侧扫声呐已广泛应用于海底测绘、勘测、施工、障碍物和沉积物探测等^[1-2]，依据换能器阵安装位置的不同，侧扫声呐可分为船载式和拖曳体装载式^[3]。在拖曳体装载式侧扫声呐测量过程中，要求在海水深度及海底地形变化的情况下，将声呐与海底间的距离控制在一定范围内。为了达到这一目的，伺服系统便成为了侧扫声呐测量中的必要设备，它可以通过收放侧扫铠装缆按需求调节声呐与海底间的距离^[4]。伺服系统可由液压部件或电机驱动^[5-6]，但液压驱动存在无效能量转换、能源利用率较低、复杂度较高等缺陷，鉴于此，电驱动系统越来越多的被用于缆绳的收放控制^[7]。有多种电机可用于伺服驱动^[8-9]，其中，永磁同步电机具有结构简单、控制灵活、体积小、重量轻、效率和功率因数高等突出优点，在伺服领域具有良好的应用前景^[10]。本文针对侧扫声呐高度控制应用，设计了一个永磁同步电机伺服系统，并对其控制技术进行了研究，在最大转矩电流比(MTPA)矢量控制方法基础之上，提出了滑模变结构(SMVS)矢量控制方法，效提高了系统的效率、动态性能以及鲁棒性。

1 PMSM伺服系统

所设计的侧扫声呐用永磁同步电机伺服系统总体结构如图 1所示，永磁同步电机与轮盘相连，通过控制电机转速及转动方向，实现盘绕在轮盘上的铠装缆的收放，进而达到调节声呐到海底距离的目的。

永磁同步电机是依据功率、转速、效率等指标要求，通过场路耦合方法设计的，主要包括指标分析、总体结构分析、材料选取、铁芯尺寸计算、绕组设计、性能优化等。关键在于电磁负荷的选取、电气损耗的合理分配、气隙磁密校核以及绕组形式的确定。图 2给出了所设计准表贴式永磁同步电机的截面图，相比于内嵌式结构，它具有结构简单，电气时间常数小，加工周期短、费用低等优点，而相比于完全表贴式结构，它能够利用磁阻转矩，输出较高的转矩。

永磁同步电机驱动器的功率主电路采用电压源型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)三相全桥逆变器，其拓扑结构如图 3所示。

IGBT的驱动电路必须具备如下2个功能：

1) 实现控制电路与被驱动IGBT栅极间的电隔离；

2) 提供合适的栅极驱动脉冲。

此外，驱动电路的设计还需考虑灵活性、扩展性、性价比等因素。分立式驱动电路简单、成本低廉，但其集成度低，复杂度高，易受干扰且保护不够完善，而模块化驱动集成度高，抗干扰能力强且保护全面，故本文所设计系统采用了模块化的IGBT驱动。

为了控制关断浪涌电压和续流二极管回复浪涌电压并减小关断损耗，需要设计IGBT的缓冲电路。常用的缓冲电路主要分为C型、RC型和RCD型，在本文所设计系统中，由于输出电流较大，且受到驱动器体积限制，选择基于聚丙烯电容的C型吸收电路，它具有损耗低、高频特性好且体积较小等特点。

本文所设计永磁同步电机伺服系统的控制器主体由DSP和CPLD构成，其原理框图如图 4所示。图中，母线电压、母线电流、电机温度等模拟信号经信号调理电路后，送至DSP的片内A/D进行模数转换，相电流经信号调理电路调理后，送至片外A/D转换芯片进行模数转换，而后送至CPLD，再由CPLD传送至DSP；本系统采用旋变解码芯片来检测电机转子位置，由解码芯片为旋转变压器提供激励信号，并对旋变反馈的位置和速度信号进行解码，数据送至CPLD；电压、电流、温度、故障等信息由DSP通过RS422接口传送给上位机；故障报警等外部中断信号送给DSP外部中断扩展口，供DSP作相应的处理；增强型PWM模块通过矢量控制输出PWM波，经CPLD逻辑综合后送给功率驱动模块来控制功率桥。

除上述电机和硬件电路外，还针对声呐伺服控制的具体工况，计算了驱动器及控制器的损耗，并基于集中参数热网络方法，对散热系统进行了设计，最终采用了冷板配合强迫风冷的冷却方式。

2 MTPA矢量控制

永磁同步电机驱动系统具有非线性、多变量和强耦合的特点，增加了控制难度，常见控制方法包括矢量控制、直接转矩控制等。矢量控制的基本思想源于对他励直流电机的模拟，其目的在于通过对交直轴电流的控制，改善电机输出转矩的性能。图 5为传统永磁同步电机矢量控制系统原理框图。

