基于永磁同步电动机的双螺旋桨无人艇推进系统研究

摘要

随着各国对海洋的重视，有效的利用和开发海洋资源，进行海洋科研、海洋环境监测、保卫国家海洋安全等措施，对于国家的战略发展具有重要意义。无人艇作为海上无人系统最为典型的无人智能平台系统，逐渐引起了各海洋强国重视。无人艇的推进系统是其运动控制的核心部分，其性能的优劣严重影响USV航行时的稳定性和操控精度，同时推进系统也是研究动力定位、自动避碰和航迹跟踪等问题的基础。研究无人艇的推进系统，对于改善无人水面艇本身的操控性、推进系统的稳定性和经济性具有实际意义。
　　本文以双螺旋桨无人艇的推进系统为研究对象，以永磁同步电机为推进电机，以直接转矩控制策略为基础对其进行了研究。首先介绍了无人水面艇在国内外的发展现状与无人水面艇推进控制系统的研究现状。然后简单介绍了永磁同步电机的结构与其在不同坐标系内的数学模型。通过分析常规直接转矩控制固有的不足与该技术应用于推进系统存在的特殊性，介绍了一种基于空间电压矢量调制的永磁同步电动机直接转矩控制技术，并且建立了相应的仿真模型。依据螺旋桨的负载特性，搭建了艇桨数学模型，并在此基础上建立了双螺旋桨无人艇推进系统的仿真模型。同时针对双螺旋桨无人艇的运动特点，提出一种适用于该推进系统的双推进电机转速协调控制策略，通过给定无人艇的预期运动状态，计算出每侧推进电机的实时转速，进而控制无人艇航行，并通过仿真验证了此方法的有效性。在此基础上，搭建了双螺旋桨无人艇推进系统用永磁同步电动机控制系统的硬件实验平台，并完成了控制程序的编写与调试。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 无人艇国内外研究现状

1．2．1 国外无人艇研究现状

1．2．2 国内无人艇研究现状

1．3 无人艇推进控制系统发展现状

1．4 论文研究的主要内容

第2章 PMSM数学模型及其SVM-DTC技术

2．1 永磁同步电动机的分类

2．2 永磁同步电动机的数学模型

2．2．1 PMSM在三相静止坐标系下的数学模型

2．2．2 PMSM在两相静止坐标系下的数学模型

2．2．3 PMSM在两相旋转坐标系下的数学模型

2．3 空间电压矢量调制技术

2．3．1 电压空间矢量的产生

2．3．2 扇区判断

2．3．3 作用时I司计算

2．3．4 状态切换时间计算

2．4 基于SVPWM的PMSM直接转矩控制系统

2．4．1 定子磁链与电磁转矩估算模型

2．4．2 参考电压计算模型

2．5 本章小结

第3章 基于转速协调控制策略的双螺旋桨USV推进系统研究

3．1 双螺旋桨无人水面艇推进系统结构

3．2 艇桨运动数学模型

3．2．1 螺旋桨数学模型

3．2．2 推力减额系数与伴流系数

3．2．3 艇体阻力计算模型

3．2．4 无人艇运动方程

3．3 双螺旋桨推进的等效舵效理论

3．3．1 无人艇平面运动数学模型

3．3．2 等效舵效模型

3．4 双螺旋桨USV推进电机转速协调控制策略

3．4．1 目标转速计算模型

3．4．2 无人艇操纵运动方程

3．4．3 模糊PI控制器

3．5 本章小结

第4章 基于PMSM的双螺旋桨USV推进系统仿真研究

4．1 艇桨运动仿真模型的建立

4．2 双螺旋桨USV推进系统仿真结果与分析

4．3 转速协调控制策略仿真模型的建立

4．4 基于转速协调控制策略的双螺旋桨USV推进系统仿真结果与分析

4．4．1 回转实验仿真结果

4．4．2 航向控制仿真结果

4．4．3 航行轨迹仿真结果

4．5 本章小结

第5章 双螺旋桨无人艇推进系统用PMSM控制系统实现研究

5．1 系统的硬件电路设计

5．1．1 主电路设计

5．1．2 TMS320F28335 DSP简介

5．1．3 隔离电路设计

5．1．4 驱动电路设计

5．1．5 电压检测电路设计

5．1．6 电流检测电路设计

5．1．7 编码器调理电路设计

5．2 系统的软件程序设计

5．2．1 主程序及初始化

5．2．2 中断服务程序设计

5．3 实验平台与结果分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介