AUV水下机器人运动控制系统设计(李思乐)

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制器连接的特殊功能寄存器；(3)CAN控制器的发送缓冲区能够保存一个完整的CAN信息帧(扩展或标准帧)，通过CPU启动发送,信息就从发送缓冲区传输到CAN内核模块；(4)当接收一个信息时，CAN内核模块将串行数据流转换成并行数据传输到验收滤波器,通过该可编程滤波器，P87C591确认接收需要的信息。图3-2为以P87C591为核心的CAN总线接口电路。P1.0、P1.1分别对应CAN的收(RxDC)和发(TxDC)线。图3-2CAN总线接口电路CAN总线收发器选用Philips公司的PCA82C250，以差分方式发送。引脚8与地之间的电阻为斜率电阻，其取值决定了系统处于高速方式、斜率控制方式或待机方式。本系统中PCA82C250工作于斜率方式，通过Rs对地连接的电阻对总线进行斜率控制，以控制射频干扰。使用双绞线作为传输介质。通过高速光耦6N137将P87C591与CAN总线收发器进行光电隔离，以增强CAN总线节点的抗干扰能力。总线末端加124Ω的终端匹配电阻，以减少信号反射干扰[6]。3.2水上控制箱控制系统设计设计中，我们采用了常见的小型控制箱作为岸上控制平台，其外形尺寸为372mm×266mm×134mm，具有体积小，携带方便的特点。其内部硬件模块主要包含主处理器核心模块和液晶显示模块，完成上下位机间的通讯，视频图像、传感器信息的显示，实现人机交互。其结构框图如图3-3所示。图3-3水上控制箱控制系统在该控制系统中采用MSP430F135作为主处理器，充分应用了其内部集成的14路12位模数转换器和串口通讯模块，操作人员只需通过设定控制面板上各按键、摇杆，经AD转换，将各模拟量转换为数字量，经串口通讯模块来实现控制箱对下位控制系统各推进器速度、方向的控制、照明灯的亮度调节以及摄像机云台的运动设定。3.3控制系统软件设计上位系统程序主要完成系统上电初始化，控制面板各按键、摇杆信息的采集，液晶模块显示，与下位系统的通讯等工作。它采用顺序式结构往复运行。运行过程中可以被中断子程序中断，执行完中断子程序之后返回断点处继续执行主程序。下位系统程序主要完成电机速度、方向设定，各传感器信息的采集，与上位系统的通讯等工作。同上位系统一样，也采用了顺序结构往复运行。系统上电后，MSP430F149微处理器首先进入系统初始化程序，包括时钟配置、I/O口的初始化、外设模块的初始化等。初始化结束后，开中断，处理器进入串口接收数据的判断循环当中[7]。程序流程图如图3-5所示。图3-5下位系统程序流程图4控制算法4.1转艏控制选用正确的控制方法是保证控制系统稳定控制的重要环节。采用神经网络控制、自适应控制、PID控制算法等都可以达到潜器稳定运行的目的。具体的方法需根据不同的载体结构、不同的控制对象、不同的任务要求而确定。图4-1速度控制经用多普勒声学测试原理可以获得水下机器人相对于海底或流层的速度，对速度积分后就可以得到行程，这就是多普勒计程仪的基本原理。速度闭环控制回路的结构如图4-1所示。构成航行速度闭环后可以较为精确地控制水下机器人在海底的航行速度。我们采用分段线性PID控制算法，即根据潜器运行的速度不同采用不同的PID参数.离散后的PID控制算法为：(1)潜器在不同的速度下可采用不同的控制参数值，经过试验即可确定Kp、Ki、Kd的数值.在上式中，如果微分项采用(ek-ek-1)/T直接计算，由于采样周期较短,因此会产生较大的噪声信号，进而影响控制效果。为了避免这种情况的发生,可采用最小二乘法对角速度进行滤波平滑，然后再求出角速度测量值，这样可获得较好的控制效果。4.2深度(高度)和纵倾控制深度(高度)和纵倾控制又称为垂直面的控制。潜器在航行过程中，其高度或深度的变化通常是在运动中实现的。一但要求的高度或深度有变化，则必然会引起纵倾角的变化;而纵倾角的变化也常常引起高度或深度的变化。因此潜器在垂直面的控制实际上是一个多输入多输出系统。这里A0为给定矩阵，A为反馈矩阵，E为误差矩阵，H0、P0分别为给定的高度和纵倾角，H、P分别为采集的高度和纵倾角。将控制算法的矩阵解耦后，其输出Pn的计算方法如下:A0=[H0P0]A=[HP]E=[e1e2]=[H0–HP0–P](2)其中,f1和f2分别为e1和e2的函数,f(x)为其它有关变量的函数。根据我们以往的工作经验，采用自适应控制算法、神经网络控制算法、PID控制算法等均能达到相应的控制要求，定深控制方法与定高控制方法相似,垂直控制量是一个力矩，它被用来改变AUV的纵倾角。为了节省能源,垂直控制通常是在AUV的前进中实现的，即由纵倾角的改变而引起上升和下潜。5电机系统仿真5.1海洋水下机器人电动机的特点海洋水下机器人电动机除具有不同的电气性能和结构参数外,还必须具备耐海水腐蚀性、耐水压机械结构以及可靠的密封结构。