CN108945373A - 集成式水下推进器驱动系统及控制方法 - Google Patents

集成式水下推进器驱动系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成式水下推进器驱动系统及控制方法，实现了集成式水下推进器无位置传感器控制。本发明提出一种基于模糊切换增益调节的线反电势滑模观测器，该观测器采用一种光滑的双曲正切函数，并采用模糊规则实现增益值的变化，从而降低系统的抖振，使得控制系统不必外加低通滤波器和相位补偿模块就可以获得平滑的线反电势估计值，进而避免了反电势估计值的相位滞后。将得到的线反电势估计值对应为3个虚拟霍尔信号，直接获得6个离散的换相信号，无需固定相移电路和相移角的计算。本发明通过估计水下推进器内载的无刷直流电机的线反电势，从而实现集成式水下推进器无位置传感器控制。

Description

集成式水下推进器驱动系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种集成式水下推进器，尤其涉及一种集成式水下推进器驱动系统和控制方法，属于水下推进器驱动控制技术领域。
背景技术
电力推进系统由于其高效率、高可靠性、高自动化以及低维护等优点，正成为新世纪水上水下航行器动力发展的新方向。随着电力推进装置的发展，一种新型推进装置应运而生，即集成式水下推进器，这种推进器把电机、减速箱和螺旋桨等集成到一起，从而减小了设备体积，降低了运行噪声，工作效率和可靠性都得到提升。可以作为鱼雷、水下机器人的推进装置。也可以作为潜艇应急推进装置。
近年来无刷直流电机以其功率密度大、效率高，响应速度快、结构简单、运行可靠、控制性能好等优点，得到了越来越广泛的应用，也成为水下推进器的首选类型。无刷直流电机的基本构成包括：电机本体、电子换相电路和转子位置传感器三大部分。电机本体主要由定子和转子组成。电子换相电路一般由驱动部分和控制部分组成。转子位置传感器是用于检测电机转子相对于定子的位置，并向控制器提供位置信号的一种装置，是无刷直流电动机的关键部件之一。
然而，转子位置传感器作为无刷直流电机故障发生概率最高的部件，不仅降低了无刷直流电机的可靠性，增加了电机的成本，还增大了电机的体积。因此，无位置传感器的无刷直流电机及其控制技术成为了近些年研究的热点，其中反电势法是目前应用最广泛的无刷直流电机无位置传感器控制方法。基于滑模观测器的反电势法是一种具有算法简单、鲁棒性好的非线性观测器方法，在一定程度上解决了系统参数变化、扰动等带来的影响。然而由于其离散的开关特性容易导致系统的抖振现象。申请号为“201610631269.9”的专利文献公开了“一种基于滑模观测器的无速度传感器控制方法”，但所采用的观测器状态在滑模面附近呈现出固有的抖振现象，使得估计结果在实际值上下振荡，对估计精度产生直接影响。申请号为“201710118553.0”的专利文献公开了“一种永磁同步电机无传感器滑模控制系统及方法”，但所采用的幂级数型饱和函数算法计算时间较长，不利于工程硬件的实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成式水下推进器驱动系统和控制方法，提供了一套硬件电路和软件算法。为实现集成式水下推进器无位置传感器控制，本发明提出一种新型的反电势模糊滑模观测器，为减少集成式水下推进系统的抖振，该观测器引入了一种双曲正切函数，使得系统不必外加低通滤波器和相位补偿模块就可以获得平滑的线反电动势估计值，进而避免了反电势估计值的相位滞后等问题。本发明将估计得到的线反电动势信号对应为3个虚拟霍尔信号，直接获得6个离散的换相信号，从而无需对相移电路和相移角进行计算。
本发明的目的通过以下技术措施实现：
