基于滑模观测器的水下推进系统无位置检测控制方法研究

摘要

随着中国海洋事业的不断拓展，陆地资源的短缺，对海洋资源的探测开采有了更高的要求。有缆遥控水下机器人（Remotely Operated Vehicle，即ROV）具有环境适应能力强、操控方便和续航能力强等优点，使得国内外科研机构和企业单位争相研制出能够进行海底资源探测与开采的多种结构不同的ROV。而水下推进系统是水下机器人的动力核心模块，要实现在未知环境中稳定的运行，就必须依靠一套安全可靠的水下推进系统，包括密封性好、耐压能力强的系统结构和运行稳定的驱动控制算法。 本文针对水下辅助采油作业机器人深海作业的需求，研制了一款大功率、小体积的水下推进系统，并在此基础上开展了基于滑模观测器的无位置传感器驱动控制新算法研究，并将其应用于改进的水下推进直接转矩控制系统中。主要研究内容如下： 首先，论文在阐述水下辅助采油作业机器人总体设计方案的基础上，着重设计并研制了水下辅助采油机器人的水下推进系统，水下推进系统包含导航舱、控制舱、电源舱以及水下推进器，完成了水下推进器的结构设计以及水下推进系统软件和硬件的设计、制作与调试。 然后，着重研究了基于滑模观测器的无位置传感器控制方法，提出了一种基于新型滑模观测器位置检测的水下推进系统直接转矩控制新方法。该方法将双曲正切函数引入线反电势滑模观测器，并将该滑模观测器应用于传统的水下推进直接转矩控制系统中。仿真实验表明，本文所设计的新型滑模观测器相比于传统的滑模观测器能够较好的估算线反电势值。 其次，在设计了基于新型滑模观测器线反电势观测的基础上，通过对传统直接转矩控制方法进行改进，使得驱动控制系统通过对线反电势观测值进行扇区判别与转矩估计，从而获得6个换相开关信号，实现无需位置传感器检测的水下推进系统改进的直接转矩控制。并分析了水下推进系统的螺旋桨负载特性，对其参数进行拟合，构建了螺旋桨负载特性的数学模型，并将其作为负载模块引入改进的水下推进直接转矩控制系统中。仿真实验表明，将本文所设计的新型滑模观测器应用在螺旋桨负载特性下的改进的水下推进直接转矩控制系统中，能够较好的进行扇区判别与转矩观测，具有良好的闭环控制特性和效果，转矩脉动得到很大的改善。 最后通过对导航舱、控制舱、电源舱的陆上调试，验证各电子舱所传输数据的实时性与准确性，同时对水下推进器进行了陆上调试以及水下实验，验证了本文所设计的水下推进器的转速、推力以及功率均达到设计要求，最终对所研制的水下推进系统进行了系统联调，验证了本文所研制的水下推进系统的稳定性与实用性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 水下机器人推进器控制技术发展概况

1.2.1 水下推进器的种类及特点

1.2.2 水下推进器控制理论的发展

1.3 水下推进器无位置传感器控制技术研究现状

1.4 本论文的主要内容

第2章水下辅助采油作业机器人总体方案设计

2.1 引言

2.2 水下辅助采油作业机器人总体方案设计

2.2.1技术要求

2.2.2本体结构组成

2.2.3动力推进系统方案设计

2.3 本章小结

第3章水下辅助采油作业机器人推进系统设计

3.1 引言

3.2 水下推进器结构设计

3.2.1 技术要求

3.2.2 螺旋桨与导流罩设计

3.2.3 磁耦合联轴器设计

3.2.4 无刷直流电机选型

3.3 水下推进系统硬件设计

3.3.1 水下推进系统控制方案设计

3.3.2 水下推进器驱动电路硬件设计

3.3.3 电源舱硬件设计

3.3.3 控制舱和导航舱硬件设计

3.4 水下推进系统软件设计

3.4.1 水下推进器驱动软件设计

3.4.2 电源舱软件设计

3.4.3 控制舱和导航舱软件设计

3.5 本章小结

第4章 基于滑模观测器位置检测的水下推进器控制研究

4.1 引言

4.2 水下推进器电机的基本工作原理

4.3 水下推进器的基本数学模型分析

4.4 滑模变结构基本原理

4.5 基于线反电势的无位置传感器控制方法设计

4.6 基于线反电势的滑模观测器设计

4.6.1 传统滑模观测器设计

4.6.2 基于传统滑模观测器的改进

4.7 仿真分析

4.8 本章小结

第5章 螺旋桨负载特性下的无位置传感器直接转矩控制研究

5.1 引言

5.2 BLDCM的直接转矩控制的基本思想

5.2.1 BLDCM直接转矩控制特点

5.2.2 改进的BLDCM直接转矩控制特点

5.3 改进的直接转矩控制系统分析

5.3.1 逆变器开关状态与电压空间矢量

5.3.2 基于线反电势的扇区判别

5.3.3 转矩单环控制理论依据

5.3.4 电压矢量选择

5.3.5 电磁转矩观测

5.4 基于滑模观测器的改进直接转矩控制系统仿真模型的建立

5.4.1电机本体与逆变器模块

5.4.3虚拟霍尔信号转换模块

5.4.4转速计算模块

5.4.5直接转矩模块

5.4.6电磁转矩观测模块

5.4.7仿真结果分析

5.5 螺旋桨负载特性下的改进直接转矩控制方案

5.5.1 螺旋桨数学模型

5.5.2 考虑水流作用后的螺旋桨数学模型

5.5.3 螺旋桨运动仿真模型建立及分析

5.6 本章小结

第6章 水下辅助采油作业机器人推进系统实验

6.1 引言

6.2 水下推进系统实验

6.2.1 水下推进器实验

6.2.2 电子舱实验

6.2.3 水下推进系统陆上联调

6.3 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务和主要成果

致谢