火炮随动系统的电压泵升及泄放分析

张 浩，郭 婧，李长红

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

火炮电气随动系统具有体积小、控制灵活的优点，例如采用永磁同步电机驱动的火炮随动系统[1]，对于这类的随动系统，设有专门的供电与配电装置，如采用发电机供电或蓄电瓶供电或车外电源供电。在随动系统工作的时候，电压泵升使电源电压波动，可导致该电源上的其他设备工作异常，严重时可导致元器件的损坏。因此，笔者针对电压泵升的机理进行详细研究[2]，对不同的泄放参数进行仿真，可用于指导实际系统设计。

1 电压泵升机理

对于某火炮随动系统的高低系统，设定其额定工作电压，忽略动力回路所有导线的电阻及电机内阻，忽略功率器件的开关损耗，并假定高低系统在最高速制动至零速的时间相同，当高低系统运转时电机输出功率为[3]

PM=MHωH，

(1)

式中：MH为高低电机输出的电磁转矩；ωH为高低电机的转速。

系统的储能为

(2)

式中：U为当前的母线电压；C为伺服系统及供电单元中的总电容。

当高低系统制动时，产生机械能向电能的转换过程，即能量回馈。高低系统制动时，根据能量的转换关系有

(3)

将式(1)和(2)代入到式(3)，有

(4)

若高低电机最高转速为ωHmax=4 000 r/min=419 rad/s，输出最大转矩为MHmax=26.146 N·m，设高低电机从最高转速制动为零速时的时间为0.2 s，则有

(5)

将参数带入式(4)，当t<0.2 s时，有

(6)

对式(6)两边积分，求解得

(7)

式中，U0为制动前的母线电压。

额定电压U0=Udc，设Udc=56 V，当C=19 200 μF和C=33 000 μF时，制动电压泵升曲线如图1所示。

从图1可以看出，系统在制动时产生大量的电能[4]，使母线电压迅速升高，这时若不采取措施，将击穿电容或损坏功率器件。

解决能量泵升的方法之一是加入泄放电路，当母线电压泵升超过一定电压时，将该电阻接入母线回路中，将多余的能量以电阻发热的形式消耗掉，该电阻亦被称为再生制动电阻。设泄放点为U∑，对应t∑时刻，则有

(8)

将(8)式代入前面给出的具体参数，有

(9)

U∑和对应的t∑时刻满足(7)式，有

(10)

当U0=56 V，解得

(11)

令τ=t-t∑，当τ≥0时，系统开始产生泄放动作，这时根据式(9)及t=τ+t∑，有

(12)

式(12)的初始条件为τ=0时，U=U∑.因此有

(13)

令

(14)

则式(12)的实现框图如图2所示，图中积分器的初始值为U∑.

2 仿真研究

采用MATLAB/SIMULINK对上面的推导进行了仿真研究[5]，根据式(12)及图2，当泄放电阻R=2 Ω、C=19 200 μF、泄放点U∑=67 V时的SIMULINK仿真框图[6]如图3所示。

图4～7给出了不同泄放点、电阻、电容情况下，系统制动时电压泵升与泄放的电压波形。

从该仿真曲线可以看出，在电容与泄放电阻一定的情况下，泄放点的选择对泄放电压曲线的最大值影响不大；减小泄放电阻可有效提高泄放能力，抑制母线电压的泵升；增大母线电容，对抑制母线电压的泵升有一定的效果。

3 结束语

笔者对随动系统的电压泵升与泄放的机理进行了详细的研究，建立的仿真模型，针对泄放点、母线电容及泄放电阻对泄放时电压曲线的影响进行仿真研究，泄放点的选取对泄放时母线电压最大值影响较小，增大母线电容可降低泄放时母线电压的最大值，选取小阻值的泄放电阻可有效提高泄放能力。