auv水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(文件)
【正文】 引起高度或深度的變化。根據(jù)我們以往的工作經(jīng)驗(yàn)，采用自適應(yīng)控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、PID 控制算法等均能達(dá)到相應(yīng)的控制要求，定深控制方法與定高控制方法相似,垂直控制量是一個(gè)力矩，它被用來(lái)改變AUV 的縱傾角。中小型水下機(jī)器人大多用電動(dòng)機(jī)直接連接螺旋槳。無(wú)刷直流電機(jī)是近幾年來(lái)隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型直流電機(jī)，其最大特點(diǎn)是沒有換向器（整流子）和電刷組成的機(jī)械接觸機(jī)構(gòu)。建立無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，可以有效的節(jié)省控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間，及時(shí)驗(yàn)證施加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制輸出；同時(shí)可以充分利用計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)越性，人為地改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、加入不同的擾動(dòng)和參數(shù)變化，以便考察系統(tǒng)在不同結(jié)構(gòu)和不同工況下的動(dòng)、靜態(tài)特性[8]。 圖51 A相反電動(dòng)勢(shì)和電流波形BLDC三相定子電壓的平衡方程可用以下的狀態(tài)方程表示: (3)式中，ua,ub,uc為三相定子電壓(V)；ea,eb,ec為三相定子的反電動(dòng)勢(shì)(V)；ia,ib,ic為三相定子相電流(A)；La,Lb,Lc為三相定子自感(H)；Lab,Lac,Lba,Lbc,Lca,Lcb為三相定子繞組之間的互感(H)；Ra,Rb,Rc為三相定子繞組的相電阻；p為微分算子（d/dt）。BLDC的運(yùn)動(dòng)方程可表示為： (6)由BLDC的電壓方程，可以將其等效地表示為圖52所示的等效電路，BLDC的每相由定子繞組電阻R、電感(LM)及一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)e串聯(lián)構(gòu)成。圖54即為BLDC建模的整體控制框圖，其中主要包括：BLDCM本體模塊、速度控制模塊、參考電流模塊、電流滯環(huán)控制模塊、轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和電壓逆變器模塊。而BLDC建模過程中，梯形波反電動(dòng)勢(shì)的求取方法一直是較難解決的問題，反電動(dòng)勢(shì)波形不理想會(huì)造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大、相電流波形不理想等問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q向失敗，電機(jī)失控。(3)分段線性法，如圖56所示，將一個(gè)運(yùn)行周期0360176。因而，本文采用分段線性法建立梯形波反電動(dòng)勢(shì)波形。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)就可以求出各相反電動(dòng)勢(shì)變化軌跡的直線方程；其它5個(gè)階段，也是如此。圖56 三相反電動(dòng)勢(shì)波形在這個(gè)仿真模塊中采用滯環(huán)控制原理來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的調(diào)節(jié)，使得實(shí)際電流隨給定電流的變化。模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖58所示，輸入為三相參考電流和三相實(shí)際電流，輸出為PWM逆變器控制信號(hào)。其中，Kp為PID控制器中比例的參數(shù)，Ki為積分的參數(shù)，Kd為微分的參數(shù)。根據(jù)BLDC數(shù)學(xué)模型中的電磁轉(zhuǎn)矩方程式，可以建立圖510所示的轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊，模塊輸入為三相相電流與三相反電動(dòng)勢(shì)，通過加、乘模塊即可求得電磁轉(zhuǎn)矩信號(hào)Te。給IGBT的A、B、C三相加三個(gè)電壓表，輸出的Simulink信號(hào)可以與BLDC直接連接，如圖512所示。m為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的BLDC控制系統(tǒng)仿真模型的靜、動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)空載起動(dòng)，待進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在t＝＝5N仿真波形圖51515表明：起動(dòng)階段系統(tǒng)保持轉(zhuǎn)矩恒定，因而沒有造成較大的轉(zhuǎn)矩和相電流沖擊，參考電流的限幅作用十分有效；空載穩(wěn)速運(yùn)行時(shí)，忽略系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩，因而此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩均值為零；在t＝，轉(zhuǎn)速發(fā)生突降，但又能迅速恢復(fù)到平衡狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)無(wú)靜差。