一种水下航行器用大功率双轴对转无刷直流电机调速方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水下航行器和无刷直流电机控制领域，具体涉及一种水下航行器用大 功率双轴对转无刷直流电机调速方法。
【背景技术】
[0002] 自主式水下航行器是一种能在复杂海洋环境下执行各种军民用任务的智能化无 人平台。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，水下航行器能够较好地满足科学研究、军 事行动和商业应用等需求，充分开发和利用海洋资源。
[0003] 大功率无刷直流电机具有可靠性高、调速范围宽、调速性能好、运行效率高等优 点，尤其适用于对系统效率、可靠性有特殊要求的航空、航天、航海等领域。大功率双轴对转 无刷直流电机是基于作用力和反作用力原理设计的，在电磁转矩的推动下内外两个转子同 时向相反方向旋转。这种双轴对转无刷直流电机主要应用于水下双轴对转推进系统中，可 以有效防止发生横滚现象，显著提高水下航行器的推进效率。
[0004] 无刷直流电机由于采用电子换相，在运行过程中存在换相和PWM调制转矩脉动； 同时大功率双转无刷直流电机由于内外转子都在转动，额定转矩较大且额定转速较高，系 统运行更加复杂，增加了控制电机运行和调速的难度；另外由于水下航行器工作于复杂恶 劣海洋环境下，对于其推进系统的稳定性和调速性能要求更高。因此发明一种水下航行器 用大功率双轴对转无刷直流电机调速方法显得十分重要。
【发明内容】
[0005] 要解决的技术问题
[0006] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种水下航行器用大功率双轴对转无 届IJ直流电机调速方法，实现电机安全、平稳、快速启动，具有调速范围宽、调速性能好、响应 速度快、稳定性高等优点，已经通过试验验证，满足水下航行器实际使用要求。
[0007] 技术方案
[0008] -种水下航行器用大功率双轴对转无刷直流电机调速方法，其特征在于步骤如 下：
[0009] 步骤1 :当电机完成初始启动后，以电机内外转子转过一个电周期作为完成初始 启动，然后接收水下航行器主控中心发送的转速指令；
[0010] 步骤2、并行启动步骤a和步骤b两个步骤序列：
[0011] 步骤a序列：
[0012] 步骤al:在电机启动时间未超过6s时，执行步骤a2 ;若超过6s，执行步骤a5 ;
[0013] 步骤a2 :通过中断方式调节PWM占空比，每次中断PWM占空比上升1% ;
[0014] 步骤a3:计算内转子转速、外转子转速和电机总转速；
[0015] 步骤a4:判断是否出现电机总转速与水下航行器主控中心设定的转速相差在 100r/min范围内情况。如果出现，执行步骤（9)，如果没有，返回执行步骤a2,直至PWM占空 比由0上升至100% ;
[0016] 步骤a5 :计算内转子转速、外转子转速和电机总转速；
[0017] 步骤a6 :进行转速PI调节，输出参考电流；
[0018] 步骤a7 :根据电流检测电路检测的电机电流值和输出的参考电流，进行电流PI调 T；
[0019] 步骤a8 :计算PWM占空比；
[0020] 步骤b两个步骤序列：
[0021] 步骤bl:计算内转子位置计算、外转子位置计算和内外转子相对位置；
[0022] 步骤b2 :根据步骤bl的位置信息和下述IGBT导通时序表，输出6路驱动信号；
[0023]
[0024] 步骤3 :按照步骤a8计算的PWM占空比要求，进行H_PWM_L_0N方式的PWM调制， 输出6路PWM调制的IGBT驱动信号；
[0025] 步骤4 :按照步骤b2输出的6路驱动信号控制逆变器中IGBT开通与关断；
[0026] 步骤5 :按照步骤3调制的PWM调制信号调节输入电压以调节转速；
[0027] 步骤6 :向水下航行器主控中心发送转速、PWM占空比和电机电流数据；
[0028] 步骤7:返回步骤1。
[0029] 所述计算内转子转速、外转子转速和电机总转速的步骤是：
[0030] 第一阶段：初始化电机调速系统；
[0031] 步骤1 :电机调速系统启动时刻将内转子计数变量D_count、D_countb，外转子计 数变量Z_count、Z_countb置零；
