一種水下航行器用大功率雙軸對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流電機(jī)調(diào)速方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水下航行器和無刷直流電機(jī)控制領(lǐng)域，具體涉及一種水下航行器用大 功率雙軸對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流電機(jī)調(diào)速方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自主式水下航行器是一種能在復(fù)雜海洋環(huán)境下執(zhí)行各種軍民用任務(wù)的智能化無 人平臺(tái)。水下環(huán)境惡劣危險(xiǎn)，人的潛水深度有限，水下航行器能夠較好地滿足科學(xué)研究、軍 事行動(dòng)和商業(yè)應(yīng)用等需求，充分開發(fā)和利用海洋資源。
[0003] 大功率無刷直流電機(jī)具有可靠性高、調(diào)速范圍寬、調(diào)速性能好、運(yùn)行效率高等優(yōu) 點(diǎn)，尤其適用于對(duì)系統(tǒng)效率、可靠性有特殊要求的航空、航天、航海等領(lǐng)域。大功率雙軸對(duì)轉(zhuǎn) 無刷直流電機(jī)是基于作用力和反作用力原理設(shè)計(jì)的，在電磁轉(zhuǎn)矩的推動(dòng)下內(nèi)外兩個(gè)轉(zhuǎn)子同 時(shí)向相反方向旋轉(zhuǎn)。這種雙軸對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流電機(jī)主要應(yīng)用于水下雙軸對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)中，可 以有效防止發(fā)生橫滾現(xiàn)象，顯著提高水下航行器的推進(jìn)效率。
[0004] 無刷直流電機(jī)由于采用電子換相，在運(yùn)行過程中存在換相和PWM調(diào)制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)； 同時(shí)大功率雙轉(zhuǎn)無刷直流電機(jī)由于內(nèi)外轉(zhuǎn)子都在轉(zhuǎn)動(dòng)，額定轉(zhuǎn)矩較大且額定轉(zhuǎn)速較高，系 統(tǒng)運(yùn)行更加復(fù)雜，增加了控制電機(jī)運(yùn)行和調(diào)速的難度；另外由于水下航行器工作于復(fù)雜惡 劣海洋環(huán)境下，對(duì)于其推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和調(diào)速性能要求更高。因此發(fā)明一種水下航行器 用大功率雙軸對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流電機(jī)調(diào)速方法顯得十分重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 要解決的技術(shù)問題
[0006] 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種水下航行器用大功率雙軸對(duì)轉(zhuǎn)無 屆IJ直流電機(jī)調(diào)速方法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)安全、平穩(wěn)、快速啟動(dòng)，具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速性能好、響應(yīng) 速度快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)通過試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足水下航行器實(shí)際使用要求。
[0007] 技術(shù)方案
[0008] -種水下航行器用大功率雙軸對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流電機(jī)調(diào)速方法，其特征在于步驟如 下：
[0009] 步驟1 :當(dāng)電機(jī)完成初始啟動(dòng)后，以電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)電周期作為完成初始 啟動(dòng)，然后接收水下航行器主控中心發(fā)送的轉(zhuǎn)速指令；
[0010] 步驟2、并行啟動(dòng)步驟a和步驟b兩個(gè)步驟序列：
[0011] 步驟a序列：
[0012] 步驟al:在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間未超過6s時(shí)，執(zhí)行步驟a2 ;若超過6s，執(zhí)行步驟a5 ;
[0013] 步驟a2 :通過中斷方式調(diào)節(jié)PWM占空比，每次中斷PWM占空比上升1% ;
[0014] 步驟a3:計(jì)算內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電機(jī)總轉(zhuǎn)速；
[0015] 步驟a4:判斷是否出現(xiàn)電機(jī)總轉(zhuǎn)速與水下航行器主控中心設(shè)定的轉(zhuǎn)速相差在 100r/min范圍內(nèi)情況。如果出現(xiàn)，執(zhí)行步驟（9)，如果沒有，返回執(zhí)行步驟a2,直至PWM占空 比由0上升至100% ;
[0016] 步驟a5 :計(jì)算內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電機(jī)總轉(zhuǎn)速；
