[發明專利]集成式水下推進器驅動系統及控制方法

在審

• 申請號: 201810885323.1
• 申請日: 2018-08-06
• 公開（公告）號: CN108945373A
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發明（設計）人: 曾慶軍;朱春磊;朱志宇;戴曉強;趙強;徐鵬程
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: B63H21/17
• 分類號: B63H21/17;B63H21/21;H02P6/182;H02P6/08;H02P6/10;H02P6/34
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

1.一種集成式水下推進器驅動系統，其特征在于，機械結構包括螺旋槳(1)、磁耦合聯動裝置(2)、行星減速箱(3)、無刷直流電機(4)，無刷直流電機(4)的轉子與行星減速箱(3)的輸入軸相連，行星減速箱(3)將無刷直流電機(4)的輸出轉速按比例3.65:1減小、輸出扭矩按比例1:3.65增大，所述磁耦合聯動裝置(2)的輸入軸與行星減速箱(3)的輸出軸相連，由行星減速箱(3)帶動磁耦合聯動裝置(2)轉動，磁耦合聯動裝置(2)輸出軸與螺旋槳(1)相連，由磁耦合聯動裝置(2)帶動螺旋槳(1)轉動。

2.根據權利要求1所述的集成式水下推進器驅動系統，其特征在于，還包括主控芯片(51)、驅動電路(52)、功率逆變電路(53)、隔離及濾波電路(54)與電壓和電流采樣電路(55)，無刷直流電機(4)通過電壓和電流采樣電路(55)采集到無刷直流電機的電壓和電流值，經過隔離及濾波電路(54)傳輸給主控芯片(51)，由主控芯片(51)將模擬量轉換成數字量并對數字量進行算法處理，將處理后數值傳輸給驅動電路(52)，由驅動電路(52)產生脈沖信號控制功率逆變電路(53)中功率管的開通和關斷，從而達到控制無刷直流電機(4)的目的。

3.根據權利要求2所述的集成式水下推進器驅動系統的控制方法，其特征在于，所述控制方法通過模糊滑模觀測器得到的電機線反電動勢對應為3個虛擬的霍爾位置，對應規則為：若AB相線反電勢>0，則霍爾信號H₁為高電平，否則為低電平；若BC相線反電勢>0，則霍爾信號H₂為高電平，否則為低電平；若CA相線反電勢>0，則霍爾信號H₃為高電平，否則為低電平，根據3個虛擬的霍爾信號獲得6個離散的轉子位置換相點，從而實現正確換相。

4.根據權利要求3所述的集成式水下推進器驅動系統的控制方法，其特征在于，采用PI雙閉環進行控制：外環為轉速環，內環為電流環，轉速環的輸出作為參考電流值，電流檢測模塊檢測到的三相電流，與參考電流值進行數值比較得到電流誤差值，電流控制器利用該電流誤差值，產生占空比δ，并通過脈寬調制模塊產生對應的PWM波，經過與虛擬霍爾信號相應的換相邏輯處理后驅動功率開關，從而調節電機轉速，實現集成式水下推進器無位置傳感器控制，由于無刷直流電機每60°電角度進行一次換相，根據虛擬霍爾信號能夠得到每次換相時間ΔT，因此通過計算可得到電機的速度為

式中:p為電機的極對數；Ω為機械角速度；

由式(1)所得的轉速作為速度反饋信號，從而實現速度閉環控制。

5.根據權利要求3所述的集成式水下推進器驅動系統及控制方法，其特征在于，模糊滑模觀測器設計包括以下步驟：

步驟1：建立集成式水下推進器系統的等效模型，并假設三相繞組對稱；

電機的電壓方程為

i_a+i_b+i_c＝0 (3)

式中：R為定子電阻；L為定子各相繞組的自感；M為定子每兩相繞組間的互感；e_a、e_b、e_c、u_a、u_b、u_c、i_a、i_b、i_c分別為三相繞組的反電勢、定子電壓和定子電流；

