基于SVPWM控制技术的高炮随动系统仿真

韦宏强，阚　虎，吴红权，张　鹏，郑　屹，樊　蓉

（中国白城兵器试验中心，吉林　白城　137001）



基于SVPWM控制技术的高炮随动系统仿真

韦宏强，阚虎，吴红权，张鹏，郑屹，樊蓉

（中国白城兵器试验中心，吉林白城137001）

摘要：小口径高炮随动系统的特点是体积小、重量轻，要求反应迅速、控制精度高，采用交流驱动模式及直流驱动模式各有其优缺点，分析了基于SVPWM控制技术的永磁交流同步电机（PMSM）在小口径高炮随动系统中的应用。利用Simulink仿真语言，构建某型小口径高炮随动系统SVPWM控制技术仿真模型，对其控制过程进行仿真分析。仿真结果表明，采用SVPWM控制技术，在小口径高炮随动系统结构趋于小型化、重量减轻、体积缩小的前提下，响应速度快、控制精度高，能够满足战技指标要求。

关键词：SVPWM，PMSM，随动系统，Simulink，仿真

0　引言

随动系统是高炮武器的重要组成部分，其功能是接收火控系统指挥仪发出的水平和俯仰信号，控制火炮身管动作，对空中来袭目标进行跟踪瞄准。不同于大中口径火炮随动系统，小口径高炮随动系统有其独特的技术特点:

①小口径高炮体积较小、重量较轻、集成化程度高，结构紧凑，必然要求其随动系统结构趋于小型化；

②小口径高炮的主要作战目标是空中来袭的战机和导弹，要求其火炮能够精确瞄准、快速射击，对随动系统要求响应速度快、控制精度高。

不同的小口径高炮随动系统在设计上各有其特点，根据驱动电机类型的不同，可分为交流驱动模式和直流驱动模式两类。

①直流驱动模式特点：采用直流电机驱动，体积较小、重量较轻、反应迅速、时间常数小、控制精度高、制动性能好，缺点是结构复杂、过载能力差，需要复杂的保护装置，电刷及换向器需经常维护；

②交流驱动模式特点：采用交流电机驱动，电机的电刷及换向器等机械部件不需要经常维护，具有负荷大、惯性低等特性，但在交流驱动模式下，电机的调速性能、转矩控制性能不够理想，导致随动系统很难快速、准确、稳定地控制火炮瞄准目标。

近十几年来，电力电子技术发展迅速，矢量控制、变结构控制、解耦控制和二自由度控制等先进控制技术在交流电机驱动领域得到广泛应用［1］。上述控制技术很好地解决了交流电机驱动模式下转矩及转速难以精确控制的缺点，调速性能、转矩控制性能和经济指标已达到并超过直流电机驱动模式，应用日益广泛，控制精度高，各种复杂的控制算法都能够实现，使火炮随动系统的性能大大提高。

1高炮随动系统控制模型

国产某型小口径自行高炮随动系统驱动采用高精度永磁交流同步电机，其伺服系统采用SVPWM控制技术。

永磁交流同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）广泛应用于各种伺服驱动系统，其优点在于：无电刷和滑环、转子损耗低、输出功率大、转动惯量小、加速度大、转矩脉动小、转矩平稳、运行效率较高、高速运行时功率因数高，即使在转速极低的情况下，其位置控制精度也非常高；采用SVPWM控制技术的PMSM伺服系统具备与直流伺服电机相类似的伺服性能，代表了电机伺服技术的发展方向［2］。PMSM伺服系统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制采用数字化控制技术，有利于进行数学建模仿真研究。本文利用Simulink仿真平台，构建小口径高炮随动系统数学仿真模型，对基于SVPWM控制技术的PMSM伺服系统的性能进行仿真分析，研究该自行高炮随动系统的动态特性。

