（电机与电器专业论文）海洋机器人中无刷推进电机控制器的研制.pdf

海洋机器人中无刷推进电机控制器的研制 t h ec o n t r o l l e rd e s i g nf o rb l d c mo fs e ar o b o t a b s t r a c t t h et o p i co ft h i st h e s i sc o m e sf r o mas c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi t e mo f l i a o n i n gp r o v i n c e ： t h er e s e a r c ho fb r u s h l e s st h r u s t e rf o rd e e p s e ar o b o t p e r m a n e n tm a g n e t i cb r u s h l e s sd c m o t o ri ss e l e c t e da sd r i v em o t o ro ft h ed e e p s e ar o b o t t h ed r i v es y s t e mi sr e q u i r e dt ow o r k i nf o r w a r da n db a c k w a r dm o d ea n dr e a l i z eh i g hp r e c i s i o ns p e e dr e g u l a t i n g i nt h i st h e s i s ，t h e b m s h l e s sd cm o t o rc o n t r o l l e ro fs e a - r o b o tb a s e do nd s p t e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e d f i r s t l y ，t h ec o m p o s i n gp a r t s ，m a t hm o d e la n dt h ep r i n c i p l eo fr e g u l a t i n gs p e e do f b l d c ma r ed i s c u s s e d s e c o n d l y ，t h ec o n t r o la l g o r i t h mo fm o t o ri sr e s e a c h e d d u a lc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mi su s e df o rs a t i s f y i n gt h es y s t e md e m a n d a c c o r d i n gt o t h es p e c i a l w o r k i n gc o n d i t i o no fs e ar o b o ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fb l d c m ，f u z z y - p i da l g o r i t h mi s u s e dt os p e e dl o o pa n dp ia l g o r i t h mi su s e dt oc u r r e n tl o o p t h ef u z z y p i dc o n t r o l l e r , w h i c h c a nr e g u l a t ec o n t r o lp a r a m e t e ra c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts t a t eo fc o n t r o l l e do b j e c t c a ns a t i s f y t h ed y n a m i cc h a n g eo fm o t o r t h e nt h ef u z z yc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n ds i m u l a t e d t h e r e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ea d o p t i o no ff u z z y p i dc o n t r o l l e rc a nm a k et h es y s t e m h a v eb e t t e rp e r f o r m a n c e s ，s u c ha sq u i c k e rr e s p o n s e ，s m a l l e ro v e r s h o o ta n db e t t e rs t a b i l i t y ， r e l a t i v et ot h ec l a s s i cp i dc o n t r o l l e r s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h er e l i a b i l i t ya n