（控制理论与控制工程专业论文）海洋潜器全方位推进器主轴控制系统设计与实现.pdf

， - j c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g t h es t u d yo nt h e p r i n c i p a la x i sc o n t r o ls y s t e mo f v a r i a b l ev e c t o rp r o p e l l e r c a n d i d a t e ：w a n gj i a n a n s u p e r v i s o r ：p r o f l i us h e n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：c o n t r o lt h e o r y & c o n t r o le n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n ，2 01o d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r ，2 0 10 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。， 作者( 签字) ：乃铴 日期： k ，厂。年弓月r 易日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( d 在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 f 作者( 签字) ：蒯导师( 签字) ：彦髟以 日期： 厶j 0 年罗月r 日砌夕年3 月肛日 哈尔滨工稃大学硕十学位论文 _ii i 目录 第l 章绪论1 1 1 课题研究的意义与背景1 1 2 潜器全方位推进器系统国内外研究现状2 1 3 永磁同步电动机无位置传感器控制研究现状4 1 4 本论文的主要内容7 第2 章海洋潜器全方位推进器主轴控制系统方案设计9 2 1 主轴控制系统构成方案9 2 1 1 潜器全方位推进器主轴控制系统9 2 1 2 主轴控制系统推力与阻力分析1 2 2 1 3 主轴控制系统电机选型15 2 2 主轴控制系统永磁同步电机的数学模型16 2 3 主轴控制系统电动机控制方法1 9 2 3 1 矢量控制技术1 9 2 3 2 矢量控制方法2 0 2 4 本章小结2 1 第3 章海洋潜器全方位推进器主轴无位置传感器控制技术研究2 2 3 1 主轴控制系统的控制策略2 2 3 2 基于滑模变结构的无位置传感器控制技术2 3 3 2 1 滑模变结构控制原理2 3 3 2 2 滑模电流观测器建立及改进2 4 3 2 3 反电势观测器建立及改进2 7 3 3 主轴控制系统开环起动策略2 8 3 4 滑模变结构观测器的转子估算角度的相位补偿3 2 3 5 本章小结3 3 第4 章海洋潜器全方位掐荭器主轴控制系统硬件设计3 4 4 1 主轴控制系统硬件设计3 4 4 1 1 处理器最小系统设计3 5 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 4 1 2 母线电压采样电路设计3 7 4 1 3s p i 电路设计3 8 4 1 4 驱动电路的设计3 9 4 2 低成本电流采样策略4 0 4 2 1 相电流直接采样4 0 4 2 2 桥臂电流采样4 1 4 2 3 母线电流采样4 3 4 3 本章小结4 7 第5 章海苇襻靛匐计吲翅捌强耥愕彰藩预1 圾试燃4 8 5 1 主轴控制系统软件设计4 8 5 1 1 主轴控制系统软件开发环境4 8 5 1 2 主轴控制系统软件结构4 9 5 1 3 数字滑模观测器的实现5 1 5 1 4 主轴控制系统主程序流程5 2 5 2 试验结果及分析”5 4 5 2 1 主轴控制系统仿真试验及分析5 5 5 2 2 主轴控制系统试验结果及分析6 0 5 3 本章小结6 2 结论6 3 参考文献6 4 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 2 致谢7 3 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 摘要 随着海洋权益与海洋资源的地位越来越重要，潜器作为其重要的开发工 具也日益受到关注。主轴控制系统作为潜器的重要组成部分，其控制技术的 好坏直接影响潜器的性能。永磁同步电动机无位置传感器控制技术不但能够 降低系统成本，而且能够增加系统可靠性。 本论文的主要工作围绕海洋潜器全方位推进器主轴推进永磁同步电机控 制系统的研究展开，采用永磁同步电机无位置传感器技术实现对主轴推进系 统的控制。根据推进器主轴系统要求，进行了电动机系统选型，在此基础上， 建立永磁同步电机在d 、q 坐标系上的数学模型。