海洋潜器全方位推进器主轴控制系统设计与实现

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全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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的意义与背景
• 1.2 潜器全方位推进器系统国内外研究现状
• 1.3 永磁同步电动机无位置传感器控制研究现状
• 1.4 本论文的主要内容
• 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
• 2.1.2 主轴控制系统推力与阻力分析
• 2.1.3 主轴控制系统电机选型
• 2.2 主轴控制系统永磁同步电机的数学模型
• 2.3 主轴控制系统电动机控制方法
• 2.3.1 矢量控制技术
• 2.3.2 矢量控制方法
• 2.4 本章小结
• 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
• 3.1 主轴控制系统的控制策略
• 3.2 基于滑模变结构的无位置传感器控制技术
• 3.2.1 滑模变结构控制原理
• 3.2.2 滑模电流观测器建立及改进
• 3.2.3 反电势观测器建立及改进
• 3.3 主轴控制系统开环起动策略
• 3.4 滑模变结构观测器的转子估算角度的相位补偿
• 3.5 本章小结
• 第4章 海洋潜器全方位推进器主轴控制系统硬件设计
• 4.1 主轴控制系统硬件设计
• 4.1.1 处理器最小系统设计
• 4.1.2 母线电压采样电路设计
• 4.1.3 SPI电路设计
• 4.1.4 驱动电路的设计
• 4.2 低成本电流采样策略
• 4.2.1 相电流直接采样
• 4.2.2 桥臂电流采样
• 4.2.3 母线电流采样
• 4.3 本章小结
• 第5章 海洋潜器全方位推进器主轴控制系统实现及试验结果
• 5.1 主轴控制系统软件设计
• 5.1.1 主轴控制系统软件开发环境
• 5.1.2 主轴控制系统软件结构
• 5.1.3 数字滑模观测器的实现
• 5.1.4 主轴控制系统主程序流程
• 5.2 试验结果及分析
• 5.2.1 主轴控制系统仿真试验及分析
• 5.2.2 主轴控制系统试验结果及分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