機兩端的平均電壓，實現對電動機轉速的調節。本文采用上側管PwM調制，下側管恒通的調制方式。滯環電流控制器PwM電路特點是沒有載波，輸出電壓波形中不含特定頻率諧波。
3仿真實驗與結果
由以上可以構建雙轉PMBLDcM仿真凋速系統模型，如圖O所示。
為驗證變參數PT控制器的性能，雙轉PMBLD—cM參數采用如表2所示的實驗數據，仿真參數設置為：變步長仿真(variahle—step)類型，0de23tb(stiff/TR—BDF2)算法，****步長1×10-5，其他參數采用默認值。
仿真調速系統內外轉子負載Tir=TIS=25 N.
m，給定轉速為n=70 r／min，系統由靜止起動待進入穩定狀態后，在O.5 s時給定轉速變為n=90 r／min，外轉子轉速n、4相電流‘和電磁轉矩t仿真曲線如圖1l所小。
仿真調速系統在給定轉速為n=80 r／min，內外轉子負載轉矩TIr=TIS=25 N-m，待系統起動進入穩定狀態后，存0 5 s時負載轉矩突變為TIR=TIS=40 N·n，外轉子轉速，n、4相電流i和電磁轉矩T仿真曲線。
4結語
本文通過雙轉PMBLDcM數學模型，采用Matlab／simul，nK lr具包搭建了電機本體仿真模型，并采用變參數l Jl控制算法，建立仿真調速系統：仿真實驗結果表明，雙轉PMBLDcM本體及調速系統建模準確；控制算法可行、實現簡單；在消除轉矩脈動、增強動態響應和魯棒性等方面表現良好的性能。為深入研究雙轉PMBLDcM奠定堅實的基礎。
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