一种集成式水下推进器驱动系统，包括螺旋桨1、磁耦合联动装置2、行星减速箱3、无刷直流电机4，无刷直流电机4的转子与行星减速箱3的输入轴相连，行星减速箱3将无刷直流电机4的输出转速按比例3.65:1减小、输出扭矩按比例1:3.65增大，所述磁耦合联动装置2的输入轴与行星减速箱3的输出轴相连，由行星减速箱3带动磁耦合联动装置2转动，磁耦合联动装置2输出轴与螺旋桨1相连，由磁耦合联动装置2带动螺旋桨1转动。
本发明的目的还可以通过以下技术措施进一步实现：
前述集成式水下推进器驱动系统，硬件电路包括主控芯片51、驱动电路52、功率逆变电路53、隔离及滤波电路54与电压和电流采样电路55，无刷直流电机4通过电压和电流采样电路55采集到无刷直流电机的电压和电流值，经过隔离及滤波电路54传输给主控芯片51，由主控芯片51将模拟量转换成数字量并对数字量进行算法处理，将处理后数值传输给驱动电路52，由驱动电路52产生脉冲信号控制功率逆变电路53中功率管的开通和关断，从而达到控制无刷直流电机4的目的。
前述集成式水下推进器驱动系统的控制方法，通过模糊滑模观测器得到的电机线反电动势对应为3个虚拟的霍尔位置，对应规则为：若AB相线反电势>0，则霍尔信号H1为高电平，否则为低电平；若BC相线反电势>0，则霍尔信号H2为高电平，否则为低电平；若CA相线反电势>0，则霍尔信号H3为高电平，否则为低电平，根据3个虚拟的霍尔信号获得6个离散的转子位置换相点，从而实现正确换相。
前述集成式水下推进器驱动系统的控制方法，采用PI双闭环进行控制：外环为转速环，内环为电流环，转速环的输出作为参考电流值，电流检测模块检测到的三相电流，与参考电流值进行数值比较得到电流误差值，电流控制器利用该电流误差值，产生占空比δ，并通过脉宽调制模块产生对应的PWM波，经过与虚拟霍尔信号相应的换相逻辑处理后驱动功率开关，从而调节电机转速，实现集成式水下推进器无位置传感器控制，同时，由于无刷直流电机每60°电角度进行一次换相，根据虚拟霍尔信号能够得到每次换相时间ΔT，因此通过计算可得到电机的速度为
式中:p为电机的极对数；Ω为机械角速度；
由式(1)所得的转速作为速度反馈信号，从而实现速度闭环控制。
前述集成式水下推进器驱动系统的控制方法，滑模观测器设计包括以下步骤；
步骤1：建立集成式水下推进器系统的等效模型，并假设三相绕组对称；
电机的电压方程为
ia+ib+ic＝0 (3)
式中：R为定子电阻；L为定子各相绕组的自感；M为定子每两相绕组间的互感；ea、eb、ec、ua、ub、uc、ia、ib、ic分别为三相绕组的反电势、定子电压和定子电流；
根据式(2)、(3)得到集成式水下推进器线电压模型；
式中：电机的线反电势eab＝ea-eb、ebc＝eb-ec；线电压uab＝ua-ub、ubc＝ub-uc；相电流差iab＝ia-ib、ibc＝ib-ic；L1为等效电感，且L1＝L-M；
步骤2：采用基于模糊切换增益调节的滑模观测器控制
利用反电势法实现无位置传感器控制时，需要确定反电势过零点，线反电势由式(4)计算得到，由于电流微分项的存在，必然会增大线反电势的计算误差，因而，先采用滑模观测器的方法对线反电势进行闭环观测，避免了微分项对计算误差放大，再采用模糊规则设计保证滑模增益值足以消除不确定项的影响，从而提高了线反电势的估计精度，降低抖振；
步骤3：计算集成式水下推进器状态方程
将式(3)中的定子两相相电流差和线反电动势作为系统的状态变量，将线电压和相电流差分别作为系统的输入和输出，则可得无刷直流电机状态方程：
输出方程为
y＝C[i e]T＝i (6)
式中：i＝[iab ibc]T；e＝[eab ebc]T；u＝[uab ubc]T；
A1＝-RI/L1；A2＝-I/L1；B＝I/L1；
步骤4：选择滑模面
式中为相电流差的估计值；
步骤5：新型线反电势滑模观测器的设计
根据电机的状态方程，可建立如下的滑模观测器：
