水下航行器低速无刷直流电机调速控制_查竞舟.pdf
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1、水下航行器低速无刷直流电机调速控制水下航行器低速无刷直流电机调速控制查竞舟,张华(南昌航空大学科技学院信息电子学部,江西共青城332020)摘 要:以提升水下航行器低速无刷直流电机调速控制技术水平为目的,提出水下航行器低速无刷直流电机调速控制方法。通过水下航行器低速无刷直流电机数学模型,利用该数学模型输出低速无刷直流电机数学模型调速控制参数,然后设计模糊 PID 控制参数,利用麻雀搜索算法整定该模糊 PID 控制参数,通过调节输入值和实际反馈值的偏差,实现水下航行器低速无刷直流电机调速控制。实验结果表明,该方法计算水下航行器低速无刷直流电机电磁功率数值与实际值差值较小,对模糊 PID 控制参数
2、整定能力较强,并可有效控制水下航行器低速无刷直流电机调速,且响应迅速超调量小,应用效果较佳。关键词:水下航行器;调速控制;PID;麻雀搜索算法;直流电机中图分类号:TM33文献标识码:A文章编号:16727649(2023)12006904doi:10.3404/j.issn.16727619.2023.12.013Speed control of low speed brushless dc motor for underwater vehiclesZHAJing-zhou,ZHANGHua(DepartmentofInformationandElectronics,ScienceandTe
3、chnologyCollegeofNCHU,Gongqingcheng332020,China)Abstract:Inordertoimprovethespeedcontroltechnologyleveloflow-speedbrushlessDCmotorforunderwatervehicle,aspeedcontrolmethodoflow-speedbrushlessDCmotorforunderwatervehicleisproposed.Throughthemathem-aticalmodeloflow-speedbrushlessDCmotorofunderwatervehic
4、le,thespeedcontrolparametersofthemathematicalmod-eloflow-speedbrushlessDCmotorareoutputbythismathematicalmodel,andthenthefuzzyPIDcontrolparametersaredesigned,andthefuzzyPIDcontrolparametersareadjustedbysparrowsearchalgorithm.Byadjustingthedeviationbetweentheinputvalueandtheactualfeedbackvalue,thespe
5、edcontroloflow-speedbrushlessDCmotorofunderwatervehicleisrealized.Theexperimentalresultsshowthatthedifferencebetweenthenumericalvalueandtheactualvalueoftheelectro-magneticpowerofthelow-speedbrushlessDCmotorofunderwatervehiclecalculatedbythismethodissmall,andthefuzzyPIDcontrolparametersettingabilityi
6、sstrong,andthespeedofthelow-speedbrushlessDCmotorofunderwatervehiclecanbeeffectivelycontrolled,withrapidresponseandsmallovershoot,andtheapplicationeffectisgood.Key words:underwatervehicle;speedcontrol;mathematicalmodel;PIDcontroller;sparrowsearchalgorithm0引言水下航行器的动力推进装置由低速无刷电机组成,低速无刷电机在适应水下航行器螺旋桨负载特
7、征的同时,其高效率工作范围也较宽12。水下航行器低速无刷电机的推进方式为 2 个螺旋桨互为反方向旋转产生推力而前进。但在不同水域以及航行任务需求情况下,需要对水下航行器低速无刷电机速度进行调整3,以满足航行需求。目前有很多学者研究低速无刷电机调速控制方法,仲伟正等4提出直流无刷电机驱动系统调速方法,通过计算不同调制方法情况下低速无刷电机换相转矩脉动,以其为基础设计调速控制策略,将该策略写入复杂可编程逻辑器件内,通过启动复杂可编程逻辑器件实现低速无刷直流电机调速控制。徐会风等5提出零矢量的二三导通无刷直流电机调速控制方法,利用二三导通的驱动方式,将低速无刷直流电机转矩划分为 12 个分区,再利用
8、零矢量控制低速无刷直流电机调速。上述 2 种方法虽可实现低速无刷直流电机调速控制,但二者均存在调速控制精度不足和反应时间过长问题。为此本文提出水下航行器低速无刷直流电机调速控制方法,提升水下航行器航行速度控制水平。第 45卷第12期舰船科学技术Vol.45,No.122023年6月SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYJun.,2023收稿日期:20230304基金项目:江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ218705)作者简介:查竞舟(1985),男,硕士,讲师,研究方向为电机与电器及电机控制。1低速无刷直流电机调速控制方法 1.1 水下航行器低速无刷直流电机数学模型构建以水下航行
9、器低速无刷直流电机相变量为基础,建立数学模型,该模型在构建前,设置模型假设条件为:1)水下航行器低速无刷直流电机的三相绕组为对称状态,且每个绕组的电阻、互感等参数均相同6。2)低速无刷直流电机控制开关均为正常状态。3)忽略低速无刷直流电机齿槽效应、磁芯饱和、涡轮损耗等7。4)低速无刷直流电机的反电动势为平顶,且呈梯形波状态分布。ddtuAuBuCtiAiBiC以上述水下航行器低速无刷直流电机特性为基础,构建低速无刷直流电机电压方程。令表示整体记号,分别表示三相绕组电压,表示自变量,分别表示三相绕组电流;低速无刷直流电机电压方程表达公式如下:|uAuBuC|=|RA000RB000RC|iAiB
10、iC|+ddt|QAQABQACQBAQBQBCQCAQCBQC|iAiBiC|+|gAgBgC|+|ununun|。(1)QAQBQCRARBRCQAQABQACQBAQBQBCQCAQCBQCgAgBgCun式中:,分别表示低速无刷直流电机定子三相绕组电感;,分别表示低速无刷直流电机定子三相电阻数值;,均表示低速无刷直流电机定子三相绕组之间的互感;,分别表示低速无刷直流电机定子三相绕组的反电动势;表示低速无刷直流电机绕组中心电压。RQM当水下航行器低速无刷直流电机满足假设条件时8,绕组之间的互感、电流等均相同,利用,分别表示水下航行器低速无刷直流电机三相绕组的电阻、互感和不同相之间的互感,
11、则式(1)可改写为:|uAuBuC|=|R000R000R|iAiBiC|+ddt|QM000QM000QM|iAiBiC|+|gAgBgC|+|ununun|。(2)gagbgc令,分别表示反电动势,当水下航行器低速无刷直流电机在运转时,其电源主要吸收电磁功率、铜和铁的消耗,但其中铜和铁的消耗占比极少,在忽略铜和铁的消耗的情况下,水下航行器低速无刷直流电机电磁功率计算公式如下:Pe=(gaia+gbib+gcic)uAuBuC。(3)Peiaibic式中:为水下航行器低速无刷直流电机电磁功率;,分别为三相绕组的相电流。Jhe假设 表示转动惯量,表示转子动能,当水下航行器低速无刷直流电机在运转
12、时,构建水下航行器低速无刷直流电机数学模型,表达公式如下:MX=he+hL+ddtJ+BvPe。(4)hLBv式中:为负载转矩;为机械角速度;为粘滞摩擦因数。基于水下航行器低速无刷直流电机数学模型进行具体的控制方法优化,设计模糊 PID 控制参数。1.2 模糊 PID 控制参数设计模糊 PID 控制参数是传统 PID 控制参数与模糊控制参数相结合的一种控制参数,能够在保证控制稳定性的前提下,解决控制过程中的误差、鲁棒性等问题。利用 PID 控制参数控制水下航行器低速无刷直流电机调速时,需要检测并获取该电机的转速和电流误差,同时需要记录误差值的变化率,以便进行控制参数调整并保证控制的精度和稳定性
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