无人机电磁弹射器系统仿真.pdf

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1、电磁弹射技术无人机电磁弹射器系统仿真刘小虎赵宏涛吴峻（国防科学技术大学机电工程与自动化学院，长沙410073）摘要为了验证设计的合理性，建立了无人机电磁弹射器系统仿真模型，采用了恒定力控制策略。为了进一步完善模型，讨论了影响弹射用直线永磁无刷直流电机输出恒定力的几个因素，并给出了部分仿真结果。关键词：电磁弹射；系统模型；直线电机SystemSimulationoftheElectromagneticLauncherforUAVLiuXiaohuZhaoHongtaoWuJun(CollegeofMechatronicsEngineering

2、andAutomation,NUDT,Changsha410073)AbstractAsystemsimulationmodeloftheelectro-magneticlauncherforUAVisbuilttoverifytherationalityofthelaunchersystemdesign.Thecontrolobjectiveistomakethelauncher’sthrustinvariable.Toperfectthemodel,severalfactorsthatarousethelaunchermotor’s—t

3、helinearpermanentmagnetbrushlessDCmotor’s—thrustfluctuationarediscussed,andsomesimulationresultsarepresented.Keywords：electromagneticlauncher；systemmodel；linearmotor推力波动：1.05；1引言一次弹射储能：4MJ；电磁弹射器是一种高效的飞机起飞辅助装置，弹射末速度：30~60m/s；主要由直线电机、储能供电设备、电力变换设备和末速度偏差：-0到+1.5m/s.[1-2]控制系统组

4、成。当用于弹射轻型飞机，如无人机其中的末速度是个取值范围，对应不同的无人时，可以在满足四部分组成的前提下将文献[1]所述机型号。以上述指标为依据建立系统模型。的指标降低。为了检验所设计的电磁弹射系统方案2.1系统建模能否达到弹射无人机的指标要求，需要建立系统模在综合仿真软件Saber环境下建立电磁弹射系型进行仿真验证。仿真模型考虑地越全面，仿真结统模型[4]，如图1所示。该模型由储能供电设备、果越可信。针对直线电机这一关键组成部分，在恒电力变换设备、直线电机和控制系统四部分组成，定力控制目标的指导下，有必要对其进行深层次分图中用虚线框一一示

5、出。析，将实际因素考虑到系统模型中。在确定无人机电磁弹射器各项技术指标的基础上，本文建立了弹射器的模块化系统仿真模型，并[3]着重分析了弹射用直线永磁无刷直流电机在确保恒定力控制时需要考虑的基本模型外因素。2系统模型的建立与分析[1]以美国海军EMALS研制任务为参照，可类比得到无人机电磁弹射器的研制任务如下：弹射本体重量：60,000kg；弹射周期：45s；图1电磁弹射系统模型542010年增刊电磁弹射技术储能供电设备由代表蓄电池的直流电源和储能采用了恒定力控制后的弹射器输出推力如图3用超级电容组成。蓄电池采用大容量铅酸蓄电池，所示。可见

6、平均推力基本可以维持恒定，但推力波超级电容组初始电压为600V，电容值12F，这时超动仍然较大，这与直线电机反电势变形密切相关。级电容组的内阻约为40m繩，可以通过10kA的瞬时3实际因素对直线电机出力的影响电流。直线电机的设计依据是文[3]提出的动磁式双边在确定了电磁弹射系统模型之后，如果直线电直线永磁无刷直流电机，结构原理图如图2所示。定机是理想的执行机构，则运用一定的控制策略总能子加速段长50m，齿宽等于槽宽等于20mm。定子线实现对无人机的恒加速弹射。但是，直线永磁无刷圈分段供电。每段采用电阻R、电感L和电枢反电势直流电机在确保安装

7、简便、推力大的同时，也带来[5][6,7]e串联来建模，三相星形连接。相关参数：R=0.0184繩，了反电势变形、静态定位力等很多问题，使恒L=80uH，反电势由电机模型确定，基本模型的反电加速弹射的目标遇到了困难，这些因素在深入建模势可由有限元仿真给出，是空载反电势。动子采用的的时候都必须加以考虑。是NdFeB永磁体，外套薄铝壳，气隙2mm。极对数为2，极距为60mm。电机的深度为1m。图3弹射器输出推力图2直线永磁无刷直流电机结构原理图（顶视图）3.1静态定位力电力变换设备就是直线电机的换相开关，是通如图2所示的直线电机模型，一方面，定

8、子铁用的三相桥，导通方式则为常见的两两导通。芯是开槽式的，另一方面，动子永磁体是开断结构，控制系统利用SaberSimulinkCosim模块实现了[6,7]这两个因素造成了静态