式中：和均为滑模增益矩阵；为线反电动势观测值，sgn(.)为符号函数；
符号函数的不连续特性容易造成系统的抖振现象，因此，用具有光滑连续特性的双曲正切函数代替，双曲正切函数表示为
新型滑模观测器如下：
式中
将式(10)减去式(5)，可得观测器的误差方程为
式中分别为电流和线反电动势的观测误差；
由于观测器能够进入滑动模态的条件为取基于滑模面的Lyapunov方程如下：
对式(12)求导，并将式(11)代入，得
由于|h(x)|≤1，h(x)与x符号一致，且A1负定，则EiA1Ei≤0恒成立，为使根据不等式的性质，只需下式成立即可：
由式(14)式可得，满足即观测器能进入滑动模态的条件
根据滑模控制理论，当系统的状态进入滑动模态时，有如下关系成立：
根据式(11)和式(16)得
取Lyapunov方程如下：
对式(18)求导，并将式(17)代入，得
由上式可得，满足即电机线反电动势误差收敛到0的条件为
步骤6：模糊规则设计
滑模存在的条件为当系统到达滑模面后，将会保持在滑模面上；由式(10)可见为保证系统运动得以达到滑模面的增益，其值必须足以消除不确定项的影响，才能保证滑模存在条件成立，然而由于系统是时变的，则为了降低抖振也是时变的，采用模糊规则，实现的变化；
模糊规则如下：
如果则应增大 (21)
如果则应减小 (22)
由式(21)和式(22)可设计关于和之间关系的模糊系统，在该系统中，为输入，ΔK为输出。系统输入/输出的模糊集分别定义如下：
ΔK＝{NB NM ZO PM PB}
其中，NB为负大，NM为负中，ZO为零，PM为正中，PB为正大；
模糊规则设计如下：
如果为PB则ΔK为PB
如果为PM则ΔK为PM
如果为ZO则ΔK为ZO
如果为NM则ΔK为NM
如果为NB则ΔK为NB
采用积分的方法对的上界进行估计：
其中，G2为比例系数；
用代替式(10)的K，则观测器变为
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.与现有的水下推进器相比较，本发明采用磁耦合密封技术，将动密封转换为静密封，密封性能更加可靠。内载电机采用无刷直流电机，采用无位置传感器驱动方式，不受水下潮湿环境以及磁场等干扰的影响。
2.本发明将新型的滑模观测器的反电动势法应用于集成式水下推进器无位置传感器控制中，实现了水下推进器驱动控制。
3.反电势法应用于电机控制中及易出现抖振问题，本发明为解决抖振问题，将基于模糊切换增益调节的滑模观测器控制应用于反电势估计中，将线反电动势信号对应为3个虚拟霍尔信号，实现水下推进器驱动。
4.本发明采用单片机作为主控芯片，通过内置程序实现速度、电流双闭环控制，大大简化了电路的复杂性，提升了系统的稳定性，同时易于功能的扩展。
附图说明
图1是集成式水下推进器三维结构模型；
图2是集成式水下推进器系统控制框图；
图3是集成式水下推进器控制系统流程图；
图4是集成式水下推进器系统的等效模型；
图5是基于模糊切换增益调节的滑模观测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，集成式水下推进器驱动系统中，机械结构包括螺旋桨1、磁耦合联动装置2、行星减速箱3、无刷直流电机4，无刷直流电机4的转子与行星减速箱3的输入轴相连，行星减速箱3将无刷直流电机4的输出转速按比例3.65:1减小、输出扭矩按比例1:3.65增大，所述磁耦合联动装置2的输入轴与行星减速箱3的输出轴相连，由行星减速箱3带动磁耦合联动装置2转动，磁耦合联动装置2输出轴与螺旋桨1相连，由磁耦合联动装置2带动螺旋桨1转动。
如图2所示，集成式水下推进器驱动系统中，硬件电路包括主控芯片51、驱动电路52、功率逆变电路53、隔离及滤波电路54与电压和电流采样电路55，无刷直流电机4通过电压和电流采样电路55采集到无刷直流电机的电压和电流值，经过隔离及滤波电路54传输给主控芯片51，由主控芯片51将模拟量转换成数字量并对数字量进行算法处理，将处理后数值传输给驱动电路52，由驱动电路52产生脉冲信号控制功率逆变电路53中功率管的开通和关断，从而达到控制无刷直流电机4的目的。