海洋水下机器人的驱动方式分为电力传动和液力传动,供电方式分为电缆供电和蓄电池(镍氢电池、银锌电池和燃料电池等),供电电压为几十伏到几千伏,功率为几百瓦到一百多千瓦,交流异步电动机用于大功率液力传动,永磁钕铁硼直流电动机则用于小功率多台电机电力传动,近年来又在研制开发无刷直流电动机,使之更适于充油式平衡压力结构。中小型水下机器人大多用电动机直接连接螺旋桨。可以用直流电机、交流电机。直流电机成本低，调速、控制系统简单，而交流电机需要逆变器把直流变成交流，成本高，系统复杂。尤其以电池组做动力源的水下机器人，都采用直流电机。无刷直流电机是近几年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电机，其最大特点是没有换向器（整流子）和电刷组成的机械接触机构。通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗，没有换向火花，没有无线电干扰，运行可靠，维护简便。无刷直流电机(BrushlessDCMotor，以下简称BLDC)是随着电力电子技术及新型永磁材料的发展而迅速成熟起来的一种新型电机。以其体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点,同时还保留了普通直流电动机优良的机械特性,广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等领域，随着无刷直流电机应用领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。建立无刷直流电机控制系统的仿真模型，可以有效的节省控制系统设计时间，及时验证施加于系统的控制算法，观察系统的控制输出；同时可以充分利用计算机仿真的优越性，人为地改变系统的结构、加入不同的扰动和参数变化，以便考察系统在不同结构和不同工况下的动、静态特性[8]。5.2永磁无刷直流电机(BLDC)的数学模型无刷直流电机由定子三相绕组、永磁转子、逆变器、转子磁极位置检测器等组成，其转子采用瓦形磁钢，定子采用整距集中绕组，由逆变器供给方波电流。BLDC气隙磁场感应的反电动势和相电流之间的关系，如图5-1所示。由于BLDC的感应电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，并且BLDC的电感为非线性，在分析和仿真BLDC控制系统时，直接采用相变量法，根据转子位置，采用分段线性表示感应电动势。图5-1A5.2.1BLDC三相定子电压的平衡方程可用以下的状态方程表示:(3)式中，ua,ub,uc为三相定子电压(V)；ea,eb,ec为三相定子的反电动势(V)；ia,ib,ic为三相定子相电流(A)；La,Lb,Lc为三相定子自感(H)；Lab,Lac,Lba,Lbc,Lca,Lcb为三相定子绕组之间的互感(H)；Ra,Rb,Rc为三相定子绕组的相电阻；p为微分算子（d/dt）。由电机的结构决定，在360°电角度内，转子的磁阻不随转子位置的变化而变化，并假定三相绕组对称，则有：La=Lb=Lc=L,Lab=La=Lba=Lbc=Lca=Lcb=M,Ra=Rb=Rc=R。由于三相对称的电机中,ia+ib+ic=0,以及Mib+Mic=-Mia，则式(3)可改写为：(4)5.2.2BLDC的电磁转矩方程可表示(5)其中，ω为BLDC的角速度(rad/s)。BLDC的运动方程可表示为：(6)5.2.3由BLDC的电压方程，可以将其等效地表示为图5-2所示的等效电路，BLDC的每相由定子绕组电阻R、电感(L-M)及一个反电动势e串联构成。图5-2永磁无刷直流电机等效电路图5.3基于Matlab的BLDC系统模型的建立在Matlab7.0的Simulink环境下，利用SimPowerSystemToolbox提供的丰富模块库，在分析BLDC数学模型的基础上，提出了建立BLDC控制系统仿真模型的方法，系统设计框图如图5-3所示。BLDC建模仿真系统采用双闭环控制方案：转速环由PID调节器构成，电流环由电流滞环调节器构成。根据模块化建模的思想，将图3所示的控制系统分割为各个功能独立的子模块。图5-4即为BLDC建模的整体控制框图，其中主要包括：BLDCM本体模块、速度控制模块、参考电流模块、电流滞环控制模块、转矩计算模块和电压逆变器模块。把这些功能模块和S函数相结合，在Matlab/Simulink中搭建出BLDC控制系统的仿真模型，并实现双闭环的控制算法，图中各功能模块的作用与结构简述如下。图5-3BLDC控制系统设计框图图5-4Matlab/Simulink中BLDC仿真建模整体控制框图5.在整个控制系统的仿真模型中，BLDCM本体模块是最重要的部分，该模块根据BLDC电压方程式求取BLDC三相相电流，结构框图如图5-5所示。由电压方程式可得，要获得三相电流信号ia、ib、ic，必需首先求得三相反电动势信号ea、eb、ec。而BLDC建模过程中，梯形波反电动势的求取方法一直是较难解决的问题，反电动势波形不理想会造成转矩脉动增大、相电流波形不理想等问题，严重时会导致换向失败，电机失控。