1.1 SVPWM控制技术原理

SVPWM是空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation）的简称，是一种高性能交流电机驱动控制技术。其基本原理如下：依据坐标变换理论，将交流电机三相定子电流分解成励磁和转矩两个直流分量，这样在时间及相位上正交的交流分量就被转换成空间上正交的直流分量；通过控制电路分别控制电机磁通和转矩，然后再利用坐标变换，将直流控制量还原为交流分量，从而对交流电机进行精确控制。

SVPWM的控制技术理论如下：根据平均值等效原理，对于预先给定的电压矢量，将一个开关周期内的基本电压矢量进行合成，使合成电压矢量与给定电压矢量等效。在某一确定时刻，某区域中的电压矢量可通过该区域两个相邻的零矢量和非零矢量合成来得到。在一个采样周期内，分别控制两个矢量的作用时间，从而精确控制各个电压矢量，使其空间矢量轨迹接近圆形，通过控制逆变器开关状态，使其实际磁通接近理想磁通圆；比较两者的结果差异，决定逆变器的开关状态，得到PWM波形［3］。

SVPWM控制技术的实现方法如下：控制电路由三相功率逆变器的6个功率开关元件组成，通过设定6个功率开关元件不同的开闭模式，生成8个脉宽调制波，控制输出电压，使电机旋转磁场接近理想圆形磁链轨迹。

图1　8个基本电压空间矢量的位置

在电压空间向量中，三相正弦波电压合成一个等效的旋转电压，其轨迹如图1所示的圆形。利用电压矢量合成技术，从某一位置开始，对设定的电压向量逐次增大，增量由该区域相邻的基本非零向量与零电压向量合成得到，所产生的电压向量与电压空间向量平面上平滑旋转的电压向量等效，实现电压空间矢量脉宽调制。

1.2 PMSM随动系统控制模型

某型小口径自行高炮随动系统采用的永磁同步电机伺服系统，其基本结构如下页图2所示，该系统采用电流环、速度环和位置环三闭环结构。伺服系统中采用空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术，其特点是电机转矩脉动小、绕组电流波形谐波成分小、旋转磁场接近圆形、电压利用率高，大大提高PMSM的调速性能。

①电流环：其作用是控制电机绕组电流，使其与参考电流能够时刻保持一致。q轴参考电流值Iq由速度环输出，d轴参考电流值Id由系统直接给定。实时测量电机的电流分量，对测量结果进行坐标变换，得到反馈电流id、iq，比较反馈电流id、iq与参考电流Iq、Id，得到偏差值，从而产生驱动信号，驱动信号通过电流调节器，得到d、q轴的电压参考值ud、uq。

②速度环：其作用是控制电机转速，使其实际转速与速度指令参考值ω1保持一致，消除由于负载转矩扰动所导致的电机转速变化。比较实际转速ω2与速度指令参考值ω1，得到偏差值，再通过速度调节器产生q轴电流参考值Iq，电流信号控制电机速度，使电机的实际转速与速度指令参考值ω1保持一致。

图2　PMWM伺服控制系统结构图

图3　PMSM伺服系统仿真模型结构图

③位置环：其作用是比较预先设定的目标位置θ1与电机的实际位置θ2，得到偏差值，位置调节器根据偏差值，产生电机的速度指令参考值ω1，控制电机能够精确定位。

在PMSM伺服系统中，电机转子的角位置θ可采用光电编码器来检测；电机参数从abc三相静止坐标系变换为d、q两相同步旋转坐标系，可用式（1）完成［4］。

式（1）中θ为三相静止坐标系a轴与同步旋转坐标系中d轴之间的交角。

2 SPVWM控制仿真模型建立

利用Simulink，构建PMSM控制系统的仿真模型，根据功能的不同，将SVPWM控制系统分为多个子模块，每个子模块功能相对独立，主要包括下列子模块：信号发生器部分、坐标变换部分、SVPWM控制部分、PMSM本体和逆变器部分［5］、控制器部分等。通过这些子模块的有机结合，就可实现基于SVPWM技术的PMSM系统矢量控制模型，系统仿真模型如图3所示。

