深水电机同缆供电与控制系统研制

摘要

随着人类在深海领域的活动越来越频繁，各种机械电子设备也越来越多地应用于矿产资源开采、地质勘探、生物资源采集、科学考察等。深水电机作为各种设备中的关键部分，广泛应用于如深钻、机械手、电视抓斗、机器人等设备中，其可靠高效持久地运行对每一次深海作业都至关重要。
　　 本论文针对目前我国深海科学考察船“大洋一号”上所使用设备中的深水电机，在基于“功率能源与数据信息混合传输技术”基础上，描述了设计实现深水永磁同步电机控制器的各项技术。主要分为三个部分：
　　 首先，本文分析了“功率能源与数据信息混合传输技术”的原理和应用环境。“功率能源与数据信息混合传输技术”主要解决了深水设备能源供给紧张的难题，摒弃了以往用大功率锂电池作为电源的诸多弊病。水面甲板上1kV的直流电压经过10km的铠装同轴缆并经高压DC/DC变换后对水下设备进行能源供给，同时各种控制和视频数据也在缆上进行传输。
　　 其次，本文重点描述了永磁交流伺服系统与永磁同步电机的无传感器矢量控制方法以及针对具体工作电压为300V、功率3KW的深水电机控制器的设计实现，利用混合传输技术即可实现对深水电机的供电与控制。硬件部分基于最新的ARM Cotex-M3处理器STM32F103VBT6设计，包括功率驱动模块、电流采样模块、光耦隔离通信、电源管理电路等。软件部分基于ST半导体公司的STM32标准外围设备库和永磁同步电机FOC矢量控制算法库，实现了对深水永磁同步电机启停、加速减速的无传感器远程控制。
　　 最后，对所设计的深水永磁同步电机控制器进行调试以及功率测试。负载采用液压泵，利用PC机的串口对控制器进行直接控制和实时监控。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 国内外研究现状和发展趋势

1.2.1 功率能源与数据信息混合传输

1.2.2 永磁交流伺服系统

1.3 主要研究内容

第2章 永磁同步电机控制系统研究

2.1 永磁同步电机

2.1.1 永磁同步电机结构

2.1.2 永磁同步电机数学模型

2.2 矢量控制

2.3 永磁交流伺服系统控制方式

2.4 矢量控制下的PWM调制技术

第3章 系统总体方案设计

3.1 应用环境介绍

3.1.1 数据耦合器原理

3.1.2 长距离通信原理

3.2 系统总体结构

3.3 系统主要部件选型

3.3.1 微控制器的选型

3.3.2 驱动电路选型

3.3.3 电流采样电路选型

3.4 系统设计注意点

第4章 系统硬件设计

4.1 系统硬件电路结构框图

4.2关键部分硬件电路设计

4.2.1 驱动电路

4.2.2 三电阻电流采样电路

4.2.3 光耦隔离RS232电路

4.2.4 微处理器及其外围电路设计

4.3 系统硬件设计注意点

第5章 系统软件设计与实现

5.1 软件系统的总体结构

5.2 微控制器外设配置

5.3 FOC算法实现

5.4 系统应用程序设计

第6章 系统调试及功率测试

6.1 系统调试

6.2 功率测试

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附 录