根据永磁同步电机的特点 以及主轴推进系统的要求，采用矢量控制技术实现潜器全方位推进器主轴系 统的控制。 为了满足工作可靠实现简便的要求，给出了一种基于滑模观测器的潜器 企方位推进器主轴电机无位置传感器控制方案，通过观测器获取磁极位置和 转速信息，实现了基于转子磁场定向的矢量控制方式。为了解决静止和低速 时由于电机反电动势太小以及电流检测信噪比较低等因素造成的转子磁链计 算不准确问题，采用初始定位结合分段升频的启动策略，保证无位置传感器 控制无死区运行，电动机有足够的启动转矩。分析了滑模观测器检测到的转 子位置相位滞后的原因，提出一种易于实现的分段线性补偿方法对检测出的 转子位置角进行相位补偿。 采用高性能控制芯片完成数字控制系统设计，选定基于母线电阻电流检 测方法。硬件系统结构合理、实现简单可靠，能够满足永磁同步电动机无位 置传感器控制的需要。进行了全方位推进器主轴永磁同步电机无位置传感器 矢量控制系统的仿真和试验研究，仿真和试验结果表明无位置传感器算法性 能优越。 关键词：海洋潜器；全方位推进器；永磁同步电机；无位置传感器；矢量控制 一 ，i 哈尔滨丁稃，j 学硕士学位论文 a bs t r a c t s u b m a r i n el sak i n do fi m p o r t a n tf a c i l i t i e si no c e a ne x p l o i t a t i o na n dr e s e a r c h w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs u b m a r i n ei tr e q u i r e sl i g h t e r , s m a l l e rf i t t i n g s v a r i a b l e v e c t o rp r o p e l l e ri sa b l et or e d u c ep r o p e l l e r sa n dc o n s e q u e n t l yt oc o n t r i b u t et ot h e c o m p a c t n e s sa n dt h el i g h tw e i g h to fs u b m a r i n e p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ( p m s m ) h a sg o o dc h a r a c t e r i s t i c so fs m a l ls i z ea n dh i 曲e f f i c i e n c y , e t c t h e c o n t r o lt e c h n o l o g yo fap o s i t i o ns e n s o r l e s sp m s mn o to n l yc u t sd o w nt h ec o s to f s y s t e m ，b u ta l s oi n c r e a s e st h es e c u r i t yo fs y s t e m ，w h i c hi st h ed r i v i n gm a n n e rt h e p a p e ru s e s t h i sp a p e ri s a i m i n ga tp r i n c i p a la x i sp r o p e l l i n gp o s i t i o ns e n s o r l e s sp m s m s y s t e m o fv a r i a b l ev e c t o r p r o p e l l e r ( v v p ) a c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p a la x i s p r o p e l l i n gs y s t e md e m a n do fv v p s e l e c tt h em o d e lf o rt h ee l e c t r o m o t o rs y s t e m t h e n ，s e tt h em e t h e m a t i cm o d e la n ds t a t e m e n te q u a t i o no ft h ep m s mo nt h ed a n dqa x i ss y s t e m b a s e do nt h ep r i n c i p a lo fv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt h e c h a r a c t e ra n dm a t i e r i a lo ft h ep m s m ，c h o o s et h ev e c t o rc o