【正文】 建模仿真的設(shè)計要求。因而，本文采用分段線性法建立梯形波反電動勢波形。理想情況下，二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的 BLDC 定子三相反電動勢的波形如圖 6 所示。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置將運行周期分 為 6 個階段： 0～π /3，π /3～ 2π /3， 2π /3～π，π～ 4π /3， 4π /3～ 5π /3， 5π /3～ 2π。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 水下滑翔 機設(shè)計 40 以第一階段 0～π /3 為例， A 相反電動勢處于正向最大值 Em， B 相反電動勢處負(fù)向最大值 Em， C 相反電動勢處于換向階段，由正的最大值 Em沿斜線規(guī)律變化到負(fù)的最大值 Em。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號就可以求出各相反電動勢變化軌跡的直線方程；其它 5 個階段，也是如此。據(jù)此規(guī)律，可以推得轉(zhuǎn)子位置和反電動勢之間的線性關(guān)系，如表 1 所示，從而采用分段線性法，解決了在 BLDC 本體模塊中梯形波反電動勢的求取問題。 表 1 轉(zhuǎn)子位置 和反電動勢之間的線性關(guān)系表 表 1 中： k 為反電動勢系數(shù) (V/(r/min))， Pos 為電角度信號 (rad)， w為轉(zhuǎn)速信號 (rad/s)。根據(jù)電機轉(zhuǎn)過的電角度來求反電動勢，用 S 函數(shù)編寫。 圖 56 三相反電動勢波形 畢業(yè)設(shè)計（論文） 水下滑翔 機設(shè)計 41 、 電流滯環(huán)控制模塊 ： 在這個仿真模塊中采用滯環(huán)控制原理來實現(xiàn)電流的調(diào)節(jié)，使得實際電流隨給定電流的變化。圖 57 表示的是滯環(huán)型 PWM 逆變器的工作原理。其工作原理是：當(dāng)給定電流值與反饋電流值的瞬時值之差達(dá)到滯環(huán)寬度正邊緣時，逆變器的開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通，開關(guān)管 VT4 關(guān)斷，電動機接通直流 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值之差達(dá)到滯環(huán)寬度負(fù)邊緣時，逆變器的開關(guān)管 VT1 關(guān)斷，開關(guān)管 VT4 導(dǎo)通，電動機接通直流母線的負(fù)端，電流開始下降。選擇適當(dāng)?shù)臏h(huán)環(huán)寬，即可使實際電流不斷跟蹤參考電流的波形，實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。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際電流，輸出為 PWM 逆變器控制信號。 (a)滯環(huán)電流跟蹤型 PWM 逆變器單項結(jié)構(gòu)示意圖 (b)滯環(huán)電流跟蹤型 PWM 逆變器輸出電流電壓波形 畢業(yè)設(shè)計（論文） 水下滑翔 機設(shè)計 42 圖 57 滯環(huán)電流跟蹤型 PWM 逆變器的工作原理 圖 58 電流滯環(huán)控制模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝 、 速度控制模塊 ： 速度調(diào)節(jié)采用離散 PID 算法，以獲得最佳的動態(tài)效果。速度為積分的參數(shù) Kd 為微分的參數(shù)。控制模塊的結(jié)構(gòu)較為簡單，如圖 59 所示，單輸入：參考轉(zhuǎn)速 (n_ref)和實際轉(zhuǎn)速 (n)的差值，單輸出：三相參考相電流的幅值 Is。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)。 Saturation 飽和限幅模塊將輸出的三相參考相電流的幅值限定在要求范圍內(nèi)。 （ a）離散 PID 控制器 畢業(yè)設(shè)計（論文） 水下滑翔 機設(shè)計 43 (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 ： 參考電流模塊的作用是根據(jù)電流幅值信號 Is 和位置信號給出三相參考電流，輸出的三相參考電流直接輸入電流滯環(huán)控制模塊，用于與實際電流比較進行電流滯環(huán)控制。轉(zhuǎn)子位置和三相參考電流之間的對應(yīng)關(guān)系如表2 所示，參考電流模塊的這一功能可通過 S 函數(shù)編程實現(xiàn)。 、 轉(zhuǎn)矩計算模塊 ： 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)矩計算模塊，模塊輸入為三相相電流與三相反電動勢，通過加、乘模塊即可求得電磁轉(zhuǎn)矩信號 Te。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 水下滑翔 機設(shè)計 44 圖 510轉(zhuǎn)矩計算模塊結(jié)構(gòu)框圖 及其封裝 、 轉(zhuǎn)速計算模塊 ： 根據(jù)運動方程式 (4)，由電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩以及摩擦轉(zhuǎn)矩，通過加乘、積分環(huán)節(jié)，即可得到轉(zhuǎn)速信號，求得的轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過積分就可得到電機位置信號，如圖 511 所示。 圖 511轉(zhuǎn)速計算模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝 、 電壓逆變器模塊 ： 畢業(yè)設(shè)計（論文） 水下滑翔 機設(shè)計 45 逆變器對 BLDC 來說，首先是功率變換裝置，也就是電子換向器，每一個橋臂上的一個功率器件相當(dāng)于直流電動機的一個機械換向器，還同時兼有 PWM 電流調(diào)節(jié)器功能。