dv o l u m ed e m a n do ft h es e a - r o b o t sd r i v es y s t e m ， t h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai sc h o s e na st h ec o n t r o lc h i po ft h ed r i v em o t o r i th a st h eh i 曲 i n t e g r a t i o na n dq u i c ko p e r a t i n gs p e e d t h ec o n t r o ls y s t e m , w h i c hh a sf e wp e r i p h e r ye l e c t r i c c i r c u i ta n dq u i c k e ro p e r a t i n gs p e e d ，c a ne n h a n c et h er e l i a b i l i t ya n dt h er e a l t i m ec o n t r o l a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fb l d c m a n dt h ef u n c t i o no f t h ec h i p ，s e n s o rc o n t r o ls o l u t i o n sw m c ha r eb a s e do nd s p t e c h n o l o g ya r ep r e s e n t e d a tl a s t ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ep r e c e d i n g s o l u t i o na r ed i s c u s s e di nd e t a i l f o rt h eh a r d w a r ep a r t ，a f t e rai n s t r u c t i o no ft h ew h o l ed e s i g n ， t h ed e s i g no fs e v e r a lc h i e fc i r c u i t si sp r e s e n t e d f o rt h es o f t w a r ep a r t ，s o m ep r o c e d u r ef l o w c h a r t so fm a i np r o g r a ma r eo f f e r e da n ds o m ep r o b l e m so fs o f t w a r er e a l i z a t i o na r er e s e a r c h e d e s p e c i a l l y ，t h er e a l i z a t i o no ff u z z y - p i da l g o r i t h mi si n t r o d u c e d a tl a s t ，t h et e s t i n gw a v e f o r m w h e nt h ec o n t r o ls y s t e m r u n n i n gi so b s e r v e da n dt h er e s u l t sa r ea n a l y z e d 沈阳工业大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：b l d c m ，d s p ，f u z z y - p i d ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：捣红数日期：丝亟三2 互： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：j 据泼导师签名：墨查益红日期：丝琴z _ 她 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 2 1 世纪是海洋的世纪，在广阔无垠的海洋空间，蕴藏着丰富的海洋生物资源、海洋 矿物资源，是人类社会可持续发展的重要财富【”，例如：海洋中所储各种矿物约6 0 0 0 亿吨，若铺于地面，则厚达2 0 0 米，在海洋中铀的储藏量高达4 0 亿吨，是陆地上的2 0 0 0 倍。世界上已发现的海底煤田约2 0 0 个，海底储存石油2 5 0 0 亿吨，比陆地储油量大3 倍等等。再加上海底的环境极其恶劣，对于沉船打捞、光缆铺设，资源的勘探和开采， 一般设备是很难完成的r 于是人们想到了用机器人，这样，海洋机器人作为人类进行水 下研究、观测和作业的动态实验平台，作为人类智能和各种感官、器官在水下的延伸， 去人类肌体无法直接达到的各种海洋环境去执行任务。 动力推进装置是水下机器人的主要组成部分之一，机器人必须依靠其动力推进装置 才能在水中以一定速度航行。一般动力推进装置由动力装置和推进装置两部分组成，推 进装置将机器人自身携带的能源转变为推进水下航行器所必需的机械功。