根據式(2)、(3)得到集成式水下推進器線電壓模型；

式中：電機的線反電勢e_ab＝e_a-e_b、e_bc＝e_b-e_c；線電壓u_ab＝u_a-u_b、u_bc＝u_b-u_c；相電流差i_ab＝i_a-i_b、i_bc＝i_b-i_c；L₁為等效電感，且L₁＝L-M；

步驟2：采用基于模糊切換增益調節的滑模觀測器控制

利用反電勢法實現無位置傳感器控制時，需要確定反電勢過零點，線反電勢可由式(4)計算得到，然而，由于電流微分項的存在，必然會增大線反電勢的計算誤差，因而，先采用滑模觀測器的方法對線反電勢進行閉環觀測，避免了微分項對計算誤差放大，再采用模糊規則設計保證滑模增益值足以消除不確定項的影響，從而提高了線反電勢的估計精度，降低抖振；

步驟3：計算集成式水下推進器狀態方程

將式(3)中的定子兩相相電流差和線反電動勢作為系統的狀態變量，將線電壓和相電流差分別作為系統的輸入和輸出，則可得無刷直流電機狀態方程：

輸出方程為

y＝C[i e]^T＝i (6)

式中：i＝[i_ab i_bc]^T；e＝[e_ab e_bc]^T；u＝[u_ab u_bc]^T；

A₁＝-RI/L₁；A₂＝-I/L₁；B＝I/L₁；C＝[I 0]；

步驟4：選擇滑模面

式中為相電流差的估計值；

步驟5：新型線反電勢滑模觀測器的設計

根據電機的狀態方程，可建立如下的滑模觀測器：

式中：和均為滑模增益矩陣；為線反電動勢觀測值，sgn(.)為符號函數；

符號函數的不連續特性容易造成系統的抖振現象，因此，將用一種具有光滑連續特性的雙曲正切函數代替，雙曲正切函數表示為

新型滑模觀測器如下：

式中

將式(10)減去式(5)，可得觀測器的誤差方程為

式中分別為電流和線反電動勢的觀測誤差；

由于觀測器能夠進入滑動模態的條件為取基于滑模面的Lyapunov方程如下：

對式(12)求導，并將式(11)代入，得

由于|h(x)|≤1，h(x)與x符號一致，且A₁負定，則E_iA₁E_i≤0恒成立，為使根據不等式的性質，只需下式成立即可：

由式(14)式可得，滿足即觀測器能進入滑動模態的條件

根據滑模控制理論，當系統的狀態進入滑動模態時，有如下關系成立：

根據式(11)和式(16)得

取Lyapunov方程如下：

對式(18)求導，并將式(17)代入，得

由上式可得，滿足即電機線反電動勢誤差收斂到0的條件為

步驟6：模糊規則設計

滑模存在的條件為當系統到達滑模面后，將會保持在滑模面上；由式(10)可見為保證系統運動得以達到滑模面的增益，其值必須足以消除不確定項的影響，才能保證滑模存在條件成立，然而由于系統是時變的，則為了降低抖振也應該是時變的，可采用模糊規則，實現的變化；

模糊規則如下：

如果則應增大 (21)

如果則應減小 (22)

由式(21)和式(22)可設計關于和之間關系的模糊系統，在該系統中，為輸入，ΔK為輸出。系統輸入/輸出的模糊集分別定義如下：

ΔK＝{NB NM ZO PM PB}

其中，NB為負大，NM為負中，ZO為零，PM為正中，PB為正大；

模糊規則設計如下：

如果為PB則ΔK為PB

如果為PM則ΔK為PM

如果為ZO則ΔK為ZO

如果為NM則ΔK為NM

如果為NB則ΔK為NB

采用積分的方法對的上界進行估計：

其中，G₂為比例系數；

用代替式(10)的K，則觀測器變為