對逆變器的建模，本文采用 Simulink 的SimPowerSystem 工具箱提供的 三相全橋 IGBT 模塊。給 IGBT 的 A、 B、 C三相加三個電壓表，輸出的 Simulink 信號可以與 BLDC 直接連接，如圖512 所示。逆變器根據(jù)電流控制模塊所控制 PWM 信號，順序?qū)ê完P(guān)斷，產(chǎn)生方波電流輸出。 圖 512 電壓逆變器模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝 、 仿真結(jié)果 ： 基于 Matlab/Simulink 建立了 BLDC 控制系統(tǒng)的仿真模型，并對該模型進行了 BLDC 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真。仿真中， BLDC 電機參數(shù)設(shè)置為：定子相繞組電阻 R＝ 1Ω ，定子相繞組自感 L＝ ，互感 M＝ ，轉(zhuǎn)動慣量 J＝ ，阻尼系數(shù) B=178。 m178。 s/rad，額定轉(zhuǎn)速 n＝ 1000r/min，極對數(shù) p＝ 1， 220V 直流電源供電。離散 PID 控制器三個參數(shù) Kp=5， Ki=， Kd=，飽和限幅模塊幅值限定在177。 35 內(nèi)，采樣周畢業(yè)設(shè)計（論文） 水下滑翔 機設(shè)計 46 期 T=。為了驗證所設(shè)計的 BLDC 控制系統(tǒng)仿真模型的靜、動態(tài)性能，系統(tǒng)空載起動，待進入穩(wěn)態(tài)后，在 t＝ 時突然加負(fù)載 TL＝ 5N178。 m，在t＝ 時突然撤去負(fù)載?？傻玫较到y(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、三相電流和三相反電動勢仿真曲線如圖 513～ 516 所示。 由仿真波形 可以看出，在 n＝ 1000r/min 的參考轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應(yīng)快速且平穩(wěn)，相電流和反電動勢波形較為理想。仿真波形圖 51 515 表明：起動階段系統(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)速運行時，忽略系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩，因而此時的電磁轉(zhuǎn)矩均值為零；在 t＝ 時突加負(fù)載，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)運行時無靜差。仿真波形圖 514 中，突加負(fù)載后，負(fù)載轉(zhuǎn)矩有較大的脈動，這主要是由電流換向和電流滯環(huán)控制器的頻繁切換造成的。本系統(tǒng)經(jīng)過硬件試驗，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。 圖 513 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線 圖 514 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線 畢業(yè)設(shè)計（論文） 水下滑翔 機設(shè)計 47 圖 515 電流 Ia， Ib， Ic 波形 圖 516 反電動勢 Ea, Ea, Ea 波形 結(jié)構(gòu)參數(shù)校核 、 水下壓強校核 ： 根據(jù)已知條件，水下滑翔機的外形尺寸為 1500*250mm,面積為 ㎡， 水的比重是 1g/cm^3，一個立方的水是 1 噸 ； 一個立方為 1 米 *1 米 *1米，根據(jù)壓 強公式 p=f/s， 那么每個平方米壓力等于 1 個大氣的正壓力 。 根據(jù)設(shè)計要求，水下飛機需要潛到水下 2021 米的深度，此深度水的壓強為 p=M 深度 *1 等于 2021*1=2021N 根據(jù) p=f/s P=2021/=1709 (Pa) 此方案中水下滑翔機的 外殼的采用流線型設(shè)計，外表面經(jīng)過一定的光滑處理，減小 了 水流對水下滑翔機機身及機翼的阻力，避免海水流過表面時，由層流變?yōu)槲闪鳎?根據(jù)材料力學(xué)分析，本方案選用 航空鈦合金骨架配碳纖維外殼，壁厚尺寸控制在 8MM 以內(nèi)，盡量增大內(nèi)部空間的使用率 .具體結(jié)構(gòu)示意及只要零 件尺寸圖見下： 畢業(yè)設(shè)計（論文） 水下滑翔 機設(shè)計 48 、 設(shè)計技術(shù)資料 ： 水下滑翔機 結(jié)構(gòu)及外形尺寸圖 水下滑翔機結(jié)構(gòu)組裝圖 畢業(yè)設(shè)計（論文） 水下滑翔 機設(shè)計 49 水下滑翔機各模塊分布圖 水下滑翔機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 通過設(shè)計水下滑翔機原理樣機的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)及控制電路，實現(xiàn)了縱向滑翔及回轉(zhuǎn)運動，分析了水下滑翔機原理樣機的驅(qū)動機理，通過數(shù)值計算，得出升阻力系數(shù)隨攻角的變化關(guān)系，為進一步深入研究奠定了基礎(chǔ)。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 水下滑翔 機設(shè)計 50 參考文獻 ： 吳寶舉，李碩，李一平，王曉輝。 小型自治水下機器人運動控制系統(tǒng)研究 [J] 機械設(shè)計與制造。 2021， 6： 158160 楊曉華，侯 巍，王樹新，梁捷，劉頡?；?CAN 總線的水下機器人執(zhí)行節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn) [J] 海洋技術(shù)。 2021， 24（ 4）： 1516 馮常，竇普，陳樹才。小型水下觀測機器人設(shè)計與控制的研究 [J]，計算機測量與控制。 2021， 17（ 4）： 672678 王波，蘇玉民，秦再白 .微小型水下機器人操縱性能與運動仿真研究 [J]，系統(tǒng)仿 真學(xué)報。 2021， 21（ 13）： 41494158. 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