一种船舶电动舵机伺服驱动控制系统设计与研究
发布时间：2022-01-15 01:26
为了顺应当下全电力驱动船舶的发展趋势,针对目前船舶舵机伺服系统使用液压驱动方式存在的问题,利用控制操作简单方便、运行过程稳定可靠、性价比相对较高的步进电机,设计一种船舶电动舵机伺服驱动控制系统,对船舶舵机实现准确的位置控制,通过对控制算法进行改进,使控制系统具有较强的鲁棒性。工业上对步进电机的控制一般为传统的开环控制方式,存在负载突变时容易失步、适应负载的能力差、运行速度受限等缺点。随着计算机技术以及微处理器技术的发展,使得各种高性能控制算法在步进电机位置控制中得到了更好的应用,进一步扩大了步进电机在实际工程中的应用范围。首先,对两相混合式步进电机的结构以及基本工作原理进行介绍,使用简化的磁网络模型详细推导步进电机两个常用坐标系下的数学模型,进一步得到双H桥拓扑结构下的空间电压矢量脉宽调制方法,分析并设计了两相混合式步进电机的矢量控制方案。其次,为了改善传统矢量控制方式中存在的位置响应时间较长,稳态误差较大等问题,将二阶超螺旋滑模控制策略应用于电机位置控制中,设计相应的二阶滑模位置控制器,通过仿真分析,说明该二阶滑模控制方式能够很好的提高系统响应速度、消除系统稳态误差。再次,针对实际系...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１船舶舵机示意图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｈｉｐ?ｓｔｅｅｒｉｎｇ?ｇｅａｒ??
电机汲取了另外??两种步进电机的优势，电机固有步距角较小并且控制过程需要的功率较低，在实际工作??过程中可以接收较高频率的脉冲，因此其转速范围广，已成为三类步进电机中使用最广??泛的电机，而两相混合式步进电机因其制作成本较低、定转子结构相对简单、在低速运??行时的运动特性较好、电机运行时输出的转矩较大等优点，成为目前国内外工业中使用??最多的一种步进电机［５５１。??２．１两相混合式步进电机的结构??两相混合式步进电机与永磁同步电机以及其他交流电机相比，定转子结构稍有不??同，如图２．１（ａ）为两相混合式步进电机三维结构图，图２．１（ｂ）为两相混合式步进电机剖面??图，从图中可以看出，该步进电机为双凸极结构，在转子周围分布着８个定子绕组，每??个定子绕组的极靴被均匀分成６个小齿。转子的外环磁钢是使用硅钢片叠压制作完成的，??并且被设计为完全对称的上下段，分别套在永磁体的两端，上、下两段转子在转子外圈??上分布着５０个齿距、大小完全相同的小齿，且在安装时将两段转子错开半个齿距进行??安装，两相混合式步进电机转子结构图如图２．１（ｃ）所示。＇??脚箱??（ａ）两相混合式步进电机三维结构图?（ｂ）两相混合式步进电机剖面图??＼?：：??（Ｃ）两相混合式步进电机转子结构图??图２．１两相混合式步进电机结构图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ?ｈｙｂｒｉｄ?ｓｔｅｐｐｉｎｇ?ｍｏｔｏｒ??－９－??
机的运动控制起到指导性的意义［５６］。由上文可得，混合式??步进电机的定转子上都有小齿，电机为双凸极结构，这种结构使得步进电机具有轴向磁??系统以及径向磁系统［５７］。为使分析更加方便，使用经过简化的磁网络模型。模型中忽略??了定子极间的漏磁、永磁体的漏磁回路、轴向和径向的磁阻。这类简化不会对定性分析??的结论有原则性的影响［５８］。由于两相混合式步进电机的八个定子绕组在直径上是两两相??同的，因此会具有完全相同的电磁状态，将对应的定子绕组合并简化为一条支路，得到??简化的磁路模型如图２．２所示。??Ａ?〇，，丨?ｉＬ?Ｏｂｌ?；?ｉｋ?Ｏ丨丨?ｌｉ?〇?Ａ??Ｆａｌ?Ｆｈ，?Ｆ，ｔ?■＝！＝？?Ｆ．ａ１?－＝｜＝ｒ?Ｆｈｌ?Ｆｔ；?￣ｄ＝－?Ｆｄ：??Ｊ?Ａａｌ?Ｍ?Ａｈｉ?Ｍ?ＡＣ｜?｜ｊｊ?Ａｄｉ?八３２?八ｂ２?Ｍ?Ｑ?Ａｄ２??Ｆｍ?Ａ??Ｉ?■?Ａｍ??????????图２．２两相混合式步进电机的简化磁网络模型??Ｆｉｇ．?２．２?Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｎｅｔｗｏｒｋ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｔｗｏ?ｐｈａｓｅ?ｈｙｂｒｉｄ?ｓｔｅｐｐｉｎｇ?ｍｏｔｏｒ??图２．２中，八ａｌ、八ｂｌ、八ｔｌ、八ｄｌ为转卞铁七、Ｎ段相应极的齿层磁导；八ａ２、八ｂ２、八八ｄ２??为转子铁心Ｓ段相应极的齿层磁导；Ａ？，为永磁体磁导；，，？为环形磁钢的磁势；Ｋ、凡、??Ｒ、凡为各定子绕组所建立的励磁磁势，其大小由绕组电流大孝绕组线圈匝数决定，??方向由绕组线圈中的电流方向决定。??２．２．２自然坐标系下数学模型??在对两相混合式步进电机进行磁网络模型的假设后，得到各相定子绕组的自感与互??