图5-5BLDCM本体模块结构框图及其封装因此，获得理想的反电动势波形是BLDC仿真建模的关键问题之一。目前求取反电动势较常用的三种方法为：(1)有限元法，应用有限元法求得的反电动势脉动小，精度高，但方法复杂、专业性强、不易推广。(2)傅立叶变换(FFT)法，FFT法应用简单，但需要进行大量三角函数值的计算，对仿真速度影响较大。(3)分段线性法，如图5-6所示，将一个运行周期0-360°分为6个阶段，每60°为一个换向阶段，每一相的每一个运行阶段都可用一段直线进行表示，根据某一时刻的转子位置和转速信号，确定该时刻各相所处的运行状态，通过直线方程即可求得反电动势波形。分段线性法简单易行，且精度较高，能够较好的满足建模仿真的设计要求。因而，本文采用分段线性法建立梯形波反电动势波形。理想情况下，二相导通星形三相六状态的BLDC定子三相反电动势的波形如图6所示。根据转子位置将运行周期分为6个阶段：0～π/3，π/3～2π/3，2π/3～π，π～4π/3，4π/3～5π/3，5π/3～2π。以第一阶段0～π/3为例，A相反电动势处于正向最大值Em，B相反电动势处负向最大值-Em，C相反电动势处于换向阶段，由正的最大值Em沿斜线规律变化到负的最大值-Em。根据转子位置和转速信号就可以求出各相反电动势变化轨迹的直线方程；其它5个阶段，也是如此。据此规律，可以推得转子位置和反电动势之间的线性关系，如表1所示，从而采用分段线性法，解决了在BLDC本体模块中梯形波反电动势的求取问题。表1转子位置和反电动势之间的线性关系表表1中：k为反电动势系数(V/(r/min))，Pos为电角度信号(rad)，w为转速信号(rad/s)。根据电机转过的电角度来求反电动势，用S函数编写。图5-6三相反电动势波形5.3.2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。图5-7表示的是滞环型PWM逆变器的工作原理。其工作原理是：当给定电流值与反馈电流值的瞬时值之差达到滞环宽度正边缘时，逆变器的开关管VT1导通，开关管VT4关断，电动机接通直流母线的正端，电流开始上升反之，当给定电流值与反馈电流值的瞬时值之差达到滞环宽度负边缘时，逆变器的开关管VT1关断，开关管VT4导通，电动机接通直流母线的负端，电流开始下降。选择适当的滞环环宽，即可使实际电流不断跟踪参考电流的波形，实现电流闭环控制。模块结构框图如图5-8所示，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。(a)滞环电流跟踪型PWM逆变器单项结构示意图(b)滞环电流跟踪型PWM逆变器输出电流电压波形图5-7滞环电流跟踪型PWM逆变器的工作原理图5-8电流滞环控制模块结构框图及其封装5.3.3速度调节采用离散PID算法，以获得最佳的动态效果。速度为积分的参数Kd为微分的参数。控制模块的结构较为简单，如图5-9所示，单输入：参考转速(n_ref)和实际转速(n)的差值，单输出：三相参考相电流的幅值Is。其中，Kp为PID控制器中比例的参数，Ki为积分的参数，Kd为微分的参数。Saturation饱和限幅模块将输出的三相参考相电流的幅值限定在要求范围内。（a）离散PID控制器(b)速度控制模块图5-9速度控制模块结构框图及其封装5.3.4参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2所示，参考电流模块的这一功能可通过S函数编程实现。5.3.5根据BLDC数学模型中的电磁转矩方程式，可以建立图5-10所示的转矩计算模块，模块输入为三相相电流与三相反电动势，通过加、乘模块即可求得电磁转矩信号Te。图5-10转矩计算模块结构框图及其封装5.3.6根据运动方程式(4)，由电磁转矩、负载转矩以及摩擦转矩，通过加乘、积分环节，即可得到转速信号，求得的转速信号经过积分就可得到电机位置信号，如图5-11所示。图5-11转速计算模块结构框图及其封装5.3.7逆变器对BLDC来说，首先是功率变换装置，也就是电子换向器，每一个桥臂上的一个功率器件相当于直流电动机的一个机械换向器，还同时兼有PWM电流调节器功能。对逆变器的建模，本文采用Simulink的SimPowerSystem工具箱提供的三相全桥IGBT模块。给IGBT的A、B、C三相加三个电压表，输出的Simulink信号可以与BLDC直接连接，如图5-12所示。逆变器根据电流控制模块所控制PWM信号，顺序导通和关断，产生方波电流输出。图5-12电压逆变器模块结构框图及其封装5.4仿真结果基于Matlab/Simulink建立了BLDC控制系统的仿真模型，并对该模型进行了BLDC双闭环控制系统的仿真。仿真中，BLDC电机参数设置为：定子相绕组电阻R＝1Ω，定子相绕组自感L＝0.02L，互感M＝-0.061H，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＝1，220V直流电源供电。离散PID控制器三个