如图3所示，在集成式水下推进器驱动系统的控制方法中，本发明通过模糊滑模观测器得到的电机线反电动势对应为3个虚拟的霍尔位置，对应规则为：若AB相线反电势>0，则霍尔信号H1为高电平，否则为低电平；若BC相线反电势>0，则霍尔信号H2为高电平，否则为低电平；若CA相线反电势>0，则霍尔信号H3为高电平，否则为低电平)，根据3个虚拟的霍尔信号获得6个离散的转子位置换相点，从而实现正确换相。
如图3所示，在集成式水下推进器驱动系统及控制方法中，采用PI双闭环进行控制：外环为转速环，内环为电流环，转速环的输出作为参考电流值，电流检测模块检测到的三相电流，与参考电流值进行数值比较得到电流误差值，电流控制器利用该电流误差值，产生占空比δ，并通过脉宽调制模块产生对应的PWM波，经过与虚拟霍尔信号相应的换相逻辑处理后驱动功率开关，从而调节电机转速，实现集成式水下推进器无位置传感器控制，同时，由于无刷直流电机每60°电角度进行一次换相，根据虚拟霍尔信号能够得到每次换相时间ΔT，因此通过计算可得到电机的速度为
式中:p为电机的极对数；Ω为机械角速度；
由式(1)所得的转速作为速度反馈信号，从而实现速度闭环控制。
在集成式水下推进器驱动系统及控制方法中，滑模观测器设计包括以下步骤；
步骤1：如图4所示建立集成式水下推进器系统的等效模型，并假设三相绕组对称；
电机的电压方程为
ia+ib+ic＝0 (3)
式中：R为定子电阻；L为定子各相绕组的自感；M为定子每两相绕组间的互感；ea、eb、ec、ua、ub、uc、ia、ib、ic分别为三相绕组的反电势、定子电压和定子电流；
根据式(2)、(3)得到集成式水下推进器线电压模型；
式中：电机的线反电势eab＝ea-eb、ebc＝eb-ec；线电压uab＝ua-ub、ubc＝ub-uc；相电流差iab＝ia-ib、ibc＝ib-ic；L1为等效电感，且L1＝L-M；
步骤2：采用如图5所示的基于模糊切换增益调节的滑模观测器控制
利用反电势法实现无位置传感器控制时，需要确定反电势过零点，线反电势可由式(4)计算得到，然而，由于电流微分项的存在，必然会增大线反电势的计算误差，因而，先采用滑模观测器的方法对线反电势进行闭环观测，避免了微分项对计算误差放大，再采用模糊规则设计保证滑模增益值足以消除不确定项的影响，从而提高了线反电势的估计精度，降低抖振；
步骤3：计算集成式水下推进器状态方程
将式(3)中的定子两相相电流差和线反电动势作为系统的状态变量，将线电压和相电流差分别作为系统的输入和输出，则可得无刷直流电机状态方程：
输出方程为
y＝C[i e]T＝i (6)
式中：i＝[iab ibc]T；e＝[eab ebc]T；u＝[uab ubc]T；
A1＝-RI/L1；A2＝-I/L1；B＝I/L1；
步骤4：选择滑模面
式中为相电流差的估计值；
步骤5：新型线反电势滑模观测器的设计
根据电机的状态方程，可建立如下的滑模观测器：
式中：和均为滑模增益矩阵；为线反电动势观测值，sgn(.)为符号函数；
符号函数的不连续特性容易造成系统的抖振现象，因此，用具有光滑连续特性的双曲正切函数代替，双曲正切函数表示为
新型滑模观测器如下：
式中
将式(10)减去式(5)，可得观测器的误差方程为
式中分别为电流和线反电动势的观测误差；
由于观测器能够进入滑动模态的条件为取基于滑模面的Lyapunov方程如下：
对式(12)求导，并将式(11)代入，得
由于|h(x)|≤1，h(x)与x符号一致，且A1负定，则EiA1Ei≤0恒成立，为使根据不等式的性质，只需下式成立即可：
由式(14)式可得，满足即观测器能进入滑动模态的条件