推进装置主要 由电动机和螺旋桨组成，电动机的出力与体积影响机器人的航程和航速，同时由于受到 潜深限制，也要求它的体积要小( 水下的无刷直流电动机要比普通的陆上无刷直流电动 机体积小几倍) 。 目前的海洋机器人驱动电动机主要应用永磁直流电动机( p e r m a n e n tm a g n e td e m o t o r ) 。永磁直流电动机结构中包含换向器和电刷装置，具有线性的机械特性和调节 特性，启动转矩大、过载能力强、调节方便、动态特性好、效率高的优点。但它的换向 过程是滑动机械接触的，有机械、电磁、电化学及电热效应等各种不同因素相互交错在 一起，会产生一系列问题，如噪声、火花、无线电波干扰等缺点，在深海中，对于采用 浸油密封的驱动电动机来说，其刷子研磨的粉末溶于油中，增加了其电动机内部油介质 的导电性，对电动机的运行造成严重的影响，成为机器人的一个安全隐患。 无刷直流电动机用电子换向代替传统直流电动机的电刷和换向器，革除了电刷滑动 接触机构，消除了故障的主要根源。由于无刷直流电动机转子是永磁体，除了轴承旋转 产生摩擦损耗外，转子的损耗很小，因而进一步增加了工作的可靠性。同时它还保持着 海洋机器人中无刷推进电机控制器的研制 有刷直流电动机的优良控制特性，所以海洋机器人驱动电动机必然由有刷直流电动机向 无刷直流电动机的方向发展。 1 2 国内外研究状况和水平 1 2 海洋机器人发展状况 人们从上世纪四、五十年代开始对水下机器人进行研制，世界上第一台无人潜水器 “p o o d l e ”诞生于1 9 5 3 年。7 0 年代，随着海上石油开采的兴起，水下机器人的发展掀起 了高潮。这一时期开发出一批能在不同深度、可进行多种作业的机器人，它们可用于石 油开采、海底矿藏调查、打捞作业、管道铺设及检查、电缆铺设及检查、海上养殖以及 江河水库大坝的检查等方面。 中国机器人的发展起步较晚，1 9 8 0 年提出“结合中国国情，把特殊环境下工作的枫 器人作为中国机器人技术发展的突破口”的设想，并提出把“智能机器人在海洋中的应 用”作为研究重点，选择“海人l 号”作为发展水下机器人的具体目标。“海人1 号” 先后于1 9 8 5 及1 9 8 6 年获得首航及深潜试验的成功，技术上达到8 0 年代世界同类产品 的水平。1 9 8 6 年8 6 3 计划实施之前，我国研制的都是有缆遥控水下机器人，工作深度仅 为3 0 0 米。6 年后研制出两台先进的无缆水下机器人，1 9 9 4 年“探索者”号研制成功， 它工作深度达到1 0 0 0 米，1 9 9 5 年8 月，c r 0 1 号6 0 0 0 米无缆自治水下机器入研制成功， 使我国机器人的总体技术跻身于世界先进行列，成为世界上拥有潜深6 0 0 0 米自治水下 机器人的少数国家之一。目前我国深海机器人上都是使用直流电动机，由于使用充油密 封，电刷研磨粉末溶于油中，会严重影响电动机的运行，所以开发适用于深海机器人的 无刷直流电动机迫在眉睫。 1 ，2 2 无刷直流电动机的发展状况 1 9 5 5 年，美国d h a r r i s o n 等人首次申请了用晶体警换向线路代替有刷直流电动机机 械电刷的专利，这就是现代无刷直流电动机的雏形，但由于电动机尚无起动转矩而不能 产品化。尔后又经过人们多年的努力，借助于霍尔元件来实现换向的无刷直流电动机终 于在1 9 6 2 年问世，开创了无刷直流电动机产品化的新纪元( 2 j 。 无刷直流电动机是结合了多学科技术的一种新型电动机，结合机电一体化，具有高 沈阳工业大学硕士学位论文 速度、高效率、高动态响应、高热容量和高可靠性等优点，同时还具有低噪声和长寿命 以及低成本等特点。7 0 年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半 导体功率器件，如g t r ，m o s f e t ，i g b t 等相继出现，以及高性能的永磁材料，如钐 钴、钕铁硼等的问世，均为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础1 3 1 。如今无刷 直流电动机集特种电动机、变速机构、检测元件、控制软件与硬件于一体，形成为新一 代伺服系统，且体现着当今应用科学的许多最新成果，显示出广泛的应用前景和强大的 生命力。 9 0 年代以来，在高精度的数控设备中相当多地采用了永磁同步无刷电动机( 交流伺 服电动机) ，以取代直流伺服电动机，特别是在机器人和机械手的驱动中，无刷直流电 动机的应用相当多。联合国欧洲经济委员会发表的2 0 0 2 年全球机器人报告预测全球 现在至少有7 6 万台机器人正投入使用，在未来几年内，全球机器人数量将接近百万台， 目前包括中国、巴西和墨西哥在内的一些发展中国家也在工业生产中使用机器人，且需 求增长十分惊人，这已经成为无刷直流电动机的主要应用领域【4 】。 传统的无刷直流电动机控制系统主要是由模拟器件构成的模拟系统，虽然成本低， 使系统易于实现，但模拟系统存在着器件易于老化，器件随温度变化造成参数漂移，系 统可靠性下降及系统升级困难等缺点，成为制约其发展的瓶颈1 5 1 。数字控制系统能够很 好地解决模拟系统存在的这些问题，将成为无刷直流电动机控制系统发展的主流。但传 统的无刷直流电动机数字控制系统大多数采用m c s 5 1 ，9 6 系列微处理器，这些处理器存 在指令功能不强，处理速度慢，乘、除法所用指令周期过多，外围电路数据转换速度慢 等缺点，使无刷直流电动机的性能得不到充分发挥，难以构成高性能的控制系统1 6 , 7 1 。