n t r o lm a n n e rf o rt h e c o n t r o li r l a n n e ro fv v p p r i n c i p a la x i ss y s t e m an e wp o s i t i o ns e n s o r l e s sp m s mc o n t r o lm a n n e ro fv v pi sa d d r e s s e di nt h e p a p e rt os a t i s f yt h ed e m a n do ft h es i m p l er e a l i z a t i o n , w h i c hi sb a s e do nt h es l i d i n g m o d eo b s e r v e r t h ev e c t o rc o n t r o lm a n n e rc a nw o r kw e l lw i t ho b s e r v e rg e t st h e p o l ep o s i t i o na n dr o t a t es p e e di n f o r m a t i o n t h em a n n e ra p p l i e st h es t a r tm a n n e ro f i n i t i a l i z a t i o no r i e n t a t i o nw i t h s e g m e n t a t i o nu p - f r e q u e n c y , w h i c hs e t t l et h e p r o b l e mo fr o t o rc a l c u l a t i o ne x a c t i o nb e c a u s eo ft h ev o l t a g eo fm o t o rb e i n gs m a l l a n dt h es i g n a l - t o n o i s eo fd e t e c t i n gc u r r e n tb e i n gl o w w h a t sm o r e ，t h em a n n e r a s u r e st h a tp o s i t i o ns e n s o r l e s sp m s mc o n t r 0 1r u n sw i t h o u td e a d a r e aa n dh a st h e e n o u g hs t a r t i n gt o r q u e o na n a l y s i n gt h er e a s o no ft h ep h a s el a gt h a tt h es l i d i n g m o d eo b s e r v e rd e t e c t s ，a na d v a n c e da l g o r i t h mi sp r e s e n t e dt o c o m p a n s a t et h e p h a s ef o rt h ed e t e c t e dr o t o rs t a t i o na n g l e ，w h i c hi se a s yt ob er e a l i z a t i o n t h e m e t h o di ss e g m e n t a t i o nt u r b u l a t o rc o m p e n s a t i o n 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 t h eh i 曲p e r f o r m a n c ec o n t r o lc h i pi sa d a p t e dt od e s i g nt h ed i g i t a lc o n t r o l s y s t e m ，i nw h i c hc u r r e n td e t e c t i n gm e t h a li sb a s e do nb u sr e s i s t o r t h eh a r d w a r e s y s t e mh a sg o o ds t r u c t u r ea n ds e c u r i t yt os a t i s f yt h ed e m a n do ft h ep o s i t i o n s e n s o r l e s sp m s mc o n t r o l l i n g t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts t u d yo ft h ev e c t o r ， c o n t r o ls h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep o s i t i o ns e n s o r l e s sa l g o r i t h mi sp e r f e c t k e yw o r d s ：v a r i a b l ev e c t o rp r o p e l l e r ；s e as u b m a r i n e ；p o s i t i o ns e n s o r l e s s ； ， p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ；v e c t o rc o n t r o l 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的意义与背景 海洋覆盖了地球表面积的7 0 8 ，为人类提供了丰富的矿产和生物等资 源。我国海洋国土面积达到3 0 0 万平方公里，无论是海洋开发或者海权的保障 都离不开各种海洋运载体。而潜器由于具备良好的操纵性能，成为海洋开发 的主要工具。但是其重量的增加以及总体规模的变大制约着潜器的发展 【1 】 3 】【4 】【5 】【1 5 】【2 5 】。 潜器作为海洋开发中执行任务的重要工具，应具备良好的操纵性能。常 规的潜艇推进控制装置的推进器是由多个构成，能产生前后、左右和上下方 向的推力，而且通过组合使用完成操纵运动。全方位推进器既能产生横向运 动，也能产生纵向运动和垂直方向的运动，因为其螺距角可以周期性的变化 从而产生三个方向的推力。而常规螺旋桨则达不到这一点。全方位推进器作 为一种新型推进装置，本身即可提供纵向、横向以及垂向全方向推力，可以 省去横向和垂向的槽道推进器，大大减轻潜器重量，缩小潜器体积，节约潜 器消耗能量，改善潜器结构和布局【1j 。 全方位推进器是利用推进器中的叶片角加上回转角，并使回转角作周期 性变化，得到推力，与此同时，通过周期性的改变叶片角得到横向力和转矩， 用1 个螺旋桨可产生6 个分力。因此通过此推进器的组合，或与普通推进器的 组合，能维持推进控制，减少安装推进器的个数，减小尺寸和重量。一般的 螺旋桨一般含有3 6 个桨叶，各个桨叶的螺距角相等，并且桨叶的转动为匀速 转动。所以螺旋桨各个方向上的切向力是相等，所以只会产生竖直方向的推 力。而全方位推进器的桨叶的螺距角是周期性变化的，虽然桨叶的转动也为 匀速的，但是其正弦规律变化的螺距角会使叶片上的切向力随位置角的变化 而变化，从而产生侧向推力。因此，使用全方位推进器不仅可以实现普通螺 旋桨推进器可以实现的推进功能外，还可以实现横向和垂直方向的运动，同 时它还具有结构简单，利于节能和潜器结构布局，有利于提高潜器的操纵性 能【2 】o 哈尔滨丁稃大学硕士学位论文 1 2 潜器全方位推进器系统国内外研究现状 最早提出全方位推进器的是美国的f r h a s e l t o n 工程师，他于1 9 6 1 年提 出全方位推进器的推进系统由两个推进器组成，并且通过机械结构连接在仪 器，利用两个推进器的不同方向的旋转产生任何方向的推力。直到八十年代， 全方位推进器才走向实用。美国a m e t e k 公司于1 9 8 5 年制造了第一台采用全 方位推进器的水下机器人。在日本，由于针对全方位推进器的研究比较早， 因此其研究也走在世界前列。日本学者难波直爱于1 9 8 8 年发表的论文详细阐 述的全方位推进器的原理以及开发，论述了全方位推进器的概要、工作原理、 准定常理论的计算方法、水槽试验的结果等，成为全方位推进器的历史里程 碑。 川崎重工于1 9 8 5 年发表的论文极限作业的螺旋桨的研究开发讲述了 在极限情况下作业螺旋桨的使用，实际上就是全方位推进器的研制过程。日 本船舶技术研究所的田村兼吉在研究所的研讨会上的演讲全方位推进器 的研究，详细论述了全方位推进器的发展历史以及全方位推进器的研发原理 以及研制过程【1 】 2 0 】。之后，日本海洋科学技术研究所首先将全方位推进器用 于实际项目中，他们将全方位推进器应用于海底开发的机器人中。随后，三 菱重工也将全方位推进器用于实际，他们将全方位推进器用于无人水下潜器 中，从而提高了潜器的灵活性。 我国针对全方位推进器的研究比较晚，但是取得一系列研究成果。哈尔 滨工程大学作为国内最高关注全方位推进器的单位之一，一直关注着潜器全 方位推进器的研究开发。刘胜教授和所指导的硕士研究生郑秀丽多年以来一 直跟踪全方位推进器的发展方向，主要利用先进的现代控制理论实现对全方 位推进器的螺距控制系统进行控制 2 1 ，王玲群在潜器全方位推进器的逻辑控 制系统理论研究的基础上，建立了全方位推进器的三维模型，开发了一套全 方位推进器控制系统的三维参数化实体运动仿真系统【6 】。研究生张国文研究 了增量式p i d 控制算法在全方位推进器电液位置伺服系统中的应用，伺服系 统进行了全面系统的研究，并对四通阀控单出杆液压缸的数学模型进行了深 入研究，推导了四通阀控单出杆液压缸的传递函数，对不同负载时推进器电 液位置伺服系统进行了研究，并对其动态特性进行了分析【2 n 。