3仿真计算与分析

对Simulink构建的PMSM伺服系统仿真模型，进行闭环控制仿真运行［6］。

3.1 PMSM模型仿真结果

PMSM电机仿真参数设置为：nN=1 450 r/min，PN=800 W，UN=380 V，R=3.3，Ld、Lq=8.5×10-3H，yf= 0.243 Wb，J=0.8×10-3kg·m2，粘滞摩擦系数B=0.0 N· m·s。

系统在t=0时，负载Tl=TN=5 N·m起动，通过仿真运行，分别得到转速仿真曲线、转矩仿真曲线、ia、ib、ic相电流仿真曲线、电机磁链仿真曲线，如图4（a）～图4（d）所示。从图4可以看出，在电机启动之后，转速在0.14 s就达到预定值，运行稳定；同时电磁转矩Te很快就达到120 Nm，波动很轻微；ia、ib、ic在电机启动时比较大，但在0.14 s就达到设定值。

图4　PMSM电机仿真结果曲线

3.2随动信号输入仿真结果

对构建的随动系统仿真模型分别加载阶跃信号及正弦信号，对加载的信号与仿真系统的响应结果进行比对，阶跃信号比对结果如图5所示，正弦信号比对结果如图6所示。

图5　阶跃信号仿真结果曲线

图6　正弦信号仿真结果曲线

根据图5及图6可知，加载阶跃信号及正弦信号，系统产生的响应速度快，偏差小，精度高，满足高炮随动系统对输入信号快速、准确响应的要求。

4　结论

本文利用Matlab/Simulink构建了某型小口径高炮随动系统数学仿真模型，该模型采用基于SVPWM控制技术的PMSM伺服系统方法，对模型进行了仿真分析。仿真结果表明，基于SVPWM控制技术的PMSM随动系统运行良好，响应速度快，控制精度高，具有良好的静态、动态特性，为小口径高炮武器系统快速、精确瞄准目标提供了技术保证。

参考文献：

［1］任挺.小口径速射舰炮随动系统发展现状及趋势［J］.兵工自动化，2009，29（2）：66-67.

［2］杨平，张云安.基于Matlab永磁同步电机控制系统建模仿真［J］.电机技术，2005，26（2）：11-13.

［3］梁新兰，刘伟，王莹.基于MATLAB/Simulink的双闭环SPWM变频调速系统仿真［J］.电气开关，2008，46（6）：21-24.

［4］王中鲜.MATLAB建模与仿真应用［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［5］薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［6］芦明.基于MATLAB的异步电机仿真研究［J］.内江科技，2009，30（1）：77-78.

Simulation Research for Servo System of Antiaircraft Based on SVPWM Technique

WEI Hong-qiang，KAN Hu，WU Hong-quan，ZHANG Peng，ZHENG Yi，FAN Rong
（China Baicheng Ordnance Test Center，Baicheng 137001，China）

Abstract：Different drive modes of servo system are analysed on their merits and disadvantages in allusion to the characteristics of small caliber antiaircraft gun system.The use of Permanent Magnet Synchronous Motor（PMSM）with Space Vector Pulse Width Modulation（SVPWM）in small caliber antiaircraft gun servo is discussed.Modelling and simulation research of dynamic control process for certain small caliber antiaircraft gun servo with SVPWM control are achieved with Simulink.The results show that，servo system with SVPWM control not only takes on small structure and light weight，but also achieves high speed response and accurate control precision，which meets the requirements of tactical and technology indexes.

Key words：SVPWM，PMSM，servo system，Simulink，simulation

作者简介：韦宏强（1969-），男，陕西西安人，博士。研究方向：仿真试验技术研究。

收稿日期：2015-02-25修回日期：2015-04-17

文章编号：1002-0640（2016）03-0150-04

中图分类号：TJ430.3+8

文献标识码：A