【参考文献】：
期刊论文
[1]BP神经网络和PID船舶自动舵控制方法[J]. 张静文,张庆松. 舰船科学技术. 2019(16)
[2]基于改进二阶滑模控制器的六相PMSM矢量控制[J]. 刘超,曹兆锦,常俸瑞. 微特电机. 2019(05)
[3]基于滑模的直流微电网光伏系统无缝切换策略[J]. 郭洪智,张勤进,刘彦呈,庄绪州. 电力系统及其自动化学报. 2019(08)
[4]基于二阶滑模算法的永磁同步电机控制[J]. 杨婧,纪科辉,赵新龙,鲁文其. 微特电机. 2018(02)
[5]基于模糊控制原理的船舶自动舵设计[J]. 王巧玲,杨琰丽. 舰船科学技术. 2018(02)
[6]基于扩张状态观测器的飞行器姿态控制研究[J]. 檀姗姗,杨洪玖,路继勇,于洋. 燕山大学学报. 2017(06)
[7]船舶自动舵自适应神经网络控制算法研究[J]. 严张凌,代茂. 舰船科学技术. 2017(12)
[8]步进电机加减速控制新方法的研究[J]. 樊留强,惠延波,王莉. 电机与控制应用. 2017(03)
[9]高阶滑模控制及其研究现状[J]. 孙灵芳,邢宇,李斌. 化工自动化及仪表. 2016(04)
[10]基于滑模观测器的永磁直线同步电机速度控制[J]. 张亮,许傲然,白迪,谷彩连,王月志. 微特电机. 2016(01)
博士论文
[1]基于干扰观测器的重复使用运载器再入段滑模控制方法研究[D]. 陈佳晔.哈尔滨工业大学 2019
[2]在轨服务航天器参数辨识及姿态控制研究[D]. 杨雅君.国防科学技术大学 2017
硕士论文
[1]高性能多级抗磨液压油的研制[D]. 蒋艳红.中南大学 2013
[2]船舶自动舵系统半实物仿真平台研究[D]. 李建立.重庆大学 2010
本文编号：3589613
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１船舶舵机示意图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｈｉｐ?ｓｔｅｅｒｉｎｇ?ｇｅａｒ??
电机汲取了另外??两种步进电机的优势，电机固有步距角较小并且控制过程需要的功率较低，在实际工作??过程中可以接收较高频率的脉冲，因此其转速范围广，已成为三类步进电机中使用最广??泛的电机，而两相混合式步进电机因其制作成本较低、定转子结构相对简单、在低速运??行时的运动特性较好、电机运行时输出的转矩较大等优点，成为目前国内外工业中使用??最多的一种步进电机［５５１。??２．１两相混合式步进电机的结构??两相混合式步进电机与永磁同步电机以及其他交流电机相比，定转子结构稍有不??同，如图２．１（ａ）为两相混合式步进电机三维结构图，图２．１（ｂ）为两相混合式步进电机剖面??图，从图中可以看出，该步进电机为双凸极结构，在转子周围分布着８个定子绕组，每??个定子绕组的极靴被均匀分成６个小齿。转子的外环磁钢是使用硅钢片叠压制作完成的，??并且被设计为完全对称的上下段，分别套在永磁体的两端，上、下两段转子在转子外圈??上分布着５０个齿距、大小完全相同的小齿，且在安装时将两段转子错开半个齿距进行??安装，两相混合式步进电机转子结构图如图２．１（ｃ）所示。＇??脚箱??（ａ）两相混合式步进电机三维结构图?（ｂ）两相混合式步进电机剖面图??＼?：：??（Ｃ）两相混合式步进电机转子结构图??图２．１两相混合式步进电机结构图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ?ｈｙｂｒｉｄ?ｓｔｅｐｐｉｎｇ?ｍｏｔｏｒ??－９－??
