面向電磁彈射器的永磁直線同步電機驅(qū)動系統(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)能力越來越強，從而對驅(qū)動艦載機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足對大質(zhì)量艦載機的彈射。電磁彈射裝置相對于蒸汽彈射裝置具有質(zhì)量小，體積小，效率高，維修費用低，控制精度高等特點，成為最近幾年各國研究的熱點。我國在電磁彈射領域的研究剛剛起步，隨著我國軍事力量的發(fā)展，航空母艦是我國海軍必須配備的武器之一。因此，研究電磁彈射技術對于提高我國軍事力量，打造尖端武

2、器，打破國外技術封鎖，縮短我國與軍事強國的差距，促進國防事業(yè)的發(fā)展，維護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，力波動小，運行速度高等性能要求，基于自律分散體系結(jié)構(gòu)，設計了電磁彈射驅(qū)動系統(tǒng)方案，并對其驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、位置檢測、控制技術以及容錯性能等方面進行了深入研究。在此基礎上，搭建了自行研制的交流永磁直線同步電機、交流伺服低壓控制器和直線位移傳感器組成的電磁彈射驅(qū)動系統(tǒng)樣機平臺，并通過實驗證明了本文針對電磁

3、彈射性能要求所提出方法的有效性和準確性。
　　根據(jù)電磁彈射的技術要求，分析了影響電磁彈射驅(qū)動系統(tǒng)效率的因素，提出在低速段采用齒槽永磁直線同步電機而在高速段采用無齒槽永磁直線同步電機驅(qū)動的方法，提高了彈射過程中的系統(tǒng)效率。并基于模塊化設計思想，設計了在三維空間采用定子模塊組裝的永磁直線同步電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而提高了永磁直線同步電機的工藝性和模塊故障的處理能力。為了降低驅(qū)動系統(tǒng)對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、電機組合代替大功率電機驅(qū)動的設計思想。采用有限元設計方法對永磁直線同步電機進行了深入研究，分析了極距對永磁直線同步電機功率密度的影響及結(jié)構(gòu)參數(shù)對齒槽和無齒槽電機推力及推力波動的影響，為電磁彈射用永磁直線同步電機的設計提供了理論依據(jù)。
　　為實現(xiàn)對驅(qū)動系統(tǒng)的高速伺服控制，在位置檢測單元中，基于霍爾效應原理，采用三相六元件的信號拾取方法，并通過差分處理消除了機械裝配偏差和零點漂移帶來的信號誤差。同時，基于查表方式的信號處理算法，采用了

5、查表列和編碼列兩排磁鋼的排列方法，設計了磁柵直線位移傳感器。通過實驗表明，該傳感器可以達到較高的分辨率，為實現(xiàn)絕對位移的精確測量和電機的高速控制奠定了基礎。
　　針對傳統(tǒng)集中式控制存在的缺點，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)。推導了基于自律分散控制的永磁直線同步電機矢量控制電磁模型和電磁推力模型，為其實現(xiàn)提供了理論依據(jù)。在自律分散控制結(jié)構(gòu)下的永磁直線同步電機控制中，為了提高電流響應特性，電流環(huán)采用引入反電動勢補償

6、的方法，并通過仿真驗證了該方法的有效性。同時，為提高速度檢測精度并解決速度反饋延時導致的滯后問題，機械環(huán)采用引入狀態(tài)觀測器的方法，以獲取實時的位置和速度反饋，提高永磁直線同步電機的速度響應頻率和位置控制精度。
　　為提高電磁彈射驅(qū)動系統(tǒng)的冗余度，以8極12槽集中繞組永磁直線同步電機為主要研究對象，推導了定子模塊單相、單模塊、二模塊和三相交叉模塊故障時總磁動勢計算數(shù)學模型。在此基礎上，為了保持在故障時與非故障時總磁動勢不變，建立不同

7、故障時總磁動勢不變的電流補償數(shù)學模型，實現(xiàn)了磁動勢補償，從而保證電機在故障前后的瞬時推力不變，進而提高電磁彈射驅(qū)動系統(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齒槽原理樣機實驗系統(tǒng)，并通過對原理樣機的性能進行測試，證明了低速段采用齒槽永磁直線同步電機高速段采用無齒槽永磁直線同步電機對提高整個系統(tǒng)的效率的有效性，同時驗證了電磁彈射驅(qū)動系統(tǒng)不同模塊故障時電流補償模型的正確性。本文的研究工作為電磁彈射技術應用于航母彈射器，