水下机器人的驱动系统仿真-无刷直流电动机simulink仿真课件

水下机器人的驱动系统仿真

班级：控制工程二班姓名：马清嵩学号：1370666水下机器人的驱动系统仿真11AUV的介绍2水下驱动系统3.无刷直流电机驱动系统的建模仿真4.仿真结果分析5.总结1AUV的介绍21AUV的介绍

当前水下机器人的种类很多，其中载人潜器、有缆潜器(ROVs)和自治水下机器人(AUVs)是三类最重要的潜器，自治水下机器人AUVs是英语“自治水下潜器”(AutonomousUnderwaterVehicles)的缩写。AUVs不配备主缆和系缆，因此它又称为无人无缆水下机器人(UnmannedUntetheredVechiles缩写UUVs)。1AUV的介绍当前水下机器人的种类很多，其中载人潜器、有31.1AUV物理模型

1.1.1高压舱1.1AUV物理模型1.1.1高压舱41.1.2框架

支撑作用，上面固定有高压舱、推进器、声纳等，是由35×2的钢管焊接而成，上面有8处配焊，作用是固定卡箍。

1.1.2框架支撑作用，上面固定有高压舱、推进器、声纳等，51.1.3推进器推进器作为整个AUV动力来源，共有两种，一种是水平推进器，共两个，另一种是竖直推进器，共三个，通过推进器固定架将其固定于框架之上，各个推进器独立工作，相互协作实现对整个AUV姿态的控制。推进器上固定有导流罩，主要作用就是在运动中对迎面而来的海水阻力进行分割化解，从而达到降低阻力的效果。1.1.3推进器推进器作为整个AUV动力来源，共有两种，一种61.1.4声纳声纳主要是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。声纳主要是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。它是该海底机器人主要的探测装备，包括大小声纳各一个，分别安装在AUV前端的上下部位。1.1.4声纳声纳主要是利用水中声波对水下目标进行探测、定位71.1.5AUV总装图1.1.5AUV总装图81.2AUV的动力学分析

对5自由度AUV的动力学与运动控制进行研究，应该考虑重力、浮力、推力以及水动力的影响，建立水下机器人的动力学模型，对机器人的复杂水下动力学行为进行描述。研究水动力的意义：一是从操纵性的角度研究水下机器人载体的稳定性和快速型，另一方面在设计控制系统时需要考虑水动力的影响，以便建立AUV的数学模型。1.2AUV的动力学分析

对5自由度AUV的动力学与运动控92水下驱动系统

推力器是由电机和螺旋桨组成的，水下机器人用的电机需要密封。密封主要有两种方式，一种是机械密封，另一种采用磁耦合器。机械密封相对而言比较简单，但因密封处要承受海水的压力，其特性因摩擦力的增加而变坏。对电机来说，则表现为电机的空载电流增大（有时会增大1-3倍），这样的电机用于推力器，会使启动电压升高，从而加重推力器非线性。2水下驱动系统

推力器是由电机和螺旋桨组成的，水下机器人用10水下机器人的驱动系统仿真--无刷直流电动机simulink仿真课件112.1.无刷直流电动机的介绍

2.1.1、无刷直流电机无刷直流电动机（BLDC：BrushlessDirectCurrentMotor）是近几十年来随着电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电动机，它以法拉第的电磁感应定律为基础，而又以新兴的电力电子技术技术、数字电子技术和各种物理原理为后盾，具有很强的生命力。无刷直流电机的最大特点是没有换向器和电刷组成的机械接触机构。2.1.无刷直流电动机的介绍

2.1.1、无刷直流电机122.1.2无刷直流电机的基本结构电动机本体的主要部件有安装电枢绕组的定子和带有永磁体的转子。位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，安装在定子线圈的相应位置上。电子换相电路和位置传感器相配合，起到与机械换向类似的作用。2.1.2无刷直流电机的基本结构132.1.3无刷直流电机的工作原理总的来说，无刷直流电机的基本工作原理是借助转子位置传感器测得的位置信号，通过驱动电路，驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢绕组依一定顺序馈电，从而在气隙中产生步进式旋转磁场，拖动永磁转子旋转。2.1.3无刷直流电机的工作原理总的来说，无刷直流电机的14无刷直流电机有多相结构，可分为半桥驱动和全桥驱动，全桥驱动又分成星形和角形连接以及不同的通电方式。无刷直流电机有多相结构，可分为半桥驱动和全桥驱动，全桥153.无刷直流电机驱动系统的建模仿真3.1控制策略选择在开环控制中，转子位置传感器产生的转子位置信号被检出后，送至转子位置译码电路，经放大和逻辑变换形成正确的换相顺序信号，去触发、导通相应的功率开关元件，使之按一定的顺序接通或关断相绕组,从而电机可按一定的转速旋转。