黄胜教授和所 哈尔滨工程大学硕十学何论文 指导的研究生冯永军考察了全方位推进器纵倾角对全方位推进器的水动力性 能的影响，并进行了试验设计 5 】。贡毅敏研究生应用面元法理论对全方向推 进器进行了水动力性能的预报【7 】。硕士研究生邵雪明在硕士学位论文中改进 了水动力性能的预报方法【8 】。常欣分析了全方位推进器主要参数的变化对全 方向推进器水动力性能的影响【4 】。杨勇和贺伟利用可编程逻辑器为核心完成 了全方位推进器叶片旋转的伺服控制，实现了全方位推进器叶片的摆线轨迹 运动 9 】。硕士生宁至胜利用先进算法计算了全方位推进器的水动力性能，提 高了计算精度与速度【| 】 4 】【1 5 】。博士生王乐胜对两只全方位推进器同时工作的 情况进行了研究，论文在对全方位推进器水动力性能计算研究时，考虑了前 后两桨同时工作的定常状态，非定常状态。 电力推进是采用电动机带动螺旋桨，是一种较为先进的推进方式。舰船 采用电动机调速系统作为推进动力装置己有近百年的历史。电力推进装置操 纵灵活，机动性能好，减少了误操作，适合某些对机动性能要求较高的船舶。 同时，其易于获得理想的拖动特性，提高船舶的技术经济性能。船舶电力推 进是一种采用电动机直接驱动螺旋桨的推进方式，与传统的机械式推进方式 相比，电力推进具有控制灵活，易于实现自动化，振动小，噪声低，污染排 放少，舱室布置方便，全寿命费用低等优点。自2 0 世纪8 0 年代以来，随着 电力电子学的发展，交流电机调速理论和微机控制技术的进步，为船舶电力 推进的发展提供了便利条件，电力推进技术也由此在船舶领域广泛为水面舰 艇、水下潜器所采用。 调速传动从电流型式上可以分为直流调速和交流调速两大类，而交流调 速又可以分为异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。直流调速系统具 有优良的静、动态性能指标，在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本 上被直流电动机调速系统所垄断。直流电动机虽有调速性能好的优势，但也 有一些固有的难于克服的缺点。如机械式换向带来的弊端，使其事故率高， 无法在大容量的调速领域中应用，维护困难。而交流电动机有它固有的优点， 其容量、电压、电流和转速的上限不像直流电动机那样受限制，且结构简单， 造价低廉，坚固耐用，容易维护。同步发电机为了实现能量的转换，需要有 一个直流磁场。而产生这个磁场的直流电流，称为发电机的励磁电流。根据 哈尔滨工程大学硕士学何论文 励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电机，称为他励发 电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。 在交流调速的各个发展阶段，根据当时的技术条件，出现了各种交流调 速方法。在各种交流调速中，变频调速的性能最好。变频调速范围大，静态 稳定性好，运行效率高，是一种理想的调速系统。随着交流电动机理论问题 的突破和调速装置性能的完善，交流电动机调速性能差的缺点已经得到了克 服。目前，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以 超过直流调速系统。因而可以相信，在不久的将来，交流变频调速电气传动 将替代包括直流调速传动在内的其他调速电气传动。交流调速的基本方法有 多种，但它们都是来源于交流电机的转速公式。因而，异步机的调速方法可 分为变频调速、变极对数调速和变转差率调速三种，其中变转差率的方法又 可以通过调节定子电压、转子电阻、转差电压等方法来实现。 由于永磁同步电动机( p m s m ) 众多优点，例如调速范围大，变频调速 性能号等，受到越来越多的关注。同时，脉宽调制技术以及电子技术和控制 理论的发展，也提高了永磁同步电动机的性能。随着科学技术的发展，许多 高性能永磁材料被发现，以及新型电力电子器件被开发，也极大促进了永磁 同步电动机的发展。 1 3 永磁同步电动机无位置传感器控制研究现状 随着电力电子技术、电机控制技术和超大规模集成电路技术的飞速发展， 现代交流传动系统的性能达到了前所未有的高度。在交流调速的各个发展阶 段，根据当时的技术条件，出现了各种交流调速方法。在各种交流调速中， 变频调速的性能最好。变频调速范围大，静态稳定性好，运行效率高，是一 种理想的调速系统。随着交流电动机理论问题的突破和调速装置性能的完善， 交流电动机调速性能差的缺点已经得到了克服。目前，交流调速系统的性能 已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流调速系统。因而可以相 信，在不久的将来，交流变频调速电气传动将替代包括直流调速传动在内的 其他调速电气传动。