水下无人系统学报
Journal of Unmanned Undersea Systems
2024年第4期
基于无位置变载波频率的深海矢量推进电机控制方法
署名作者：
黄小燕, 刘亚兵, 谷宇杰, 张强, 王元奎
作者单位：
中国船舶集团有限公司 第七〇五研究所昆明分部, 云南 昆明, 650101
摘要
为了提高矢量推进电机在深海探索中的稳定性与隐身性, 文中以表贴式永磁同步电机为基础, 结合周期扩频调制技术和改进型滑模观测器无位置控制技术, 提出了基于无位置变载波频率的深海矢量推进电机控制方法。通过电机变载波频率、电机起动变速和负载突变仿真实验, 验证所提控制方法的控制效果, 结果表明所研究控制方法转速估算准确, 对转速有良好的动态跟踪性能, 额定转速工况下转速估算误差率仅为0.32%, 0.5倍额定转速工况下转速估算误差率仅为0.09%, 且具有明显的高频谐波扩频抑制效果和良好的动态抗干扰性能。结合减少位置传感器带来的电机结构简化效果, 文中提出的控制方法可有效降低深海矢量推进电机作业时的故障率, 减少易被探测的高次固定频率谐波, 提高了深海矢量推进电机的可靠性与隐身性, 为深海UUV提供高效可靠的动力保障。
引言
深海探测是人类探索未知领域的重要任务之一, 深海矢量推进电机作为深海航行器的关键动力装置, 在深海探测中扮演着重要的角色。然而, 深海环境的特殊性及深海矢量推进电机外置式的结构给电机设计及控制带来了巨大的挑战。为了提高深海矢量推进电机的可靠性和隐身性, 基于无位置变载波频率的电机控制方法被提出并得到了广泛的关注[1]。
相较于传统电机控制方法, 深海矢量推进电机的无位置控制方法不依赖位置传感器, 可以简化电机的结构设计, 降低故障率, 在高压、低温及高盐的深海环境中增强推进电机的水密性与可靠性, 减少系统的复杂度和成本, 满足深海环境中的控制需求。适用于高速的无位置控制方法通常借助电机反电动势信号对电机转子磁极的位置进行估算, 目前常见的方法有: 定子磁链法[2]、模型参考法[3]和基于状态观测器[4]的估算方法等。其中, 状态观测器法具有鲁棒性强、稳定性高和动态性能好等特点, 在高性能系统中得到广泛运用。滑模观测器(sliding mode observer, SMO)法作为状态观测器法的一种, 其运算性能要求低, 具有较强的抗扰动性。虽然传统的滑模控制存在“抖振”现象[5], 但近年来众多研究者提出了多种改进方法[6-8]对这一现象进行优化。
变载波频率调制方法可以降低因固定载波频率调制产生的电流谐波与边带谐波电压[9], 从而有效减少电机电磁振动、额外损耗和高频电磁噪声, 提高深海矢量推进电机系统的隐身性能。常见的变载波调制方法有随机载波频率与周期载波频率调制方法。随机载波频率调制可通过随机函数使特定频率带的谐波分散到更大的频率范围, 降低谐波含量[10]; 周期载波频率调制可选择三角波函数、方波函数、正弦波函数及锯齿波函数使载波频率进行周期性变化, 通过扩频抑制谐波。在变载波频率调制方法中, 采用锯齿波函数的周期载波频率调制技术效果最优[11]。
综上所述, 文中旨在研究基于无位置变载波频率的控制方法在深海矢量推进电机中的应用。首先, 分析深海环境的特点和深海矢量推进电机的控制需求, 结合无位置控制方法与变载波频率的研究现状, 指出SMO与周期载波频率调制的可行性与优越性。然后, 建立深海矢量推进永磁同步电机(permanent magnet synchronous machine, PMSM)模型, 提出无位置变载波频率的控制原理和方法, 并对其在深海矢量推进电机中的应用进行深入研究。最后, 通过仿真实验验证基于无位置变载波频率控制方法的高频谐波抑制性能、转速跟踪性能、稳态性能和抗扰动性能优势。研究旨在为深海矢量推进电机的控制方法提供进一步的思路和技术支持, 为深海无人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)提供高效可靠的动力保障。
结束语
为了提高矢量推进电机在深海探索中的稳定性与隐身性, 文中以表贴式PMSM为基础, 结合PCFM技术和SMO无位置控制技术, 提出了基于无位置变载波频率的深海矢量推进电机控制方法。通过电机变载波频率、电机起动变速和负载突变仿真实验, 分析了所提控制方法的控制效果, 结果表明使用该方法在额定转速工况下的转速估算误差率仅为0.32%, 0.5倍额定转速工况下转速估算误差率仅为0.09%, 且具有明显的高频谐波扩频抑制效果和良好的动态抗干扰性能, 同时降低了故障率, 减少了易被探测的高次固定频率谐波, 提高了深海矢量推进电机的可靠性与隐身性, 可为深海UUV提供高效可靠的动力保障。
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参考文献略
文章有删减，原文刊登于《水下无人系统学报》2024年第32卷第4期，点击阅读原文可查看。