在闭环控制中，一般是将反映电机的转速信号与预定转速控制信号相比较、放大后，用其差动量去校正控制对象，直至控制转速在一定范围内达到平衡。为了进一步改善系统的稳态和动态性能，通常采用转速、电流双闭环调节器的控制策略。3.无刷直流电机驱动系统的建模仿真3.1控制策略选择16水下机器人的驱动系统仿真--无刷直流电动机simulink仿真课件173.2无刷直流电机的数学模型

3.2无刷直流电机的数学模型

183.2.1绕组电压方程（基尔霍夫电压定律）利用基尔霍夫电压定律（KVL）可以得到三相绕组的电压平衡方程：2.2.2电磁转矩方程3.2.1绕组电压方程（基尔霍夫电压定律）利用基尔霍夫电压定19

3.2.3无刷直流电机的运动方程为：3.3无刷直流电机本体的仿真建模3.3.1电压方程模块

3.2.3无刷直流电机的运动方程为：20水下机器人的驱动系统仿真--无刷直流电动机simulink仿真课件213.3.2电机反电动势模块•1.有限元法•2.FFT法•3.分段线性法3.3.2电机反电动势模块•1.有限元法223.3.3电机转矩计算模块3.3.3电机转矩计算模块233.3.4无刷直流电机本体总模型3.3.4无刷直流电机本体总模型243.4速度控制模块3.4速度控制模块25

PID控制器的三个控制参数Kp、Ki、Kd分别具有不同的作用：(1)比例系数Kp的作用：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。Kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长。Kp太大时，系统会趋于不稳定。Kp太小，又会使系统的动作缓慢。(2)积分控制Ki的作用：积分环节使系统的稳定性下降，Ki小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。(3)微分控制Kd的作用：微分环节可以改善动态特性，Kd偏大时，超调量较大，调节时间较短。Kd偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Kd合适，才能使超调量较小，减短调节时间。PID控制器的三个控制参数Kp、Ki、Kd分别具有不同的26在双闭环调速系统中，转速调节器的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅值决定允许的最大电流。3.5参考电流模块参考电流模块的作用是根据电流幅值信号Is和位置信号给出三相参考电流，输出的三相参考电流直接输入电流滞环控制模块，用于与实际电流比较进行电流滞环控制。转子位置和三相参考电流之间的对应关系如表所示，参考电流模块的这一功能可通过S函数编程实现。在双闭环调速系统中，转速调节器的作用是对转速的抗扰调273.6电流滞环控制模块在这个仿真模块中采用滞环控制原理来实现电流的调节，使得实际电流随给定电流的变化输入为三相参考电流和三相实际电流，输出为PWM逆变器控制信号水下机器人的驱动系统仿真--无刷直流电动机simulink仿真课件28水下机器人的驱动系统仿真--无刷直流电动机simulink仿真课件29水下机器人的驱动系统仿真--无刷直流电动机simulink仿真课件303.7电压逆变器模块电压逆变器模块的功能是实现电池电压到电机供电电压的DC/DC变换，在电流滞环控制模块输出的PWM波形的控制下调节电机输入绕组电压，从而控制电机的转速。3.7电压逆变器模块31无刷直流电机驱动系统模型无刷直流电机驱动系统模型324.仿真4.1建模仿真参数设定在系统的建模过程中选定的建模和仿真参数分别为：BLDC电机参数设置为：电机定子相绕组电阻R＝2.8750Ω，定子相绕组自感与自感之差L-M＝0.02，转动惯量J＝0.005kg·m2，阻尼系数B=0.0002N·m·s/rad，额定转速n＝1000r/min，极对数p＝4，直流电源供电电压为220V。离散PID控制器三个参数：比例系数Kp=3，积分系数Ki=0.02，微分系数Kd=0（无微分环节），电流幅值信号Is限幅范围为-35~+35，采样周期T=0.0001s。4.仿真4.1建模仿真参数设定33为了验证所设计的无刷直流电机驱动控制系统仿真模型的静、动态性能，我们设定电机空载起动，待进入稳态后，在t＝0.5s时加上负载TL＝3N·m。4.2仿真结果及分析：4.3.1绕组电流仿真结果为了验证所设计的无刷直流电机驱动控制系统仿真模型的静、动态性34由图示可以看出，在n=1000r/min的参考转速下，电流经过短暂时间的波动之后，绕组电流值趋近平稳，由于有电流限幅环节的作用，相电流波动时冲击不大。由于初始阶段输入转矩为0，电机不对外做功，所以电流值几乎为零（由于电机中阻尼系数B的存在，电流稍大于零）；从t=0.5s开始，对电机施加转矩为TL=3N·m的负载，电机绕组中产生周期性的电流，三相电流电角度相差120°，此时电流产生的电磁转矩与负载转矩及阻尼力之和相平衡。由图示可以看出，在n=1000r/min的参考转速下，电流经35