采 用电机专用d s p 为核心的全数字电机控制系统，系统硬件得到极大简化，提高了系统 的可靠性，减小了体积，降低了成本。因此采用电机专用d s p 研制出的电机控制系统 具有高效性和实用性，这一系统的研究对无刷直流电动机的普及应用将会有很好的前景 1 8 , 9 1 。 目前人们对b l d c m 的研究主要集中在1 ) 无位置传感器无刷直流电动机转子的定位 与起动，以及无位置传感器的转子位置检测l 蚺1 2 1 。2 ) 控制算法的研究。因为以d s p 芯 海洋机器人中无利推进电机控制器的研制 片为核心的控制系统并不是一个纯硬件的控制电路，它还必须配合软件系统才能控制无 刷直流电机正常工作。因此，研究先进的控制算法也就成为设计无刷直流电动机控制系 统的一个重要方面【1 3 1 5 】。3 ) 转矩脉动控制和最佳换向。主要因素有：齿槽效应引起气隙 合成磁场发生畸变，影响电磁转矩；绕组电感的影响使得输入定子绕组的相电流小可能 是理想的矩形波，使反电动势与理想波形的偏差加大；相电流换相使得电枢磁场呈现步 进性，导致气隙合成磁场波动，影响电磁转矩的平稳；电枢反应影响气隙合成磁场，对 于功率较大的无刷直流电机，电枢反应的影响更明显1 1 6 l 。 近几年来，我们国家在基于d s p 控制器的无刷直流电动机调速系统的研究也取得 了很多成果，但是这方面的技术还很不成熟，没有形成系列产品，主要采用国外成熟的 系统。所以，基于d s p 控制器的无刷直流电动机调速系统的研究具有很重要的现实意 义和发展前景。 1 3 论文主要工作 本课题来源于辽宁省科技基金项目：深海海洋机器人推进电动机研究( 2 0 0 3 1 0 2 3 ) 。 在本课题的研究过程中，主要工作是研制出适合海洋机器人无刷推进电动机的控制器。 主要包括了以下几个方面的内容。 ( 1 ) 掌握模糊p 1 d 控制理论，对海洋机器人推进电动机的模糊自适应p i d 控制系 统进行仿真研究，对仿真结果进行性能对比，寻求可行性方案。 ( 2 ) 控制系统硬件电路设计：d s p 外围电路、口m 全桥的驱动电路、电动机位置 检测电路、电流检测电路、s c i 通信电路等。 ( 3 ) 控制系统软件设计：推进电动机位置检测、启动、换相、电流p l 调节和速度 的模糊p i d 调节程序等。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 无刷直流电动机调速系统工作原理 2 1 无刷直流电动机的基本组成 稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、逆变器( 电子开关线路) 和转 子位置传感器三部分，图2 1 为永磁无刷直流电动机构成框图。 。_ j 图2 1b l d c l i 构成框图 f i g 2 1c o m p o s i t i o no fb l d c m 2 1 1 电动机本体 稀土永磁无刷直流电动机所采用的电动机本体，在结构上与稀土永磁同步电动机相 似，但是没有笼形绕组和其它起动装置。其定子绕组一般制成多相( 三相、四相、五相 不等) ，转子由稀土永磁体按一定极对数( 2 p = 2 、4 ) 组成。 2 1 2 电动机逆变器 稀土永磁无刷直流电动机的逆变器是用来控制电动机定子各相绕组通电的顺序和 时间，它主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。早期的无刷 直流电动机的逆变器多由晶闸管组成，由于其关断要借助于反电动势或电流过零，造成 换流困难，而且晶闸管的开关频率较低，使得逆变器只能工作在较低频率范围内。随着 新型可关断全控型器件的发展，现在的逆变器在大功率、低频时多由g t o 、g t r 器件 组成，在中小功率的电动机中逆变器多由功率m o s f e t 或i g b t 构成，具有控制容易、 开关频率高、可靠性高等诸多优点。尤其是继i g b t 之后的混合智能功率模块p m ，它 将各类保护功能集为一体，使控制器的体积大为缩小，系统的稳定性提高。 2 1 3 电动机位置传感器 海洋机器人中和0 推进电机控制器的研制 转子位置传感器是检测转子磁极相对于定子电枢绕组轴线的位置，并向控制器提供 位置信号的一种装置。它有直接式和间接式两类：( 1 ) 直接式位置传感器，由于其检测精 度和可靠性高而被广泛采用。典型的直接式位置传感器有光电式、电磁式、接近开关式、 磁敏式。其中，光电式位置传感器由于检测分辨率高，适用于高速电动机中；电磁式位 置传感器结构简单、检测可靠，故经常被采用；磁敏式位置传感器输出信号较弱，且精 度易受温度影响，但体积较小，多用于中小型电动机中：接近开关式位置传感器由于结 构简单，输出电平高，适用于大中型电动机。( 2 ) 间接式位置传感器，是利用电枢绕组的 感应电动势间接检测转子位置，但是这种方法只能在有感应电动势的情况下有效。 2 2 无刷直流电动机的数学模型 方波无刷直流电动机的主要特征就是反电动势为梯形波，它包含有较多的高次谐 波，这意味着定子和转子的互感是非正弦的，并且无刷直流电动机的电感为非线性。因 此在这里采用d ，q 变换理论已经不是有效的分析方法，因为d ，q 方程只适用于气隙磁 场为正弦分布的电动机。