交流调速的基本方法有多种，但它们都是来源于交流电 机的转速公式。因而，异步机的调速方法可分为变频调速、变极对数调速和 4 哈尔滨t 程大学硕士学伊论文 变转差率调速三种，其中变转差率的方法又可以通过调节定子电压、转子电 阻、转差电压等方法来实现。 无机械式传感器控制是指通过精确的数学计算方法计算出电动机转子的 转速以及位置，并转化为电信号传递到控制器，从而避免了机械式传感器的 笨重与不精确，实现了系统的闭环控制。该技术在起重机、传送带、离心分 割机、电动汽车等领域具有广泛的应用前景。目前，s i e m e n s 、y a s k a w a 、 m i s t u b i s h i 、f u j i 等公司已纷纷推出了各自的高性能无速度传感器矢量控制 ( s e n s o r l e s sf i e l do r i e n t e dc o n t r o l s e n s o r l e s sf o c ，起码也是s e n s o r l e s s v e c t o rc o n t r o l s v c ，前者动态性能有优势，后者稳定性有优势、参数鲁 棒性好、不确定因素少) 产品，但这些产品基本都是针对感应电动机，以获 得接近真正闭环控制的性能为目标，其技术的核心点主要体现在高鲁棒性、 自适应的参数估计以及非线性状态观测上。相对于传统的开环v f 控制，该 控制模式的诱人之处在于利用最小的附加费用获得了大大增强的性能。 针对电动机的无位置传感器的控制技术，由电磁的变化决定了端子正负 损耗的控件变化，从而形成闭环控制。电动机的凸极效应决定于电感量的大 小，所以应首先提高电感量的敏感度，从而降低电动机的凸极效应，不再考 虑温度变化因素。电动机如果存在多凸极效应，多凸极的耦合将会对转子空 间位置的观测造成非常不利的影响，这是由第二类方法的本质决定的。第二 类方法利用电动机的凸极效应观测转子位置，本质上相当于提取定子电感中 的转子位置信息，多凸极的耦合对定子电感造成的影响就是在电感中增加了 偶次谐波成分，而第二类方法采用的电动机数学模型通常都忽略了这些偶次 谐波成分，所以基于简化的数学模型只能得到不精确的转子位置估计值，比 较明显的凸极耦合甚至会造成转子位置估计值错误。有的电动机对凸极效应 明显，也就是说定子绕组的变化会很明显，因此可以利用这个条件分析转子 的空间位置。而有的电动机对凸极效应不明显，如果要获得比较明显的凸极 特性，就需要利用饱和感应或者改变电动机的内部结构。改进感应电动机内 部结构的一种易于实现的方式是改变转子的漏电感，这种改进对电动机功率 转换的影响可以忽略不计【1 5 】【1 7 】【1 8 】【1 9 】。在面贴式永磁同步电动机的永磁材料间 增加一些铁素，可以得到与内插式永磁同步电动机相类似的凸极特性 哈尔滨t 稗大学硕士学位论文 【1 5 】【1 7 】【1 8 】【1 9 】【2 0 。当然对于这类电动机也可以不改进结构设计，通过使磁密饱和 的办法得到比较显著的凸极特性。 电动机如果存在多凸极效应，多凸极的耦合将会对转子空间位置的观测 造成非常不利的影响，这是由第二类方法的本质决定的。第二类方法利用电 动机的凸极效应观测转子位置，本质上相当于提取定子电感中的转子位置信 息，多凸极的耦合对定子电感造成的影响就是在电感中增加了偶次谐波成分， 而第二类方法采用的电动机数学模型通常都忽略了这些偶次谐波成分，所以 基于简化的数学模型只能得到不精确的转子位置估计值，比较明显的凸极耦 合甚至会造成转子位置估计值错误。不幸的是，由于磁路非线性( 如磁饱和， m a g n e t i cs a t u r a t i o n ) 以及制造工艺方面的问题，实际中仅仅存在单一凸极的 电动机比较少见，它们大多存在多凸极( m u l t i s a l i e n c y ) 耦合。因此，从电 机设计的角度来说，需要对电动机本体进行优化设计，尽量避免附加凸极的 出现或把附加凸极的幅值压到最低。 针对永磁同步电动机( p m s m ) 的无位置传感器控制方法的研究始于2 0 世纪8 0 年代末。近年来，国内外的许多研究机构对p m s m 的无位置传感器 控制技术进行着更为深入的研究。澳大利亚南威尔士大学的m e r a h m a n 等 在永磁同步电机无位置传感器的直接转矩控制以及无位置传感器控制中转子 初始位置检测等方面取得了一定的成绩。日本m i eu n i v e r s i t y 、k a n a g a w a u n i v e r s i t y ，以及英国、芬兰等国家、学校的众多学者近年来也在永磁同步电 机的无位置传感器控制方面也进行了大量的研究并得到了很多客观的成果。 美国威斯康星大学w e m p e c 的r d l o r e n z 及其研究组成员，一直对永磁同 步电动机的无位置传感器控制方法进行研究i 1 。 在国内，一些高校和研究机构也对电机的无位置传感器控制技术进行了 研究。