根据滑模控制理论，当系统的状态进入滑动模态时，有如下关系成立：
根据式(11)和式(16)得
取Lyapunov方程如下：
对式(18)求导，并将式(17)代入，得
由上式可得，满足即电机线反电动势误差收敛到0的条件为
步骤6：模糊规则设计
滑模存在的条件为当系统到达滑模面后，将会保持在滑模面上；由式(10)可见为保证系统运动得以达到滑模面的增益，其值必须足以消除不确定项的影响，才能保证滑模存在条件成立，然而由于系统是时变的，则为了降低抖振也应该是时变的，可采用模糊规则，实现的变化；
模糊规则如下：
如果则应增大(21)
如果则应减小(22)
由式(21)和式(22)可设计关于和之间关系的模糊系统，在该系统中，为输入，ΔK为输出。系统输入/输出的模糊集分别定义如下：
ΔK＝{NB NM ZO PM PB}
其中，NB为负大，NM为负中，ZO为零，PM为正中，PB为正大；
模糊控制规则如下表所示：
模糊规则设计如下：
如果为PB则ΔK为PB
如果为PM则ΔK为PM
如果为ZO则ΔK为ZO
如果为NM则ΔK为NM
如果为NB则ΔK为NB
采用积分的方法对的上界进行估计：
其中，G2为比例系数，G2取值为25；
用代替式(10)的K，则观测器变为
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种集成式水下推进器驱动系统，其特征在于，机械结构包括螺旋桨(1)、磁耦合联动装置(2)、行星减速箱(3)、无刷直流电机(4)，无刷直流电机(4)的转子与行星减速箱(3)的输入轴相连，行星减速箱(3)将无刷直流电机(4)的输出转速按比例3.65:1减小、输出扭矩按比例1:3.65增大，所述磁耦合联动装置(2)的输入轴与行星减速箱(3)的输出轴相连，由行星减速箱(3)带动磁耦合联动装置(2)转动，磁耦合联动装置(2)输出轴与螺旋桨(1)相连，由磁耦合联动装置(2)带动螺旋桨(1)转动。
2.根据权利要求1所述的集成式水下推进器驱动系统，其特征在于，还包括主控芯片(51)、驱动电路(52)、功率逆变电路(53)、隔离及滤波电路(54)与电压和电流采样电路(55)，无刷直流电机(4)通过电压和电流采样电路(55)采集到无刷直流电机的电压和电流值，经过隔离及滤波电路(54)传输给主控芯片(51)，由主控芯片(51)将模拟量转换成数字量并对数字量进行算法处理，将处理后数值传输给驱动电路(52)，由驱动电路(52)产生脉冲信号控制功率逆变电路(53)中功率管的开通和关断，从而达到控制无刷直流电机(4)的目的。
3.根据权利要求2所述的集成式水下推进器驱动系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法通过模糊滑模观测器得到的电机线反电动势对应为3个虚拟的霍尔位置，对应规则为：若AB相线反电势>0，则霍尔信号H1为高电平，否则为低电平；若BC相线反电势>0，则霍尔信号H2为高电平，否则为低电平；若CA相线反电势>0，则霍尔信号H3为高电平，否则为低电平，根据3个虚拟的霍尔信号获得6个离散的转子位置换相点，从而实现正确换相。
4.根据权利要求3所述的集成式水下推进器驱动系统的控制方法，其特征在于，采用PI双闭环进行控制：外环为转速环，内环为电流环，转速环的输出作为参考电流值，电流检测模块检测到的三相电流，与参考电流值进行数值比较得到电流误差值，电流控制器利用该电流误差值，产生占空比δ，并通过脉宽调制模块产生对应的PWM波，经过与虚拟霍尔信号相应的换相逻辑处理后驱动功率开关，从而调节电机转速，实现集成式水下推进器无位置传感器控制，由于无刷直流电机每60°电角度进行一次换相，根据虚拟霍尔信号能够得到每次换相时间ΔT，因此通过计算可得到电机的速度为
式中:p为电机的极对数；Ω为机械角速度；