而直接利用电动机原有的相变量来建立数学模型既简单，又能 获得较准确的结果【1 7 , 1 8 】。 为简化分析，以一台三相两极无刷直流电动机为例，在允许的范围里作如下假设： 1 ) 定子绕组为6 0 。相带整距集中绕组，星形连接。 2 ) 忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑定子的内表面。 3 ) 忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗。 4 ) 不考虑电枢反应，气隙磁场分布近似梯形波，平顶宽度为1 2 0 。电角度。 5 ) 转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用。 2 2 1 电压方程 根据电动机的一般原理，以三相电流为状态变量，可以写出三相绕组电压方程式： 兰i 】2 言丢墨 ，隆】+ 【妻! 兰三薹i 硪。 出 d f b 疵 d f 。 d t ( 2 1 ) 沈阳 ：业大学硕士学位论文 其中，u 。，u c 为三相定子电压； i 。，f 。，f 。为三相定子相电流； 工。，b ，l 。为三相定子自感； r 。，r 。，r 为三相定子绕组的相电阻。 由于转子是永磁的，转子的影响可以忽略，这里假设，每相绕组电阻相等，电感不随 位置而改变，反电势为理想梯形波。则： r 。一r ba r 。r ，l ，一l b l 。一l ，m l b m 。一m h m b c - m 。一m c b m ，若定子 为三相绕组星形连接，且无中线，则有： i 。+ f b + f 。一0( 2 2 ) m ( f 。+ f b ) - 一埘。( 2 3 ) 电压方程可简化为： 眺 d l m d 工互 ( 2 4 ) 2 2 2 转矩方程 根据电磁功率表达式： f k e , i 。- - e j b - - e j ,( 2 5 ) 由于电动机在两两通电方式下，任意瞬时只有两相导通，从逆变器直流侧看，是两 相绕组串联，故电磁转矩： ，* 去- 等q ( 2 6 ) 式中e 为相绕组感应电势幅值，单位为v ；，为相绕组电流幅值，单位为a ；c o 为同步 m 一口d 陋0 + 1_llfjij d 口 d 咚口 海洋机器人中无刷推进电机控制器的研制 电动机转子机械角速度，单位为r a d s 一箬。n 。为电动机极对数。 由公式( 2 5 ) 和公式( 2 6 ) 可见无刷直流电动机和直流电动机类似：反电动势与转速成 正比，电磁转矩与电流成正比。 2 2 3 运动方程 无刷直流电动机的运动方程为： t 瓦+ b o o + ，了d c o ( 2 7 ) 式中，为电动机转子角速度；瓦为电磁转矩；瓦为负载转矩；b 为阻尼系数：k 。为转 矩系数；，为电动机的转动惯量。 2 2 4 状态方程和等效电路 可将电压方程写成状态方程的形式： 电压方程的等效电路： d d 一m一褂圳m 扑印 图2 2 电压方程的等效电路 f i g 2 2e q u i v a l e n tc i r c u i to fv o l t a g ee q u a t i o n 2 3 无刷直流电动机的运动原理 2 3 1无刷直流电动机的原理模型 无刷直流电动机的设计思想来自普通的有刷直流电动机，不同的是把直流电动机的 8 m d d 光 v 口口 沈阳工业大学硕士学位论文 定、转子相互调换了位置，无刷直流电动机的转子为永磁结构，产生梯形波的气隙磁通 密度，定子为整距集中绕组，普通直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置 检测器代替。运行原理也和有刷直流电动机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布 的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定。因此，就可以产生恒定的转矩，且转 矩只与电枢电流的大小有关，这一点在上面推导无刷直流电动机的数学模型也得到证 实。 瞧摧告挂裂 b o 毅甍国) 。 鲰盼啕取跚叼6 固觏粥i ab + c + b 十c 十a ( a ) 正常运行时的通电方式( b ) 切换前时刻的通电方式 试紫 渺硒描s l _ 啕 侈0 0 渗固 回。) o 圆尉戮扒0 0 回固 黟 b 十c a b 一扛= bc + a 十、 ( c ) 没有进行切换的通电方式 ( d ) 切换后时刻的通电方式 图2 3 无刷直流电动机的原理模型 f i g 2 3t h ep r i n c i p l em o d e lo fb l d c m 图2 3 为无刷直流电动机的磁场运动原理模型( 横截面展开图) ，电动机定、转子沿 表面展开，上面是转子磁极，产生气隙磁通密度，梯形分布，边缘磁通密度宽度占3 0 。( 电角度) 。下面是定子电枢绕组，定子有三相绕组a ，b ，c 顺序放置，各占6 0 。( 电 角度) 相带。当电动机处于图2 3 ( a ) 所示位置时，给b ，c 两相通入图示方向幅值相等且 恒定的电流( c a 相不通电) ，这些载流导体在气隙磁场中受到电磁力的作用形成电磁转 矩，方向如图2 3 ( a ) 所示，转子开始按转矩方向转动。当转子在印。( 电角度) 内转动时， 由于磁场大小和电枢导体电流基本不变，故电磁转矩大小不变。