基于磁链观测器的ROV无传感器推进控制研究.pdf
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1、总第347期1引言集成推进是一种新型的电力推进装置,它将电机转子和螺旋桨叶片集成在一起,消除了推进轴系统。它具有结构紧凑、功率密度高、效率高、振动低、噪声小等优点。由于集成度高、结构复杂,给一体化电机推进装置的设计和制造带来了困难。一体化电机推进具有低噪声的特点,适用于水下安静航行器13。传统的永磁同步电机多采用矢量控制策略,需要准确的转子位置信息来实现速度和电流控制。位置传感器通常是一个旋转变压器或编码器。由于一体化推进电机无轴,传统的机械位置传感器安装困难45。因此,多采用无位置传感器控制,有利于简化驱动器与螺旋桨之间的布线,提高抗电磁干扰能力,提高系统的整体可靠性6。在文献 7 中提出的
2、非线性永磁同步电机模型的观测器中,使用锁相环方法估计转子角速度。该方法具有估计误差为零的局部收敛性,并且难以显示闭环系统的稳定性。有学者提出带一种补偿校正的改进反电势观测器,保证观测器在零速和低速时的有效性89。永磁磁链在运行中相比电阻、电感有着更加稳定的特性,以磁链为基础观测器得到研究人员的关注。文献 10 提出一种利用磁链误差的改进滑模观测器,提高无传感器控制的转速位置观测精度及运行抗干扰能力。也有学者利用全阶的磁链观测器作为模型参考对象,实现对控制对收稿日期:2022年11月15日,修回日期:2022年12月27日作者简介:徐大勇,男,硕士,工程师,研究方向:水下机器人驱动系统。魏海峰,
3、男,博士,教授,研究方向:水下机器人复杂控制。王浩陈,男,硕士,工程师,研究方向:无传感器非线性控制。基于磁链观测器的 ROV 无传感器推进控制研究徐大勇1魏海峰2王浩陈2(1.海军装备部驻南京地区第一军事代表室210006)(2.江苏科技大学自动化学院镇江212100)摘要由于工况恶劣、位置传感器安装有限,水下机器人ROV集成推进系统多采用基于永磁同步电机的无传感器控制。为提高低速稳定性和动态响应速度,提出一种改进磁链观测器。仅依靠测量定子绕组电流和电压,改进观测器在有限时间内将观测误差收敛到零。并采用迭代方法以获得转子速度和负载扭矩估计。仿真实验表明,改进方法比传统方法有着更好的低速控制能
4、力和抗干扰能力。关键词水下机器人;永磁同步电机;无传感器控制;磁链观测器中图分类号TP212DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2023.05.045Research on Sensorless Control of ROV Based on Flux ObserverXU Dayong1WEI Haifeng2WANG Haochen2(1.The First Military Representative of Naval Equipment Department in Nanjing,Nanjing210006)(2.Institute of Automation,
5、Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang212100)AbstractDue to poor working conditions and limited installation of position sensors,the integrated propulsion system of remotely operated vehicle(ROV)mostly adopts sensorless control based on permanent magnet synchronous motor.In order to
6、improvethe low-speed stability and dynamic response speed,an improved flux observer is proposed.Only by measuring the stator windingcurrent and voltage,the improved observer converges the observation error to zero in limited time.And an iterative method is used toobtain rotor speed and load torque e
7、stimates.The simulation results show that the improved method has better low-speed control ability and anti-interference ability than the traditional method.Key WordsROV,permanent magnet synchronous motor,sensorless control,flux observerClass NumberTP212舰 船 电 子 工 程Ship Electronic Engineering总第 347 期
8、2023 年第 5 期Vol.43 No.5222舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期象的更优控制1112。本文提出了一种自适应外部负载的改进观测器,其估计误差在有限时间内全局收敛到零。其分两步构造。在第一步中,设计了一种磁链和位置估计算法。在第二步中,使用位置估计获得转子角速度和负载转矩的观测器。并对改进观测器和传统观测器进行实验对比。2永磁同步电机模型采用经典的两相静止坐标系下的永磁同步电机模型为=J =npiTj-L=u-RiLi=-m cos(np)sin(np)(1)其中,为磁链;i是轴电流矢量;u是轴的电压矢量;L、R分别为定子绕组的电感和电阻;J为转子转动惯量;为转子机械
9、角度;为机械角速度,np为极对数,L为负载转矩;m为本体永磁磁链;j=0-110。唯一测量的信号是定子绕组电流和电压。除了极对数、定子绕组电阻和电感之外,电机参数被认为是未知的。假设外部负载是恒定的,且不考虑摩擦。目标是设计使用电流和电压测量值的观测器,并在有限时间内提供磁通量、角位置、速度和负载扭矩的估计值,例如,当时间tt1以下条件成立:|(t)-(t)=0|(t)-(t)=0|(t)-(t)=0|L(t)-L(t)=0(2)其中,(t)、(t)、(t)和L(t)分别为估算的磁链、转子角度、负载、转子角度。3改进磁链观测器3.1磁链和转子位置观测根据式(1),首先定义一个映射(x)::=(
10、x)=m cos(npx)sin(npx)(3)则有逆映射关系:x=L()=1nparctan12(4)对式(3)的求导有:=u-Ri-Li(5)采用p+(其中,p为微分算子,0)对采样的电压和电流信号进行线性滤波,则滤波公式有:if=p+i,uf=p+u。验证式(3)和(5)的系统的线性回归方程为T(t)=c(t)。其中,(t),c(t)均是可计算的:(t)=uf(t)-Rif(t)-Lif(t)c(t)=f(t)-LT(t)if(t)-L22|if(t)2其中:f(t):=1u(t)-Ri(t)T(t)+L2uf(t)+(L2-R)if(t)Tif(t)根据动态回归扩展和混合方法4,采用了
11、两个线性滤波器,其传递函数为Wi(s)=is+i,其中=i0,i=12。并获得扩展回归模型:C(t)=(t)(t)(6)其中:C(t):=c(t1)c(t2)(t):=T(t1)T(t2)。在动态回归扩展和混合方法的下一个“混合”步骤中,分解原始线性回归模型(6)转化为标量方程组:Yx(t)=D(t)(t)(7)其中:Yx(t):=adj(t)C(t)D(t):=det(t)从式(4)、(5)和(7)可获得磁链观测器方程:(t)=u-Ri+xDYx-(t)-Li)D(8)其中,x为自适应增益(x0),(t)为估算的磁链。应用到文献 6 中,可得到有限时间的磁链估计:(t)=11-(-(0)w-
12、w0t(Ri-u+Ldidt)d)(9)其 中,函 数w计 算 为w=w1w1w10:0tD2d-1xln()(10)223总第347期使用式(9)的磁链估计,可在有限时间内估算除转子位置:(t)=(t)-Li(t)=1nparctan2(t)1(t)(11)3.2角速度和负载转矩观测通过使用上述式(11)中获得的转子位置估算值,再迭代的方法来设计转子速度和负载转矩的观测器。从式(1)中,可导出方程组:Ldidt+Ri-u=-mnpjC =-iTd(t)j-1jL(12)其中,C=cosnpsinnp;d(t)=-mnpjC。同样应用p+形式的线性滤波器并将文献7 中代入到式(12)得到:z=
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