从上图可以看出，由分段线性法得到的电机三相绕组的反电动势仿真波形呈周期性的梯形，且三相绕组的反电动势电角度相差120°，这与真实电机的绕组反电动势相似，说明由分段线性法求无刷直流电机绕组反电动势的方法是可行的，且结果满足仿真要求，为进一步仿真电机其他参数变化作保证。4.3.2反电动势仿真结果

从上图可以看出，由分段线性法得364.3.4电机转速仿真结果

4.3.4电机转速仿真结果

375总结仿真结果表明，仿真实验得到的波形符合理论分析，系统的快速性和稳定性较好，能够平稳运行，具有较好的静、动态特性。5总结仿真结果表明，仿真实验得到的波形符合理论分析，系统的38水下机器人的驱动系统仿真

班级：控制工程二班姓名：马清嵩学号：1370666水下机器人的驱动系统仿真391AUV的介绍2水下驱动系统3.无刷直流电机驱动系统的建模仿真4.仿真结果分析5.总结1AUV的介绍401AUV的介绍

当前水下机器人的种类很多，其中载人潜器、有缆潜器(ROVs)和自治水下机器人(AUVs)是三类最重要的潜器，自治水下机器人AUVs是英语“自治水下潜器”(AutonomousUnderwaterVehicles)的缩写。AUVs不配备主缆和系缆，因此它又称为无人无缆水下机器人(UnmannedUntetheredVechiles缩写UUVs)。1AUV的介绍当前水下机器人的种类很多，其中载人潜器、有411.1AUV物理模型

1.1.1高压舱1.1AUV物理模型1.1.1高压舱421.1.2框架

支撑作用，上面固定有高压舱、推进器、声纳等，是由35×2的钢管焊接而成，上面有8处配焊，作用是固定卡箍。

1.1.2框架支撑作用，上面固定有高压舱、推进器、声纳等，431.1.3推进器推进器作为整个AUV动力来源，共有两种，一种是水平推进器，共两个，另一种是竖直推进器，共三个，通过推进器固定架将其固定于框架之上，各个推进器独立工作，相互协作实现对整个AUV姿态的控制。推进器上固定有导流罩，主要作用就是在运动中对迎面而来的海水阻力进行分割化解，从而达到降低阻力的效果。1.1.3推进器推进器作为整个AUV动力来源，共有两种，一种441.1.4声纳声纳主要是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。声纳主要是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。它是该海底机器人主要的探测装备，包括大小声纳各一个，分别安装在AUV前端的上下部位。1.1.4声纳声纳主要是利用水中声波对水下目标进行探测、定位451.1.5AUV总装图1.1.5AUV总装图461.2AUV的动力学分析

对5自由度AUV的动力学与运动控制进行研究，应该考虑重力、浮力、推力以及水动力的影响，建立水下机器人的动力学模型，对机器人的复杂水下动力学行为进行描述。研究水动力的意义：一是从操纵性的角度研究水下机器人载体的稳定性和快速型，另一方面在设计控制系统时需要考虑水动力的影响，以便建立AUV的数学模型。1.2AUV的动力学分析

对5自由度AUV的动力学与运动控472水下驱动系统

推力器是由电机和螺旋桨组成的，水下机器人用的电机需要密封。密封主要有两种方式，一种是机械密封，另一种采用磁耦合器。机械密封相对而言比较简单，但因密封处要承受海水的压力，其特性因摩擦力的增加而变坏。对电机来说，则表现为电机的空载电流增大（有时会增大1-3倍），这样的电机用于推力器，会使启动电压升高，从而加重推力器非线性。2水下驱动系统

推力器是由电机和螺旋桨组成的，水下机器人用48水下机器人的驱动系统仿真--无刷直流电动机simulink仿真课件492.1.无刷直流电动机的介绍

2.1.1、无刷直流电机无刷直流电动机（BLDC：BrushlessDirectCurrentMotor）是近几十年来随着电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电动机，它以法拉第的电磁感应定律为基础，而又以新兴的电力电子技术技术、数字电子技术和各种物理原理为后盾，具有很强的生命力。无刷直流电机的最大特点是没有换向器和电刷组成的机械接触机构。2.1.无刷直流电动机的介绍