[0032] 步骤2:系统采用定期触发中断方式，每次中断检测一次霍尔位置信号，并设定中 断时间T;
[0033] 步骤3 :初始化电机极对数p。
[0034] 第二阶段：计算内外转子周期计数长度D_countb、Z_countb，并且进行实时计数；
[0035] 步骤1 :当电机系统完成初始启动时，检测内外转子的霍尔位置信号；
[0036] 检测内转子霍尔位置信号D_U上升沿，若不是上升沿不进行计数，若是上升沿，开 始计数，变量D_count=D_count+l;
[0037] 检测外转子霍尔位置信号Z_U上升沿，若不是上升沿不进行计数，若是上升沿，开 始计数，变量Z_count=Z_count+l;
[0038] 步骤2 :继续检测内转子霍尔位置信号D_U上升沿，若不是上升沿，则继续计数；若 检测到上升沿，则停止计数，同时将D_count值赋给变量D_countb，再将D_count值置0;
[0039] 继续检测外转子霍尔位置信号Z_U上升沿，若不是上升沿，则继续计数；若检测到 上升沿，则停止计数，同时同时将Z_count值赋给变量Z_countb，再将Z_count置置0;
[0040] 第三阶段：计算内外转子实时转速《D、以及总转速《 :
[0041] 步骤1:计算内转子实时转遽
r计算外转子实时转速
其中：Ts为第一阶段的采样时间；
[0042] 步骤2 :计算电机的实时转速〇 = 〇D+〇z。
[0043] 所述计算内转子位置计算、外转子位置计算和内外转子相对位置的步骤是：
[0044] 第一阶段：初始化电机调速系统；
[0045] 步骤1 :电机调速系统启动时刻将内转子计数变量n_count、n_countb，外转子计 数变量w_count、w_countb置零；
[0046] 步骤2 :系统采用定期触发中断方式检测霍尔位置信号；
[0047] 第二阶段：计算内外转子周期计数长度n_countb、w_countb，并且进行实时计数；
[0048] 步骤1 :当电机系统完成初始启动时，检测内外转子的霍尔位置信号；
[0049] 检测内转子霍尔位置信号n_U下降沿，若不是下降沿则不进行计数，若是下降沿， 开始计数，变量n_count=n_count+l;
[0050] 检测外转子霍尔位置信号w_U下降沿，若不是下降沿则不进行计数，若是下降沿， 开始计数，变量w_count=w_count+l;
[0051] 步骤2:继续检测内转子霍尔位置信号n_U下降沿，若不是下降沿，则继续计数；若 检测到下降沿，则停止计数，同时将n_count值赋给变量n_countb，再将n_count值置0;
[0052] 继续检测外转子霍尔位置信号w_U下降沿，若不是下降沿，则继续计数；若检测到 下降沿，则停止计数，同时同时将w_count值赋给变量w_countb，再将w_count置置0;
[0053] 第三阶段、计算实时内外转子角度0n、0W:
[0054] 计算内转子实时位置
[0055] 计算外转子实时位1
[0056] 计算内外转子的相对位置0 = 0 n+0 w;
[0057] 当得到内外转子实时相对位置0 0> = 360度时，将0与360°比较运算处理，实 际相对位置等于9-360。
[0058] 有益效果
[0059]本发明提出的一种水下航行器用大功率双轴对转无刷直流电机调速方法，电机进 行初始启动，在内外转子各自转过一个电周期角度后，系统接收水下航行器主控中心的转 速指令。判断电机启动时间是否超过6s，如果在6s内，通过系统周期中断实现每次中断PWM 占空比上升1%，同时在主控制器DSP中计算电机内外转子转速，如果出现电机总转速与水 下航行器主控中心设定的转速相差在l〇〇r/min范围内情况，进行转速调节，否则PWM占空 比在6s内从0上升至100%;当电机启动时间超过6s时，进行转速调节，产生参考电流，同 时接收系统检测的电机电流进行电流调节，输出计算的PWM占空比；与此同时经过内外转 子位置检测、换相控制后输出6路驱动信号与满足上述过程占空比要求的PWM波进行PWM 调制，调制方式采用H_PWM_L_ON模式，然后PWM调制驱动信号控制逆变器中IGBT开通与关 断，调节输入电压以调节转速，实现电机调速。本发明可以实现电机安全、平稳、快速启动， 具有调速范围宽、调速性能好、响应速度快、稳定性高等优点，已经通过试验验证，满足