汪庆年和李桂勇设计了一套基于d s p 的无位置传感器永磁同步电机矢 量控制系统，有效的解决了点击的强耦合特征【1 2 ；邹海晏等提出了一种内置 式永磁同步点击矢量控制系统的无位置传感器控制方法，采用以估算转子位 置角正弦矢量为状态矢量的模型参考自适应观测器估算转子角速度【l3 】；朱自 芳等提出了一种基于滑模观测器的永磁同步电动机无位置传感器的控制方法 f 1 4 】 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 由于永磁同步电机的自检测位置的估算效果不同，可以把所有的无位置 传感器控制方法分为两大类： 一、非零速方法； 二、零速或极低速的方法。 目前适用于中高速永磁同步电机的无位置传感器控制方法主要有以下几 种【1 6 】【1 8 】： ( 1 ) 磁链位置估计法 ( 2 ) 反电动势法 ( 3 ) 假想坐标系法 ( 4 ) 状态观测器法 ( 5 ) 卡尔曼滤波器法 前面介绍的无位置传感器位置估算方法，除高频注入法之外都无法实现 零速或低速控制，因此启动问题是永磁同步电机无位置传感器控制急需解决 的问题。目前，常用的启动方法有： 1 开环启动法。 2 预定位启动法。 3 静止转子位置特定估算法。 这三种方法中只有第三种方法实现了完全的无位置传感器控制，但由于 目前在静止时估算转子位置的方法有限而且对电机结构也有一定要求，所以 还是前两种启动方法在实际应用中较为广泛【1 0 1 。 1 4 本论文的主要内容 在广泛研究国内外全方位推进器以及永磁同步电机文献资料及工作的基 础上，本文主要研究实现全方位推进器主轴控制系统的转速控制，利用先进 算法、永磁同步电机控制技术以及计算机技术的特点，以“全方位推进器主 轴控制系统 为设计研究内容，具体内容如下： l 综合讲述本课题研究的背景及意义，阐述了潜器全方位推进器发展与 现状。 2 根据全方位推进器主轴控制系统要求，选择电动机的型号，通过建立 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 永磁同步电动机数学模型，选定永磁同步电动机矢量控制策略。 3 给出了基于滑模观测器的潜器全方位推进器主轴电机无位置传感器控 制方案。 4 给出主轴控制系统软件以及硬件构成方案，通过先进的理论算法建立 永磁同步电动机的数学模型及状态方程。 5 对无位置传感器控制系统进行仿真，并对仿真结果进行验证分析无位 置传感器控制系统的性能。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第2 章海洋潜器全方位推进器主轴控制系统方案设计 2 1 主轴控制系统构成方案 2 1 1 潜器全方位推进器主轴控制系统 鬟，。7 。雾“。翻励鸱 矽，m 嬲9 ”前 鼻一j ! 髻篓 刮o x 多耄 | i 能菇。囊 ，麓移移簪7 ” 。鬟 。k 赢。照。，。一。一、= 鑫 9 哈尔滨t 稃大学硕七学位论文 图2 2 主轴转速控制构成图 全方位推进器螺距角做周期性运动时会产生六个方向运动的力，使得潜 器的螺旋桨负载的航速和推力都发生变化，而全方位推进器如果做匀速运动 时，各个方向的力会受力平衡，从而保持航速稳定。但当全方位推进器的受 力发生变化时，会导致各个桨叶的受力不均，引起主轴转速和方向的变化， 综合考虑多方面的因素建立主轴转速控制系统的数学模型。由动量矩定理 可得主轴系统的运动方程 2 z c ld ：n = 蚝一肘p 一肘， ( 2 1 ) a z 聊d v s ：丁一r( 2 2 ) 式( 2 - 1 ) 中m e 为电动机的驱力矩；m 口为桨叶的阻力矩；r 为推进器的有 效推力；m ，为推进器的摩擦力矩；，为推进电机的转动惯量，d , , d t 为转速 变化率。式( 2 2 ) 中，聊为潜器的质量；d v s d t 为全方位推进器的航速变化率； r 为船体阻力 。其中 d m e = 9 5 5 g ( 2 - 3 ) 玎p m p = k q , o n 2 d ；( 2 - 4 ) 式中，d p 为螺旋桨直径，p 为海水密度，e 为驱动电机的功率， 玎为 1 0 螺旋桨转速， 疗。为电机转速。 式( 2 1 ) 中主推进电机转动惯量，等于潜器主推进系统中电机、浆轴以及 桨叶折算到轴上转动惯量的总和，即 ，= + + & ( 2 - 5 ) 其中，氏为传动轴的转动惯量，为主推进电机内部旋转部件的转动 惯量，k 为螺旋桨的转动惯量，在螺旋桨设计中，如果没有详细的设计资料 时，可以利用经验公式进行计算： ，桨= 百1 庀。庀：庀，庀。彳t o d ! ( 2 6 ) 其中，k ，为桨叶切面参数，k ，为桨叶形状系数，这两个系数可以根据实 际情况自己进行选择；k 。为叶夹比系数，毛为桨毅系数，可取1 0 2 5 1 0 6 ， 7 为浆的密度；目为桨的宽切比；t o 为轴线处的叶根厚度，t 为叶梢厚度，g 为重力加速度。由式( 2 6 ) 求，桨要求详细了解螺旋桨的几何参数。