图中，位置传感器的输出经处理后可得到电机转子位置信号θ和转速信号ω_r。转速信号ω_r与转速指令信号ω_r^*比较后的偏差作为速度控制器的输入，对电机转速进行调节，实现速度闭环控制，速度控制器的输出信号经过限幅处理后作为转矩控制器的指令信号i_q^*。电机相电流信号经坐标变换后可分别得到d, q轴电流的实际值i_d和i_q，磁链指令信号i_d^*和转矩指令信号分别同电机的d, q轴电流实际值i_d和i_q比较，得到的偏差信号Δi_d和Δi_q分别作为磁链控制器和转矩控制器的输入信号，对电机的d, q轴电流进行调节，实现电流闭环控制。电流环的输出经限幅后就是施加在定子绕组上电压矢量的d, q轴分量u_d^*和u_q^*。u_d^*和u_q^*经坐标变换后，得到u_α^*和u_β^*。依照空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法，将u_α^*和u_β^*转换成相应的逆变器功率器件的开关信号，从而实现永磁同步电机的矢量控制。

本文所设计永磁同步电机的直轴电感L_d小于其交轴电感L_q，亦即具有一定的凸极率，为了充分利用由转子磁路结构不对称所产生的磁阻转矩，使转矩/电流达到最大，必须对直轴电流i_d进行控制。最大转矩/电流控制是一个条件极值问题。根据极值问题的数学理论可知，当电磁转矩T_em和i_q满足dT_em/di_q=0以及d²T_em/di_q² < 0时，T_em存在最大值。由永磁同步电机电磁转矩计算公式进一步推导可知，当T_em达到最大值时有：

(1)

式中，ψ_f为永磁体磁链。

由(1)式可求得i_d的表达式：

(2)

(2) 式便是进行永磁同步电机最大转矩/电流控制时i_d参考值的计算依据。

3 SMVS矢量控制

基于永磁同步电机的侧扫声呐伺服系统具有多变量、强耦合及参数时变等特点，存在较多的内、外部干扰。比如：拖曳体施加给电机的负载会随着作业工况发生变化，可视为外部干扰；电机运行时，定子绕组电阻值会随着温度发生变化，可视为内部参数扰动，这些干扰会在很大程度上影响系统的性能。鉴于此，有必要引入一种鲁棒控制方法。

滑模变结构(SMVS)控制本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性。该控制策略的特点在于其控制“结构”并不固定，而是依据系统当前的状态，如偏差及其各阶导数等，有目的地不断变化，迫使系统按照预定的“滑动模态”轨迹运动。该控制方法与被控对象参数及扰动无关，具有快速响应、对参数变化及扰动不敏感、无需在线辨识、物理实现简单等优点。本文将滑模变结构控制与矢量控制相结合，以增加伺服系统运行的鲁棒性，提高其性能。

基于SMVS的基本理论，对图 5中的转速控制器进行改进。令状态变量x₁=ω_r^*-ω_r，x₂= x′ ₁, 调节器的输出为i_q^*，忽略黏性摩擦后得到系统在相空间的数学模型为：

(3)

式中，P_n为极对数，J为系统旋转部分的转动惯量。

选取线性滑模面s

(4)

式中，c为常数。

采用比例切换控制：

(5)

由可达性条件ss′ < 0可推导出(5)式中的系数A, B。为了削弱滑模控制的抖振，可以在转速控制器中加入积分环节，将由滑模变结构控制器输出的开关信号转换成平均转矩指令信号。

在上述分析基础之上，图 6给出了本文所设计的侧扫声呐伺服用永磁同步电机矢量控制系统原理框图，相比于图 5所示传统矢量控制系统，主要改进在于：

1) 利用MPTA计算直轴电流参考值，提高系统功率因数及动态性能；

2) 利用SMVS计算交轴电流参考值，提高系统鲁棒性。

为了验证所提出控制方法的性能，对伺服系统进行了建模仿真，图 7给出了SMVS矢量控制下侧扫声呐永磁同步电机伺服系统的仿真结果。

由图可见，电机具有良好的动稳态性能，转速能够快速达到预设速度800 r/min，而声呐与海底间的距离逐渐增加，最后很好地控制在所需的25 m，整个过程无超调，且稳态误差很小。需要说明的是，由于电机转速在0.3 s即达到稳定，且波动非常小，所以声呐高度近似线性增加，直至6 s后达到所需值，电机停止运行。此外，仿真过程中，在负载转矩上叠加了一定幅值的随机扰动，以模拟声呐伺服控制的实际工况，良好的调速性能表明，系统具有很好的鲁棒性，从而验证了SMVS矢量控制方法的有效性。

4 结论

本文充分将永磁同步电机用于侧扫声呐的伺服控制，通过控制电机的旋转速度和转向，调节拖体距离海底的高度。设计了准表贴式永磁同步电机，给出了驱动器及控制器的拓扑及原理框图。对矢量控制方法进行了改进。采用最大转矩/电流控制策略，提高系统的功率因数及动态性能，在此基础之上，利用滑模变结构控制技术改造转速环，以提高系统抗内外部扰动的能力。仿真结果表明，所设计侧扫声呐永磁同步电机伺服系统具有良好的动稳态性能和鲁棒性。