auv水下機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計-資料下載頁
2025-07-30 00:13本頁面
【正文】 ，電動機(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(jī)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(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(jìn)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)。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。圖510轉(zhuǎn)矩計算模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝根據(jù)運(yùn)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(jī)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(jī)的一個機(jī)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 基于Matlab/Simulink建立了BLDC控制系統(tǒng)的仿真模型，并對該模型進(jìn)行了BLDC雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真。仿真中，BLDC電機(jī)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=ms/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(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在t＝＝5Nm，在t＝?？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51515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(yùn)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＝，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)曲線圖515 電流Ia，Ib，Ic波形 圖516 反電動勢Ea, Ea, Ea波形6 結(jié)論 本文在超小型水下機(jī)器人的設(shè)計、算法及實驗等方面進(jìn)行了相關(guān)論述，初步建立了超小型水下機(jī)器人基礎(chǔ)智能控制實驗平臺。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)行了理論及實驗分析。本研究也為自行設(shè)計開發(fā)新型超小型水下機(jī)器人提供了實驗平臺且積累了相關(guān)經(jīng)驗。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，可實現(xiàn)自主定深定向航行。基于簡化模型設(shè)計了航行控制系統(tǒng)，立了開架式水下機(jī)器人物理模型及數(shù)學(xué)模型，并對數(shù)學(xué)模型簡化。對推進(jìn)器電機(jī)進(jìn)行了仿真計算分析。 參考文獻(xiàn)[1]． 吳寶舉，李碩，李一平，王曉輝。小型自治水下機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)研究[J] 機(jī)械設(shè)計與制造。2010，6：158160 [2]． 楊曉華，侯巍，王樹新，梁捷，劉頡。基于CAN 總線的水下機(jī)器人執(zhí)行節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)[J] 海洋技術(shù)。2005，24（4）：1516[3]． 馮常，竇普，陳樹才。小型水下觀測機(jī)器人設(shè)計與控制的研究[J]，計算機(jī)測量與控制。2009，17（4）：672678[4]． 王波，蘇玉民，[J]，系統(tǒng)仿 真學(xué)報。2009，21（13）：41494158.[5]． 袁偉杰，劉貴杰, 朱紹鋒。基于遺傳算法的自治水下機(jī)器人水動力參數(shù)辨識方法[J]，機(jī)械工程學(xué)報。2010，46（11）：97100.[6]． 嚴(yán)龍，蘇永清?；贒SP 的水下機(jī)器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計[J]，工業(yè)控制計算機(jī)。 2010，23( 4 )：1113[7]． 蔡昊鵬，蘇玉民。水下航行體推進(jìn)器設(shè)計方法研究[J]，哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報。2010，31（4）：429469. 邢逾，李偉力，程鵬。永磁無刷直流電動機(jī)時步有限元與Matlab協(xié)同仿真計算[J]，微電機(jī)。2007，40（1）：4044[8]．
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