如是不能得 到螺旋桨详细的集合参数，可以采用经验公式进行估算： 妒詈阿 口7 ， 其中，k 为系数，k = 0 4 ，w 为全桨的重量。在没有详细参数资料的时 候，可采用下列敬仰公式估算螺旋桨重量，单位为n 。 形= o 0 8 x 1 0 3 d ； ( 2 - 8 ) 式( 2 2 ) 中的船体阻力r 由下式确定 r = 彳月曙 ( 2 - 9 ) 式中a r 为阻力系数，v s 为船速，该系数与海情、污底程度、拖带、航道、 船体线形、排水量等因素有关。对于速度的潜器来说，建议取m = 2 ，即可以 认为潜器的航行阻力与船速的平方成正比。 哈尔滨 二程大学硕十学伊论文 i l l 2 1 2 主轴控制系统推力与阻力分析 单个推力器产生的推力可以表示为c = p n 2 d 4 k ，则各方向上的推力和 力矩为控制系统产生的合力和合力矩。全方位推进器运动模型为： t 1 = r ，q ，】，f k ，y , z 】t ，q = 伊，0 ，y 7 ( 2 1 0 ) v = y tc 0 7 】7 ，v = 【甜，1 ，w t = 【p ，q ，尸 ，( 2 1 1 ) t = i f t , m 7 。 ，f = 【t ，c ，c 7 ，m = 坂，鸭，丝 7 ( 2 - 1 2 1 其中，r 和q 表示潜器在地面坐标系中的位置和姿态向量，v 和表示 潜器在体坐标系中的线速度和角速度向量，f 和m 表示体坐标系中作用在潜 器上的力和力矩。考虑惯性类流体动力、粘性类流体动力、重力、浮力、推 力以及海流的影响，变向旋转轴矢量推进的水下机器人的空间运动方程可以 写成如下形式： m v + c ( v ) v + d ( v ) v + g ( q ) = f t - i t e ( 2 1 3 1 式中， 下t ，f e 分别是推力和海流干扰力矩；m = m 髓+ m a ，为惯性矩阵； c m = c 髓+ c a ，为哥氏矩阵；g ( q ) = 一f g ，为恢复力和恢复力矩；d ( 为 阻尼矩阵，通过水动力在某个航速下泰勒展开后获得。 全方位推进器的浆受到的m 。与其运转方向相厨1 1 。如果螺旋桨的转速胛 恒定，推进电机产生的有效力矩克服了水产生的阻力矩，产生推力r ，所以 有用功率为r 吃，从而电动机的推进功率0 为2 砌m ，。 螺旋桨的进程系数代表螺旋桨回转一周的轴向进程厅p 与桨径d p 的比值， 是描述船舶运动状态的一个重要参数。如果螺旋桨单位时间内回转，2 弧度， 则 - ，= 吃2 l r ( n d 。) ( 2 - 1 4 ) 1 2 哈尔滨= r 程大学硕十学佗论文 当进程系数变化时，k ，和k d 也随之发生变化。船舶或潜器在大海中航 行时，其受到的阻力是随不周海况变化的，而由于转弯以及加减速的要求， 螺旋桨的转速以及方向也会发生变化，从而会导致进速比的变化，由于k ， 和k d 随而变，因此螺旋桨的推力丁和阻力矩肘。也在变化【】。 在一般海面环境下，螺旋桨作用在全方位推进器桨叶的流体动力可以分 为，分势流力和粘性力。 1 势流力 作用在离散的展向涡元、弦向涡元上的k u t t 旷j o u k o w s k y 力为： 戤= 儿。( ，。) 疗= 1 ，2 ，m b + 1 聊= 1 ，2 ，b ( 2 1 5 ) 式中：p 海洋密度； 。螺旋桨非作用的长度； 瓦。桨叶上的非正常转速； r 胴强势力作用； 坳推力桨叶分区； n b 水阻力分区。 导致产生推力的元素有： 戤= 一心。q 。l 。f = 1 ，2 ，坳+ lm = 1 ，2 ，仰( 2 16 ) 式中：q 。，。势流强度； ，。单元体长度。 以上各个方向力的是在推力和阻力不均匀素时在桨叶上的合成，流动速 度吃。作为势流转动速度影响潜器的运行速度。 2 粘性力 粘性力是计算海洋的粘性影响，会影响船舶航行的航速。每个分区的粘 性力为： 舒- 。f = 寺肛a a 。i 吒l 瓦。，2 = 1 ，2 ，m b + i 聊= 1 ，2 ，n b ( 2 - 1 7 ) 式中：幽。单个面积； c ，阻力系数。 积1 5 m2 i 7 肚。2 面。毛 ( 2 1 8 ) 式中：矗方向元素； 色。桨叶的非径增量； 蜀。，j o 。各个位置坐标： 一。势流强度； e 吸力因子，在计算中c 。可写为： k 一司i 磊歹( 2 - 1 9 ) 综上所述，作用在桨叶上的x ，目方向的力写成离散形式为： = 纠兰( 畦娥- l m = l n = l+ ) 一扭1 ( 2 - 2 。) c ，p = f ( 畦+ 舒。+ ) 一昙萄二ff 2 - 2 0 1 膏= 1 5 、， 式中：l i b 分区元素；n b 为阻力分区元素。 推进器的推力丁为： 脚jn b1 ，2 t = 一善萎j 萋( 戤+ 霰+ ) 一 霞二f ( 2 - 2 1 ) 女- - 1m - ll = 1 l 推进器的转矩p 为： q=测艺(戚十联+蚴-fk m = lln = l口 ( 鼢护吒 ( 2