[0017] 步驟a6 :進(jìn)行轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)，輸出參考電流；
[0018] 步驟a7 :根據(jù)電流檢測(cè)電路檢測(cè)的電機(jī)電流值和輸出的參考電流，進(jìn)行電流PI調(diào) T；
[0019] 步驟a8 :計(jì)算PWM占空比；
[0020] 步驟b兩個(gè)步驟序列：
[0021] 步驟bl:計(jì)算內(nèi)轉(zhuǎn)子位置計(jì)算、外轉(zhuǎn)子位置計(jì)算和內(nèi)外轉(zhuǎn)子相對(duì)位置；
[0022] 步驟b2 :根據(jù)步驟bl的位置信息和下述IGBT導(dǎo)通時(shí)序表，輸出6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)；
[0023]
[0024] 步驟3 :按照步驟a8計(jì)算的PWM占空比要求，進(jìn)行H_PWM_L_0N方式的PWM調(diào)制， 輸出6路PWM調(diào)制的IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)；
[0025] 步驟4 :按照步驟b2輸出的6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制逆變器中IGBT開通與關(guān)斷；
[0026] 步驟5 :按照步驟3調(diào)制的PWM調(diào)制信號(hào)調(diào)節(jié)輸入電壓以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；
[0027] 步驟6 :向水下航行器主控中心發(fā)送轉(zhuǎn)速、PWM占空比和電機(jī)電流數(shù)據(jù)；
[0028] 步驟7:返回步驟1。
[0029] 所述計(jì)算內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電機(jī)總轉(zhuǎn)速的步驟是：
[0030] 第一階段：初始化電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)；
[0031] 步驟1 :電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)刻將內(nèi)轉(zhuǎn)子計(jì)數(shù)變量D_count、D_countb，外轉(zhuǎn)子計(jì) 數(shù)變量Z_count、Z_countb置零；
[0032] 步驟2:系統(tǒng)采用定期觸發(fā)中斷方式，每次中斷檢測(cè)一次霍爾位置信號(hào)，并設(shè)定中 斷時(shí)間T;
[0033] 步驟3 :初始化電機(jī)極對(duì)數(shù)p。
[0034] 第二階段：計(jì)算內(nèi)外轉(zhuǎn)子周期計(jì)數(shù)長(zhǎng)度D_countb、Z_countb，并且進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)；
[0035] 步驟1 :當(dāng)電機(jī)系統(tǒng)完成初始啟動(dòng)時(shí)，檢測(cè)內(nèi)外轉(zhuǎn)子的霍爾位置信號(hào)；
[0036] 檢測(cè)內(nèi)轉(zhuǎn)子霍爾位置信號(hào)D_U上升沿，若不是上升沿不進(jìn)行計(jì)數(shù)，若是上升沿，開 始計(jì)數(shù)，變量D_count=D_count+l;
[0037] 檢測(cè)外轉(zhuǎn)子霍爾位置信號(hào)Z_U上升沿，若不是上升沿不進(jìn)行計(jì)數(shù)，若是上升沿，開 始計(jì)數(shù)，變量Z_count=Z_count+l;
[0038] 步驟2 :繼續(xù)檢測(cè)內(nèi)轉(zhuǎn)子霍爾位置信號(hào)D_U上升沿，若不是上升沿，則繼續(xù)計(jì)數(shù)；若 檢測(cè)到上升沿，則停止計(jì)數(shù)，同時(shí)將D_count值賦給變量D_countb，再將D_count值置0;
[0039] 繼續(xù)檢測(cè)外轉(zhuǎn)子霍爾位置信號(hào)Z_U上升沿，若不是上升沿，則繼續(xù)計(jì)數(shù)；若檢測(cè)到 上升沿，則停止計(jì)數(shù)，同時(shí)同時(shí)將Z_count值賦給變量Z_countb，再將Z_count置置0;
[0040] 第三階段：計(jì)算內(nèi)外轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速《D、以及總轉(zhuǎn)速《 :
[0041] 步驟1:計(jì)算內(nèi)轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)遽
r計(jì)算外轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速
其中：Ts為第一階段的采樣時(shí)間；
[0042] 步驟2 :計(jì)算電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速〇 = 〇D+〇z。
[0043] 所述計(jì)算內(nèi)轉(zhuǎn)子位置計(jì)算、外轉(zhuǎn)子位置計(jì)算和內(nèi)外轉(zhuǎn)子相對(duì)位置的步驟是：
[0044] 第一階段：初始化電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)；