由式(1)所得的转速作为速度反馈信号，从而实现速度闭环控制。
5.根据权利要求3所述的集成式水下推进器驱动系统及控制方法，其特征在于，模糊滑模观测器设计包括以下步骤：
步骤1：建立集成式水下推进器系统的等效模型，并假设三相绕组对称；
电机的电压方程为
ia+ib+ic＝0 (3)
式中：R为定子电阻；L为定子各相绕组的自感；M为定子每两相绕组间的互感；ea、eb、ec、ua、ub、uc、ia、ib、ic分别为三相绕组的反电势、定子电压和定子电流；
根据式(2)、(3)得到集成式水下推进器线电压模型；
式中：电机的线反电势eab＝ea-eb、ebc＝eb-ec；线电压uab＝ua-ub、ubc＝ub-uc；相电流差iab＝ia-ib、ibc＝ib-ic；L1为等效电感，且L1＝L-M；
步骤2：采用基于模糊切换增益调节的滑模观测器控制
利用反电势法实现无位置传感器控制时，需要确定反电势过零点，线反电势可由式(4)计算得到，然而，由于电流微分项的存在，必然会增大线反电势的计算误差，因而，先采用滑模观测器的方法对线反电势进行闭环观测，避免了微分项对计算误差放大，再采用模糊规则设计保证滑模增益值足以消除不确定项的影响，从而提高了线反电势的估计精度，降低抖振；
步骤3：计算集成式水下推进器状态方程
将式(3)中的定子两相相电流差和线反电动势作为系统的状态变量，将线电压和相电流差分别作为系统的输入和输出，则可得无刷直流电机状态方程：
输出方程为
y＝C[i e]T＝i (6)
式中：i＝[iab ibc]T；e＝[eab ebc]T；u＝[uab ubc]T；
A1＝-RI/L1；A2＝-I/L1；B＝I/L1；C＝[I 0]；
步骤4：选择滑模面
式中为相电流差的估计值；
步骤5：新型线反电势滑模观测器的设计
根据电机的状态方程，可建立如下的滑模观测器：
式中：和均为滑模增益矩阵；为线反电动势观测值，sgn(.)为符号函数；
符号函数的不连续特性容易造成系统的抖振现象，因此，将用一种具有光滑连续特性的双曲正切函数代替，双曲正切函数表示为
新型滑模观测器如下：
式中
将式(10)减去式(5)，可得观测器的误差方程为
式中分别为电流和线反电动势的观测误差；
由于观测器能够进入滑动模态的条件为取基于滑模面的Lyapunov方程如下：
对式(12)求导，并将式(11)代入，得
由于|h(x)|≤1，h(x)与x符号一致，且A1负定，则EiA1Ei≤0恒成立，为使根据不等式的性质，只需下式成立即可：
由式(14)式可得，满足即观测器能进入滑动模态的条件
根据滑模控制理论，当系统的状态进入滑动模态时，有如下关系成立：
根据式(11)和式(16)得
取Lyapunov方程如下：
对式(18)求导，并将式(17)代入，得
由上式可得，满足即电机线反电动势误差收敛到0的条件为
步骤6：模糊规则设计
滑模存在的条件为当系统到达滑模面后，将会保持在滑模面上；由式(10)可见为保证系统运动得以达到滑模面的增益，其值必须足以消除不确定项的影响，才能保证滑模存在条件成立，然而由于系统是时变的，则为了降低抖振也应该是时变的，可采用模糊规则，实现的变化；
模糊规则如下：
如果则应增大 (21)
如果则应减小 (22)
由式(21)和式(22)可设计关于和之间关系的模糊系统，在该系统中，为输入，ΔK为输出。系统输入/输出的模糊集分别定义如下：
ΔK＝{NB NM ZO PM PB}
其中，NB为负大，NM为负中，ZO为零，PM为正中，PB为正大；
模糊规则设计如下：
如果为PB则ΔK为PB
如果为PM则ΔK为PM
如果为ZO则ΔK为ZO
如果为NM则ΔK为NM
如果为NB则ΔK为NB
采用积分的方法对的上界进行估计：
其中，G2为比例系数；
用代替式(10)的K，则观测器变为
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