关键词：
永磁同步电机
滑模控制
负载观测器
无速度传感器控制
摘要：
随着海洋资源勘探的深入,水下机器人因其环境适应性成为深海探测的核心装备。作为其动力核心,推进电机及其控制系统的性能直接影响设备的机动性与续航能力,尤其在复杂水动力环境中更为关键。永磁同步电机因其可靠性高、功率密度大以及优良的动态性能等优点,成为了水下机器人推进电机的首选。然而,水下机器人永磁同步电机控制系统面临动态性能差、海洋环境引起的负载扰动以及机械传感器性能无法保证的问题。因此,本文围绕速度控制器的设计、负载观测器的设计以及无速度传感器控制展开研究。本文主要工作如下:
首先,针对水下机器人永磁同步电机控制系统中PI速度控制器对参数变化敏感、抗干扰性能差等缺点,提出一种新型预定义时间滑模控制器,达到提高永磁同步电机转速环性能的目的。该控制器以预定义时间稳定理论为基础,引入可调节参数,大大增加了预定义时间滑模控制的灵活性。设计者可以通过可调节参数调整系统的动态性能,同时又能保证系统是预定义时间内稳定的,使得控制器达到最佳性能。仿真结果表明,该策略提高了转速环响应速度,减小了转速超调,使得系统具有良好的动态性能。
其次,针对水下机器人永磁同步电机系统的负载扰动问题,设计了一种新型高阶非奇异快速终端滑模观测器实时观测负载扰动。该观测器针对传统滑模观测器中存在抖振问题,设计一种新型非奇异快速终端滑模面和新型快速趋近律,将控制输入的导数看作新的控制变量,有效削弱了系统抖振。并且将估计的负载扰动直接融入到预定义时间滑模控制器的设计中,大大减少了负载扰动对电机控制性能带来的影响。仿真结果表明,本文设计的观测器能准确快速跟踪负载转矩的变化,并且明显削弱了高频抖振。
最后,对水下机器人永磁同步电机无速度传感器控制方法进行分析研究,针对传统高频注入法与传统滑模观测器估计精度差,相位延迟问题,分别设计了改进高频注入方法与高阶PID积分滑模观测器方法。改进高频注入方法使用二阶广义积分器级联单频陷波器,替代传统高频注入带通滤波器级联低通滤波器,实现对高频信号的精确提取,而且有效改善了系统的动静态性能。高阶PID积分滑模观测器通过构造PID积分型滑模面,使得系统具有良好的动静态性能,同时设计一种高阶滑模控制律,可以有效的削弱系统抖振。仿真结果表明,本文所提方法估计精度更高,系统动静态性能更好。
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