[0045] 步驟1 :電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)刻將內(nèi)轉(zhuǎn)子計(jì)數(shù)變量n_count、n_countb，外轉(zhuǎn)子計(jì) 數(shù)變量w_count、w_countb置零；
[0046] 步驟2 :系統(tǒng)采用定期觸發(fā)中斷方式檢測(cè)霍爾位置信號(hào)；
[0047] 第二階段：計(jì)算內(nèi)外轉(zhuǎn)子周期計(jì)數(shù)長(zhǎng)度n_countb、w_countb，并且進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)；
[0048] 步驟1 :當(dāng)電機(jī)系統(tǒng)完成初始啟動(dòng)時(shí)，檢測(cè)內(nèi)外轉(zhuǎn)子的霍爾位置信號(hào)；
[0049] 檢測(cè)內(nèi)轉(zhuǎn)子霍爾位置信號(hào)n_U下降沿，若不是下降沿則不進(jìn)行計(jì)數(shù)，若是下降沿， 開始計(jì)數(shù)，變量n_count=n_count+l;
[0050] 檢測(cè)外轉(zhuǎn)子霍爾位置信號(hào)w_U下降沿，若不是下降沿則不進(jìn)行計(jì)數(shù)，若是下降沿， 開始計(jì)數(shù)，變量w_count=w_count+l;
[0051] 步驟2:繼續(xù)檢測(cè)內(nèi)轉(zhuǎn)子霍爾位置信號(hào)n_U下降沿，若不是下降沿，則繼續(xù)計(jì)數(shù)；若 檢測(cè)到下降沿，則停止計(jì)數(shù)，同時(shí)將n_count值賦給變量n_countb，再將n_count值置0;
[0052] 繼續(xù)檢測(cè)外轉(zhuǎn)子霍爾位置信號(hào)w_U下降沿，若不是下降沿，則繼續(xù)計(jì)數(shù)；若檢測(cè)到 下降沿，則停止計(jì)數(shù)，同時(shí)同時(shí)將w_count值賦給變量w_countb，再將w_count置置0;
[0053] 第三階段、計(jì)算實(shí)時(shí)內(nèi)外轉(zhuǎn)子角度0n、0W:
[0054] 計(jì)算內(nèi)轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置
[0055] 計(jì)算外轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位1
[0056] 計(jì)算內(nèi)外轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置0 = 0 n+0 w;
[0057] 當(dāng)?shù)玫絻?nèi)外轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)相對(duì)位置0 0> = 360度時(shí)，將0與360°比較運(yùn)算處理，實(shí) 際相對(duì)位置等于9-360。
[0058] 有益效果
[0059]本發(fā)明提出的一種水下航行器用大功率雙軸對(duì)轉(zhuǎn)無刷直流電機(jī)調(diào)速方法，電機(jī)進(jìn) 行初始啟動(dòng)，在內(nèi)外轉(zhuǎn)子各自轉(zhuǎn)過一個(gè)電周期角度后，系統(tǒng)接收水下航行器主控中心的轉(zhuǎn) 速指令。判斷電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間是否超過6s，如果在6s內(nèi)，通過系統(tǒng)周期中斷實(shí)現(xiàn)每次中斷PWM 占空比上升1%，同時(shí)在主控制器DSP中計(jì)算電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，如果出現(xiàn)電機(jī)總轉(zhuǎn)速與水 下航行器主控中心設(shè)定的轉(zhuǎn)速相差在l〇〇r/min范圍內(nèi)情況，進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，否則PWM占空 比在6s內(nèi)從0上升至100%;當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間超過6s時(shí)，進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，產(chǎn)生參考電流，同 時(shí)接收系統(tǒng)檢測(cè)的電機(jī)電流進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，輸出計(jì)算的PWM占空比；與此同時(shí)經(jīng)過內(nèi)外轉(zhuǎn) 子位置檢測(cè)、換相控制后輸出6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)與滿足上述過程占空比要求的PWM波進(jìn)行PWM 調(diào)制，調(diào)制方式采用H_PWM_L_ON模式，然后PWM調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制逆變器中IGBT開通與關(guān) 斷，調(diào)節(jié)輸入電壓以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)安全、平穩(wěn)、快速啟動(dòng)， 具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速性能好、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)通過試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足