面向電磁彈射器的永磁直線(xiàn)同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代海洋軍事的不斷發(fā)展，迫切要求航空母艦的作戰(zhàn)能力越來(lái)越強(qiáng)，從而對(duì)驅(qū)動(dòng)艦載機(jī)彈射起飛的航母彈射器提出了極高的要求。然而，現(xiàn)役的蒸汽彈射裝置已難以滿(mǎn)足對(duì)大質(zhì)量艦載機(jī)的彈射。電磁彈射裝置相對(duì)于蒸汽彈射裝置具有質(zhì)量小，體積小，效率高，維修費(fèi)用低，控制精度高等特點(diǎn)，成為最近幾年各國(guó)研究的熱點(diǎn)。我國(guó)在電磁彈射領(lǐng)域的研究剛剛起步，隨著我國(guó)軍事力量的發(fā)展，航空母艦是我國(guó)海軍必須配備的武器之一。因此，研究電磁彈射技術(shù)對(duì)于提高我國(guó)軍事力量，打造尖端武

2、器，打破國(guó)外技術(shù)封鎖，縮短我國(guó)與軍事強(qiáng)國(guó)的差距，促進(jìn)國(guó)防事業(yè)的發(fā)展，維護(hù)世界和平都具有重大的意義。
　　本文密切結(jié)合航母彈射器的推力大，力波動(dòng)小，運(yùn)行速度高等性能要求，基于自律分散體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了電磁彈射驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案，并對(duì)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、位置檢測(cè)、控制技術(shù)以及容錯(cuò)性能等方面進(jìn)行了深入研究。在此基礎(chǔ)上，搭建了自行研制的交流永磁直線(xiàn)同步電機(jī)、交流伺服低壓控制器和直線(xiàn)位移傳感器組成的電磁彈射驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)樣機(jī)平臺(tái)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了本文針對(duì)電磁

3、彈射性能要求所提出方法的有效性和準(zhǔn)確性。
　　根據(jù)電磁彈射的技術(shù)要求，分析了影響電磁彈射驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率的因素，提出在低速段采用齒槽永磁直線(xiàn)同步電機(jī)而在高速段采用無(wú)齒槽永磁直線(xiàn)同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方法，提高了彈射過(guò)程中的系統(tǒng)效率。并基于模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了在三維空間采用定子模塊組裝的永磁直線(xiàn)同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而提高了永磁直線(xiàn)同步電機(jī)的工藝性和模塊故障的處理能力。為了降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)供電電源的要求和提高控制的穩(wěn)定性，提出了采用小功率模塊

4、電機(jī)組合代替大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想。采用有限元設(shè)計(jì)方法對(duì)永磁直線(xiàn)同步電機(jī)進(jìn)行了深入研究，分析了極距對(duì)永磁直線(xiàn)同步電機(jī)功率密度的影響及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)齒槽和無(wú)齒槽電機(jī)推力及推力波動(dòng)的影響，為電磁彈射用永磁直線(xiàn)同步電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　為實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速伺服控制，在位置檢測(cè)單元中，基于霍爾效應(yīng)原理，采用三相六元件的信號(hào)拾取方法，并通過(guò)差分處理消除了機(jī)械裝配偏差和零點(diǎn)漂移帶來(lái)的信號(hào)誤差。同時(shí)，基于查表方式的信號(hào)處理算法，采用了

5、查表列和編碼列兩排磁鋼的排列方法，設(shè)計(jì)了磁柵直線(xiàn)位移傳感器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器可以達(dá)到較高的分辨率，為實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位移的精確測(cè)量和電機(jī)的高速控制奠定了基礎(chǔ)。
　　針對(duì)傳統(tǒng)集中式控制存在的缺點(diǎn)，提出自律分散控制方法，構(gòu)建了自律分散系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)。推導(dǎo)了基于自律分散控制的永磁直線(xiàn)同步電機(jī)矢量控制電磁模型和電磁推力模型，為其實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。在自律分散控制結(jié)構(gòu)下的永磁直線(xiàn)同步電機(jī)控制中，為了提高電流響應(yīng)特性，電流環(huán)采用引入反電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償

6、的方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。同時(shí)，為提高速度檢測(cè)精度并解決速度反饋延時(shí)導(dǎo)致的滯后問(wèn)題，機(jī)械環(huán)采用引入狀態(tài)觀(guān)測(cè)器的方法，以獲取實(shí)時(shí)的位置和速度反饋，提高永磁直線(xiàn)同步電機(jī)的速度響應(yīng)頻率和位置控制精度。
　　為提高電磁彈射驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的冗余度，以8極12槽集中繞組永磁直線(xiàn)同步電機(jī)為主要研究對(duì)象，推導(dǎo)了定子模塊單相、單模塊、二模塊和三相交叉模塊故障時(shí)總磁動(dòng)勢(shì)計(jì)算數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，為了保持在故障時(shí)與非故障時(shí)總磁動(dòng)勢(shì)不變，建立不同

7、故障時(shí)總磁動(dòng)勢(shì)不變的電流補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了磁動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償，從而保證電機(jī)在故障前后的瞬時(shí)推力不變，進(jìn)而提高電磁彈射驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性及故障處理能力。
　　研制了低速段齒槽和高速段無(wú)齒槽原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并通過(guò)對(duì)原理樣機(jī)的性能進(jìn)行測(cè)試，證明了低速段采用齒槽永磁直線(xiàn)同步電機(jī)高速段采用無(wú)齒槽永磁直線(xiàn)同步電機(jī)對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的效率的有效性，同時(shí)驗(yàn)證了電磁彈射驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同模塊故障時(shí)電流補(bǔ)償模型的正確性。本文的研究工作為電磁彈射技術(shù)應(yīng)用于航母彈射器，