机的运动控制起到指导性的意义［５６］。由上文可得，混合式??步进电机的定转子上都有小齿，电机为双凸极结构，这种结构使得步进电机具有轴向磁??系统以及径向磁系统［５７］。为使分析更加方便，使用经过简化的磁网络模型。模型中忽略??了定子极间的漏磁、永磁体的漏磁回路、轴向和径向的磁阻。这类简化不会对定性分析??的结论有原则性的影响［５８］。由于两相混合式步进电机的八个定子绕组在直径上是两两相??同的，因此会具有完全相同的电磁状态，将对应的定子绕组合并简化为一条支路，得到??简化的磁路模型如图２．２所示。??Ａ?〇，，丨?ｉＬ?Ｏｂｌ?；?ｉｋ?Ｏ丨丨?ｌｉ?〇?Ａ??Ｆａｌ?Ｆｈ，?Ｆ，ｔ?■＝！＝？?Ｆ．ａ１?－＝｜＝ｒ?Ｆｈｌ?Ｆｔ；?￣ｄ＝－?Ｆｄ：??Ｊ?Ａａｌ?Ｍ?Ａｈｉ?Ｍ?ＡＣ｜?｜ｊｊ?Ａｄｉ?八３２?八ｂ２?Ｍ?Ｑ?Ａｄ２??Ｆｍ?Ａ??Ｉ?■?Ａｍ??????????图２．２两相混合式步进电机的简化磁网络模型??Ｆｉｇ．?２．２?Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｎｅｔｗｏｒｋ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｔｗｏ?ｐｈａｓｅ?ｈｙｂｒｉｄ?ｓｔｅｐｐｉｎｇ?ｍｏｔｏｒ??图２．２中，八ａｌ、八ｂｌ、八ｔｌ、八ｄｌ为转卞铁七、Ｎ段相应极的齿层磁导；八ａ２、八ｂ２、八八ｄ２??为转子铁心Ｓ段相应极的齿层磁导；Ａ？，为永磁体磁导；，，？为环形磁钢的磁势；Ｋ、凡、??Ｒ、凡为各定子绕组所建立的励磁磁势，其大小由绕组电流大孝绕组线圈匝数决定，??方向由绕组线圈中的电流方向决定。??２．２．２自然坐标系下数学模型??在对两相混合式步进电机进行磁网络模型的假设后，得到各相定子绕组的自感与互??
【参考文献】：
期刊论文
[1]BP神经网络和PID船舶自动舵控制方法[J]. 张静文,张庆松. 舰船科学技术. 2019(16)
[2]基于改进二阶滑模控制器的六相PMSM矢量控制[J]. 刘超,曹兆锦,常俸瑞. 微特电机. 2019(05)
[3]基于滑模的直流微电网光伏系统无缝切换策略[J]. 郭洪智,张勤进,刘彦呈,庄绪州. 电力系统及其自动化学报. 2019(08)
[4]基于二阶滑模算法的永磁同步电机控制[J]. 杨婧,纪科辉,赵新龙,鲁文其. 微特电机. 2018(02)
[5]基于模糊控制原理的船舶自动舵设计[J]. 王巧玲,杨琰丽. 舰船科学技术. 2018(02)
[6]基于扩张状态观测器的飞行器姿态控制研究[J]. 檀姗姗,杨洪玖,路继勇,于洋. 燕山大学学报. 2017(06)
[7]船舶自动舵自适应神经网络控制算法研究[J]. 严张凌,代茂. 舰船科学技术. 2017(12)
[8]步进电机加减速控制新方法的研究[J]. 樊留强,惠延波,王莉. 电机与控制应用. 2017(03)
[9]高阶滑模控制及其研究现状[J]. 孙灵芳,邢宇,李斌. 化工自动化及仪表. 2016(04)
[10]基于滑模观测器的永磁直线同步电机速度控制[J]. 张亮,许傲然,白迪,谷彩连,王月志. 微特电机. 2016(01)
博士论文
[1]基于干扰观测器的重复使用运载器再入段滑模控制方法研究[D]. 陈佳晔.哈尔滨工业大学 2019
[2]在轨服务航天器参数辨识及姿态控制研究[D]. 杨雅君.国防科学技术大学 2017
硕士论文
[1]高性能多级抗磨液压油的研制[D]. 蒋艳红.中南大学 2013
[2]船舶自动舵系统半实物仿真平台研究[D]. 李建立.重庆大学 2010
本文编号：3589613
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