当转到6 0 。( 电角度) 处 瞬间，即图2 3 ( b ) 所示位置时，如果仍按照图2 3 ( a ) 的通电方式运行，那么当转子转过 6 0 。( 电角度) 时，同一磁极下的电枢导体中将有部分导体的电流方向发生改变，如图2 3 ( c ) 所示，而非同方向，造成总电流下降，电磁转矩减小。因此，在这一位置时需要进行换 相，应以图2 3 ( d ) 所示方式通电，即b 相换到a 相通电，c 相绕组仍按照原方向流过电 海洋机器人中无刷推进电机控制器的研制 流。每相通入1 2 0 。( 电角度) 的方波交流电，依次换相，使同一磁极下电枢绕组中的电 流始终保持一致，保证在转子旋转期间，电磁转矩总为一个方向，转矩大小与方波电流 的幅值成正比，消除转矩脉动，使电动机正常运行。 2 3 2 无刷直流电动机的控制原理 由于气隙磁通密度为梯形波分布，由电动机学原理知道，电枢的感应电势亦为梯形 波形，大小与转子磁通和转速成正比。无刷直流电动机三相绕组的反电势、电流波形如 图2 6 所示。每相电流为1 2 0 。通电型的交流方波，三相对称。只要控制好逆变器各桥 臂功率器件的开关时刻就能满足上述要求。但是定子方波电流的通电时刻与感应电势波 形，转子磁极位置有严格的对应关系，不然会产生大的转矩脉动，使平均转矩减小。因 此，逆变器的控制信号也来自转子位置检测器，根据转子磁极位置，逆变器依次换相。 b l d c m 三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电路的特 点是简单，一个可控硅控制一相的通断，每个绕组只通电1 3 的时间，另外2 3 时间处 于断开状态，没有得到充分的利用，在运行过程中的转矩波动较大，从丁r m 2 到7 m 。所 以最好采用三相全控式电路。如图2 4 示出了一种三相全控电路，在该电路中，电动机 的绕组为y 联结。 图2 4b l i ) c 三相全控原理图 f i g 2 4t h et h r e ep h a s ef u l lc o n t r o lp r i n c i p l eo f b l d c m t 1 ，t 2 t 6 为六个功率器件，起绕组的开关作用。采用两两通电，三相六状态方 式。两两通电方式就是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔1 6 周期( 6 0 。电角度) 换 相一次，每次换相一个功率管，每个功率管一次导通1 2 0 。电角度。各功率管导通顺序 沈阳工业大学硕士学位论文 依次是t 1 t 4 t 1 t 6 一t 3 t 6 - t 3 t 2 一t 5 t 2 t 5 t 4 。表2 1 示出三相逆变器的开关顺序。 在这种情况下的绕组导通顺序如图2 5 所示。功率管各有三个状态，即高阻状态。 绕组不导电；高电压状态，绕组接到电源正端：低电压状态，绕组接到电源负端。有电 流流出。在这种控制方式下，得到如图2 6 所示的理想的电动势和电流波形1 1 9 , 2 0 1 。 表2 1 三相全控电路开关逻辑表 t a b 2 1s w i t c hl o g i co ft h r e ep h a f i i uc o n t r o lc i r c u i t 是。焱。是。文。焱。走 图2 5 定子三相电流导通顺序 f i g 2 51 1 l 他ep h a s et u r r e tl e a d q u e n c eo fs m m r c 图2 6 理想的相电流和相电动势波形 f i g 2 6t h ei d e a lw a v e f o r mo fp h a s e c l i n n ta n dp h a s e e m f 由无刷直流电动机的调速原理知道，只要改变同一磁极下的电流方向，就可以改变 海洋机器人中无刷推进电机控制器的研制 电动机的转矩方向。因此直流无刷电动机的反转控制，只要改变一下三相方波的通电顺 序。对应于位置检测信号，只要控制逆变器的六个功率管通断，使得导通绕组中流过的 电流方向与正转时相反即可。以图2 4 所示的对应关系，当位置检测信号a 、b 、c 为 低、高、高时，如果正转，应该使t 5 ，他导通，要是反转，则只要使t 1 ，t 6 导通即 可，这样，磁场的运动方向就和正转时相反，电动机反转。 2 4 本章小结 本章首先讨论了无刷直流电动机的基本组成，然后从数学建模的角度对三相无刷直 流电动机的反电势、电流、转速、以及转矩的对应关系进行了讨论。接着，对三相无刷 直流电动机的磁场运动原理进行了分析。最后根据本课题所关心的控制系统的设计，对 三相无刷直流电动机的驱动部分的i g b t 的导通顺序、以及正反转进行了分析。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 系统控制算法 要进行控制算法仿真，就必须对系统的控制对象十分了解。本系统的控制对象为海 洋机器人的驱动电动机，电动机类型为无刷直流电动机，电动机功率p n 为5 0 0 w ，额定 电压u 为1 1 0 v ，电动机极对数p 为2 ，相电阻r 为0 3q ，电动机绕组内已经安装了霍 尔位置传感器。要求电动机能对外界的变化作出快速调整，很快达到稳定速度。 为了达到良好的动态品质，本系统采用电流与速度双闭环调速。