基于永磁同步电机无人水下航行器电力推进研究

摘要

伴随着电力电子技术、新型控制技术和现代化电气设备的日新月异，人类对海洋的探索范围和海面作业方式不断深入和多样化。无论是对于水下探索工作还是军事打击的需要，都凸显航行器的重要作用。为保证其航行的快速稳定性，航行器在机械可靠性、推进稳定性和自身抗干扰能力都必须有突破性发展。这使得航行器电力推进技术的应用领域不断深入发展，同时也决定未来电力推进发展方向。由于具有低转速大转矩和高效率，使得永磁同步电机成为各种船舶电力推进的理想装置。但是由于水下航行器作业环境复杂多变且受干扰多样化，并随着产生的非线性、强耦合和不可预测振荡等。如何提高水下航行器推进稳定性和高效性变得尤为重要。
　　全文首先介绍水下航行器与电力推进的发展状况，通过对永磁同步电机数学理论分析和电力推进螺旋桨负载建模。对滑模变结构理论进行详细分析，并提出几种改进其抖振的方法进行仿真验证。由于其具有高鲁棒性和易实现，所以广泛用于电机控制。在此基础上实现水下航行器永磁同步电机电力推进建模，并实现起动、停车与倒车三种典型运动特性。
　　结合航行器自身特点和普通永磁同步电机的不足，本文提出新型双转子对转推进永磁电机，一台电机就可实现对转双机械端口输出，不仅体积小、重量轻，降低了成本，而且没有电刷，安全可靠性高。经研究表明，对转螺旋桨推进系统的节能效果明显提高。对转螺旋桨推进系统可减小横滚力矩，防止航行器发生侧翻现象。电机矢量控制可以很好解决双转子速度调节问题，响应快，只是在双转子带不平衡负载时会出现扰动。
　　最后深入对双转子永磁推进电机进行分析研究，设计一种积分滑模控制器，利用积分型滑模面设计的滑模控制器与常规的滑模控制器相比增强了系统的稳定性。对转电机调速系统鲁棒性提高，可使水下航行器推进电机实现高性能控制，工作环境适应性大大提高且系统稳定性高。为新型推进电机控制系统的高效可靠运行提供有力保障。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2电力推进系统的组成与特点

1.3水下航行器电力推进国内外研究现状

1.4永磁推进电机特点与新型永磁电机控制

1.5 课题研究的主要内容

第二章 电力推进系统分析与建模

2.1 永磁同步电机

2.2基于SVPWM的直接转矩控制方法

2.2螺旋桨特性和航行器受力数学模型

2.3本章小结

第三章 滑模变结构基本理论

3.1 引言

3.2滑模变结构控制基本原理

3.3滑模变结构控制器设计

3.4滑模变结构控制的抖振

3.5仿真结果

3.6本章小结

第四章 水下航行器永磁同步电机推进系统仿真

4.1 引言

4.2永磁同步电机数学模型

4.3 基于扩张观测器的滑模控制器设计

4.4 推进螺旋桨与航行器运动数学模型

4.5控制系统仿真与结果

4.6 本章小结

第五章 水下航行器用双转子永磁推进电机研究与仿真

5.1 引言

5.2 电机工作原理与数学模型

5.3 仿真模型

5.4 仿真结果及分析

5.5本章小结

第六章 双转子永磁推进电机调速系统滑模变结构控制

6.1 引言

6.2 双转子永磁同步电机滑模变结构控制研究

6.3 滑模控制器设计

6.4 仿真结果及分析

6.5 对转螺旋桨建模与模拟仿真

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