auv水下機器人運動控制系統(tǒng)設計(參考版)
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【正文】 2007，40（1）：4044[8]．。2010，31（4）：429469. 邢逾，李偉力，程鵬。 2010，23( 4 )：1113[7]． 蔡昊鵬，蘇玉民。2010，46（11）：97100.[6]． 嚴龍，蘇永清。2009，21（13）：41494158.[5]． 袁偉杰，劉貴杰, 朱紹鋒。小型水下觀測機器人設計與控制的研究[J]，計算機測量與控制。基于CAN 總線的水下機器人執(zhí)行節(jié)點設計與實現(xiàn)[J] 海洋技術。小型自治水下機器人運動控制系統(tǒng)研究[J] 機械設計與制造。對推進器電機進行了仿真計算分析。介紹的小型自治水下機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。利用自適應PID控制算法在超小型水下機器人航向角鎖定方面進行了理論及實驗分析。本系統(tǒng)經過硬件試驗，其結果與仿真波形一致，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。仿真波形圖51515表明：起動階段系統(tǒng)保持轉矩恒定，因而沒有造成較大的轉矩和相電流沖擊，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)的摩擦轉矩，因而此時的電磁轉矩均值為零；在t＝，轉速發(fā)生突降，但又能迅速恢復到平衡狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)運行時無靜差?？傻玫较到y(tǒng)轉速、轉矩、三相電流和三相反電動勢仿真曲線如圖513～516所示。為了驗證所設計的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＝＝5N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。m圖512電壓逆變器模塊結構框圖及其封裝 基于Matlab/Simulink建立了BLDC控制系統(tǒng)的仿真模型，并對該模型進行了BLDC雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真。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。圖511轉速計算模塊結構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于直流電動機的一個機械換向器，還同時兼有PWM電流調節(jié)器功能。根據(jù)BLDC數(shù)學模型中的電磁轉矩方程式，可以建立圖510所示的轉矩計算模塊，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矩信號Te。（a）離散PID控制器(b)速度控制模塊 圖59速度控制模塊結構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行電流滯環(huán)控制。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)。速度為積分的參數(shù)Kd為微分的參數(shù)。模塊結構框圖如圖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。其工作原理是：當給定電流值與反饋電流值的瞬時值之差達到滯環(huán)寬度正邊緣時，逆變器的開關管VT1導通，開關管VT4關斷，電動機接通直流母線的正端，電流開始上升反之，當給定電流值與反饋電流值的瞬時值之差達到滯環(huán)寬度負邊緣時，逆變器的開關管VT1關斷，開關管VT4導通，電動機接通直流母線的負端，電流開始下降。圖56 三相反電動勢波形在這個仿真模塊中采用滯環(huán)控制原理來實現(xiàn)電流的調節(jié)，使得實際電流隨給定電流的變化。表1轉子位置和反電動勢之間的線性關系表 表1中：k為反電動勢系數(shù)(V/(r/min))，Pos為電角度信號(rad)，w為轉速信號(rad/s)。根據(jù)轉子位置和轉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。根據(jù)轉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。因而，本文采用分段線性法建立梯形波反電動勢波形。為一個換向階段，每一相的每一個運行階段都可用一段直線進行表示，根據(jù)某一時刻的轉子位置和轉速信號，確定該時刻各相所處的運行狀態(tài)，通過直線方程即可求得反電動勢波形。(3)分段線性法，如圖56所示，將一個運行周期0360176。目前求取反電動勢較常用的三種方法為：(1)有限元法，應用有限元法求得的反電動勢脈動小，精度高，但方法復雜、專業(yè)性強、不易推廣。而BLDC建模過程中，梯形波反電動勢的求取方法一直是較難解決的問題，反電動勢波形不理想會造成轉矩脈動增大、相電流波形不理想等問題，嚴重時會導致?lián)Q向失敗，電機失控。圖53 BLDC控制系統(tǒng)設計框圖圖54 Matlab/Simulink中BLDC仿真建模整體控制框圖5. BLDCM本體模塊在整個控制系統(tǒng)的仿真模型中，BLDCM本體模塊是最重要的部分，該模塊根據(jù)BLDC電壓方程式求取BLDC三相相電流，結構框圖如圖55所示。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、轉矩計算模塊和電壓逆變器模塊。BLDC建模仿真系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案：轉速環(huán)由PID調節(jié)器構成，電流環(huán)由電流滯環(huán)調節(jié)器構成。BLDC的運動方程可表示為： (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)及一個反電動勢e串聯(lián)構成。電角度內，轉子的磁阻不隨轉子位置的變化而變化，并假定三相繞組對稱，則有：La=Lb=Lc=L,Lab=La=Lba=Lbc=Lca=Lcb=M,Ra=Rb=Rc=R。 圖51 A相反電動勢和電流波形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勢(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
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