电流环采用p i 调 节，速度环采用模糊p i d 算法。 在控制算法方面，p i d 控制是最早发展起来的一种控制策略，具有算法简单、鲁棒 性好和可靠性高的优点，被广泛应用于运动控制与过程控制系统中。据统计，工业控制 的控制器中p i d 类控制器占有9 0 以上。由于电动机本是一个非线性被控对象，其参数 变化与非线性的特性，使得线性的常参数p i d 调节器常常难以满足高精度、快响应的控 制要求。而模糊控制是一种不依赖于被控对象的精确数学模型，对系统动态响应有较好 的鲁棒性的典型智能控制方法。因此，为了克服上述缺点，本文主要研究模糊控制与 p 1 d 控制的结合算法。 3 1p i d 控制 3 1 1p i d 控制原理 由于p i d 控制具有结构简单、参数宜于调整、适应性强等优点，在模拟控制系统中 控制器最常用的控制规律是p i d 控制。随着计算机技术的发展，用计算机组成的数字控 制系统不仅可以用软件实现p i d 控制算法，而且可以利用数字控制系统强大的逻辑功 能，使p i d 控制更加灵活。目前，数字p i d 控制在生产过程中是一种最为普遍采用的控 制方法。 常规p i d 控制系统原理图如图3 1 ，p i d 控制是一种线性控制器，它根据给定值r ( t ) 与实际输出值c ( t ) 构成控制偏差： 尉f ，= r ( t j c r f j( 3 1 ) 将偏差的比例( p ) 、积分和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制， 海洋机器人中无刷推进电机控制器的研制 故称p i d 控制器，其控制规律为： 图3 1p i d 控制系统原理图 f i g 3 1t h ep r i n c i p l ec h a r to fp i dc o n t r o ls y s t e m 或者写成传递函数的形式： 其中： k ，为比例系数； 为积分时一间常数； 为微分时间常数。 一十咖扣啦+ 掣 ， ，一鬻- k p f l + 去哪， ( 3 3 ) 简单说来，p i d 控制器各校正环节的作用如下： 比例环节：成比例她反映控制系统的偏差信号e ( f ) ，偏差一旦产生，控制器立即产 生控制作用，以减少偏差。 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时 间常数正，l 越大，积分作用越弱，反之越强。 1 4 沈阳1 = 业大学硕士学位论文 微分环节：能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号变得太大之前， 在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间【2 1 1 。 3 1 2 p i d 控制器的局限性及其发展方向 p i d 控制器具有算法和结构简单、工作稳定、物理意义明确、鲁棒性强，稳态无静 差等优点，在工业控制中一直处于主导地位，据统计9 0 以上的工业控制用的是p i d 控 制。 但是，随着工业的发展，对象的复杂程度不断加深，尤其对于大滞后、时变的、非 线性的复杂系统，有的参数未知或缓慢变化：有的带有延时或随机干扰：有的无法获得 较精确的数学模型。而人们对控制品质的要求却日益提高，常规p i d 控制的缺陷就逐渐 暴露了出来。 主要是p i d 控制器的参数整定问题，p i d 参数的确定往往要求有丰富的控制经验， 根据确定的数学模型、特定被控对象的传递函数以及特定性能指标求出。以上介绍的各 种整定方法，或者是依靠被控过程的数学模型，或者是依赖经验进行p i d 参数的整定， 因此这些方法在某种程度上只是一种近似，很难得到最优的参数值。 因此在对p i d 控制器的应用的同时，人们也对它进行了各种改进。主要体现在两个 方面： 一是对p i d 本身结构改进，即变结构p i d 控制，主要有：积分分离p i d 控制算法、 遇限削弱积分p i d 控制算法、不完全微分p i d 控制算法、微分先行p i d 控制算法和带 死区的p i d 控制算法等。 另一方面，模糊控制、神经网络和专家控制等是现代控制理论研究和应用最为活跃 的领域，它们与传统p i d 控制算法的结合，能够扬长避短，发挥各自的优势，使控制的 性能得到提高，产生智能p i d 控制器，这些新型的控制器已经得到很大的发展和广泛的 应用。主要方法有：基于规则的智能p i d 自学习控制算法、加辨识信号的智能自整定 p i d 控制算法、专家式智能自整定p i d 控制算法、模糊p i d 控制算法、基于神经网络的 p i d 控制算法、自适应p i d 预测智能控制算法、单神经元自适应p i d 智能控制等多种控 制算法。 海洋机器人中无刷推进电机控制器的研制 由于电动机的参数时变性，负载扰动以及被控对象自身的严重非线性，强耦合性等 特点。所以使用传统的p i d 控制器很难进行精确控制，有必要寻求一种更精确的控制方 法。模糊p i d 能够对复杂对象和模型不清楚对象进行简单而有效的控制。 3 2 模糊p i d 控制 3 2 1 模糊控制 模糊控s 0 ( f u z z yc o n t r 0 1 ) 是一种以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为数 学基础的新型计算机控制方法，显然，模糊控制的基础是模糊数学，模糊控制的实现手 段是计算机等处理器。 