利用自適應(yīng)PID控制算法在超小型水下機(jī)器人航向角鎖定方面進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)分析。對(duì)推進(jìn)器電機(jī)進(jìn)行了仿真計(jì)算分析?；贑AN 總線的水下機(jī)器人執(zhí)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J] 海洋技術(shù)。2009，21（13）：41494158.[5]． 袁偉杰，劉貴杰, 朱紹鋒。 2010，23( 4 )：1113[7]． 蔡昊鵬，蘇玉民。2007，40（1）：4044[8]．。2010，31（4）：429469. 邢逾，李偉力，程鵬。2010，46（11）：97100.[6]． 嚴(yán)龍，蘇永清。小型水下觀測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制的研究[J]，計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制。小型自治水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J] 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。介紹的小型自治水下機(jī)器人以單主推和舵組合的方式操縱航行，可實(shí)現(xiàn)自主定深定向航行。本系統(tǒng)經(jīng)過硬件試驗(yàn)，其結(jié)果與仿真波形一致，證明了本文所提出的這種新型BLDC仿真建模方法的有效性及控制系統(tǒng)的合理性?？傻玫较到y(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、三相電流和三相反電動(dòng)勢(shì)仿真曲線如圖513～516所示。離散PID控制器三個(gè)參數(shù)Kp=5，Ki=，Kd=，飽和限幅模塊幅值限定在177。圖512電壓逆變器模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝 基于Matlab/Simulink建立了BLDC控制系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了BLDC雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真。圖511轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝逆變器對(duì)BLDC來(lái)說，首先是功率變換裝置，也就是電子換向器，每一個(gè)橋臂上的一個(gè)功率器件相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)機(jī)械換向器，還同時(shí)兼有PWM電流調(diào)節(jié)器功能。（a）離散PID控制器(b)速度控制模塊 圖59速度控制模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝參考電流模塊的作用是根據(jù)電流幅值信號(hào)Is和位置信號(hào)給出三相參考電流，輸出的三相參考電流直接輸入電流滯環(huán)控制模塊，用于與實(shí)際電流比較進(jìn)行電流滯環(huán)控制。速度為積分的參數(shù)Kd為微分的參數(shù)。其工作原理是：當(dāng)給定電流值與反饋電流值的瞬時(shí)值之差達(dá)到滯環(huán)寬度正邊緣時(shí)，逆變器的開關(guān)管VT1導(dǎo)通，開關(guān)管VT4關(guān)斷，電動(dòng)機(jī)接通直流母線的正端，電流開始上升反之，當(dāng)給定電流值與反饋電流值的瞬時(shí)值之差達(dá)到滯環(huán)寬度負(fù)邊緣時(shí)，逆變器的開關(guān)管VT1關(guān)斷，開關(guān)管VT4導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)接通直流母線的負(fù)端，電流開始下降。表1轉(zhuǎn)子位置和反電動(dòng)勢(shì)之間的線性關(guān)系表 表1中：k為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)(V/(r/min))，Pos為電角度信號(hào)(rad)，w為轉(zhuǎn)速信號(hào)(rad/s)。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置將運(yùn)行周期分為6個(gè)階段：0～π/3，π/3～2π/3，2π/3～π，π～4π/3，4π/3～5π/3，5π/3～2π。為一個(gè)換向階段，每一相的每一個(gè)運(yùn)行階段都可用一段直線進(jìn)行表示，根據(jù)某一時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)，確定該時(shí)刻各相所處的運(yùn)行狀態(tài)，通過直線方程即可求得反電動(dòng)勢(shì)波形。目前求取反電動(dòng)
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