2.1.1、无刷直流电机502.1.2无刷直流电机的基本结构电动机本体的主要部件有安装电枢绕组的定子和带有永磁体的转子。位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，安装在定子线圈的相应位置上。电子换相电路和位置传感器相配合，起到与机械换向类似的作用。2.1.2无刷直流电机的基本结构512.1.3无刷直流电机的工作原理总的来说，无刷直流电机的基本工作原理是借助转子位置传感器测得的位置信号，通过驱动电路，驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢绕组依一定顺序馈电，从而在气隙中产生步进式旋转磁场，拖动永磁转子旋转。2.1.3无刷直流电机的工作原理总的来说，无刷直流电机的52无刷直流电机有多相结构，可分为半桥驱动和全桥驱动，全桥驱动又分成星形和角形连接以及不同的通电方式。无刷直流电机有多相结构，可分为半桥驱动和全桥驱动，全桥533.无刷直流电机驱动系统的建模仿真3.1控制策略选择在开环控制中，转子位置传感器产生的转子位置信号被检出后，送至转子位置译码电路，经放大和逻辑变换形成正确的换相顺序信号，去触发、导通相应的功率开关元件，使之按一定的顺序接通或关断相绕组,从而电机可按一定的转速旋转。

在闭环控制中，一般是将反映电机的转速信号与预定转速控制信号相比较、放大后，用其差动量去校正控制对象，直至控制转速在一定范围内达到平衡。为了进一步改善系统的稳态和动态性能，通常采用转速、电流双闭环调节器的控制策略。3.无刷直流电机驱动系统的建模仿真3.1控制策略选择54水下机器人的驱动系统仿真--无刷直流电动机simulink仿真课件553.2无刷直流电机的数学模型

3.2无刷直流电机的数学模型

563.2.1绕组电压方程（基尔霍夫电压定律）利用基尔霍夫电压定律（KVL）可以得到三相绕组的电压平衡方程：2.2.2电磁转矩方程3.2.1绕组电压方程（基尔霍夫电压定律）利用基尔霍夫电压定57

3.2.3无刷直流电机的运动方程为：3.3无刷直流电机本体的仿真建模3.3.1电压方程模块

3.2.3无刷直流电机的运动方程为：58水下机器人的驱动系统仿真--无刷直流电动机simulink仿真课件593.3.2电机反电动势模块•1.有限元法•2.FFT法•3.分段线性法3.3.2电机反电动势模块•1.有限元法603.3.3电机转矩计算模块3.3.3电机转矩计算模块613.3.4无刷直流电机本体总模型3.3.4无刷直流电机本体总模型623.4速度控制模块3.4速度控制模块63

PID控制器的三个控制参数Kp、Ki、Kd分别具有不同的作用：(1)比例系数Kp的作用：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。Kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长。Kp太大时，系统会趋于不稳定。Kp太小，又会使系统的动作缓慢。(2)积分控制Ki的作用：积分环节使系统的稳定性下降，Ki小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。(3)微分控制Kd的作用：微分环节可以改善动态特性，Kd偏大时，超调量较大，调节时间较短。Kd偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Kd合适，才能使超调量较小，减短调节时间。PID控制器的三个控制参数Kp、Ki、Kd分别具有不同的64在双闭环调速系统中，转速调节器的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅值决定允许的最大电流。3.5参考电流模块参考电流模块的作用是根据电流幅值信号Is和位置信号给出三相参考电流，输出的三相参考电流直接输入电流滞环控制模块，用于与实际电流比较进行电流滞环控制。转子位置和三相参考电流之间的对应关系如表所示，参考电流模块的这一功能可通过S函数编程实现。在双闭环调速系统中，转速调节器的作用是对转速的抗扰调653.6电流滞环控制模块在这个仿真模块中采用滞环控制原理来实现电流的调节，使得实际电流随给定电流的变化输入为三相参考电流和三相实际电流，输出为PWM逆变器控制信号水下机器人的驱动系统仿真--无刷直流电动机simulink仿真课件66水下机器人的驱动系统仿真--无刷直流电动机simulink仿真课件67水下机器人的驱动系统仿真--无刷直流电动机simulink仿真课件683.7电压逆变器模块电压逆变器模块的功能是实现电池电压到电机供电电压的DC/DC变换，在电流滞环控制模块输出的PWM波形的控制下调节电机输入绕组电压，从而控制电机的转速。3.7电压逆变器模块69无刷直流电机驱动系统模型无刷直流电机驱动系统模型704.仿真4.1建模仿真参数设定在系统的建模过程中选定的建模和仿真参数分别为：BLDC电机参数设置为：电机定子相绕组电