举例来说，人工控制的基本方法是：操作者凭借眼、耳等感觉器官，从声、光或数 据显示器得到系统的输入值和输出值，并在脑中转化为模糊概念，如温度很高，温度变 化很大等。然后，操作者就可以用这些信息，根据已有的经验来分析判断，得出相应的 控制决策，如将温度调低些等，并操作控制器，实现对各种对象的控制。可以看出在人 们对工业过程进行控制时，是不断的将测量得到的输入和输出的精确量转化为模糊量， 经过人的模糊推理后，再将决策的模糊量转化为精确量去实现控制动作，这个过程是凭 经验来实现的。 模糊控制也具有数字控制的一般形式，如下图所示。 图3 2 模糊控制系统结构图 f i g 3 2t h ec o n s t r u c t i o no ff u z z yc o n t r o ls y s t e m 图中的模糊控制器是整个系统的核心，实际上是一台微计算机，主要完成输入量的 模糊化、模糊关系运算、模糊决策及决策结果的非模糊化( 精确化) 等重要过程【2 2 , 2 3 1 。可 以说，一个模糊控制系统的性能指标的优劣很大程度取决于模糊控制器的“智能”程度。 1 6 沈阳，亡业大学硕士学位论文 目前，模糊控制器主要是建立在人的直觉和经验的基础上的，就是说我们不需要了 解被控对象精确的数学表达式，而是通过经验和直观感觉。因而模糊控制动作具有一定 的主观性。但是，模糊控制设计人员可以通过对操作人员的观察和交谈讨论，可以用语 言把控制策略描述出来，构成以语言表达的决策规则。 3 2 2 模糊控制器的设计步骤 模糊控制系统的核心是模糊控制器，在本论文中采用仿真与软件编程两种方式来实 现。它的主要任务有：先采集被控对象输出信号的精确值，然后将该信号与给定值相比 较得到误差信号e ，g 把误差信号的精确值模糊化变成模糊量，从而得到误差e 的模糊语 言集合的一个子集e ，此时e 是一个模糊向量。最后，用e 和模糊控制规则r 根据推理 的合成规则进行模糊决策，这样就得到模糊向量u 为： “- eo r ( 3 4 ) 为了对被控对象实施精确的控制，还必须把模糊量转换为精确量( 反模糊化) “去控 制执行机构采取相应的动作。 实现的具体步骤为： 1 、确认模糊控制器的输入输出变量 根据控制问题确认输入和输出变量。在绝大部分控制系统中常常选定系统的偏差 ( 一阶系统) 和偏差的变化率( - - 阶系统) 作为输入量，调节量作为输出量。 2 、确定输入输出变量的语言值域及相应的隶属函数 把采集来的精确量转化为模糊量，实际上是找到精确量隶属于某个模糊子集的隶属 函数值，得到一个相应的模糊子集。隶属函数有多种形式，如正态分布最符合人的思维 模式，梯形和三角形表示法在工程中最常用。 3 、模糊控制规则 模糊推理规则是描述控制器输入输出特性的一组语言规则( 用模糊算子。将单一的 i f t h e n 规则连接在一起的模糊控制规则) 。它多来自于系统设计人员对系统的知识经 验。因此系统设计人员所积累知识和经验的多少和质量决定了所设计控制器的优劣。控 制率的建立必须保证控制率的“完整性”，即在建立控制规则时，必须覆盖所有的输入 海洋机器人中无刷推进电机控制器的研制 状态，使得在每一输入状态下都有相应的控制规则起作用。与此同时，必须尽量避免相 互矛盾的控制规则。 4 、确定模糊推理方法 常见的模糊推理方法有z a d e h 法、m 0 x n d a n i 法、s u g e n o 法等。m a m d a n i 法更适用 于实时控制，所以在本设计中选择了m a m d a n i 法进行模糊推理。 5 、确定反模糊的方法 反模糊的方法与输出模糊子集的隶属函数定义的方法有关。一般控制中多使用隶属 函数的单点形式的非模糊( 反模糊化) 方法。有最大隶属度法、重心法、加权平均判决法、 取中位数法等。本设计中选用最大隶属度法。 3 3 自适应模糊p i d 控制 根据上面两节的介绍，把p i d 控制器与模糊控制器结合起来，下面主要介绍模糊自 适应p i d 的实现过程，模糊自适应p i d 参数自整定的实现思想是先找出p i d 的三个参 数与误差和误差变化率之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e 和e ，再根据模糊控 制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同e 和e 时对控制器参数的不同要求，而 使被控对象有良好的动、静态性能。计算量小，易于d s p 实现，其结构图如图3 3 所示。 图3 3 模糊p i d 控制器结构图 f i g 3 3t h ec o n s t r u c t i o no f f u z z y - p i d 下面结合模糊控制器在m a t l a b 软件中的实现来介绍自适应模糊p i d 控制器的设 计，设计过程分为模糊化、模糊推理和模糊规则、反模糊化三大步1 2 4 - 2 6 1 。 3 3 1 模糊化 1 ) 输入量模糊化：确定系统中连续变量e 和e 。的变化范围，本系统中速度变化范围为 沈阳工业大学硕士学位论文 ( o - 3 0 0 0 f r a i n ) 。那么速度误差e 范围是( 一3 0 0 0