一种深海矢量推进电机无位置载波变频控制方法和系统与流程

本发明属于深海矢量动力装备控制领域，具体涉及一种深海矢量推进电机无位置载波变频控制方法和系统。

背景技术：

1、动力装备在深海环境中的密封与耐压问题是制约我国深海航行器技术发展的瓶颈问题之一。为充分确保大潜深环境下密封的可靠性，采用无位置控制技术实现电机控制，降低电机本体和逆变器之间的电气连接复杂程度，减轻电缆密封处理的压力。传统永磁同步电机采用svpwm调制技术，逆变器以固定开关频率驱动功率器件的开通和关断，电压和电流在开关频率及其整数倍频率附近含有较多的谐波分量，导致电机产生高频电磁力波，而此时噪声频谱相对集中并以特征线谱的方式进行呈现，因此降低了载体平台的隐身性。

2、为充分确保大潜深环境下的隐身性，如何使电机及控制器确保高耐压、高能效的基础之上，在声学性能上也实现有效突破，是值得研究的。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种深海矢量推进电机无位置载波变频控制方法和系统，采用新型开关元器件载波频率动态调整等控制手段，使电机及控制器确保高耐压、高能效的基础之上，在声学性能上也实现有效突破。

2、本发明的技术方案具体如下：

3、一种深海矢量推进电机无位置载波变频控制方法，包括：

4、采用基于直轴电流id＝0的双闭环控制，即转子磁场的轴线方向与d轴重合，d轴落后q轴90°，估算出电机转子转速以及转子位置信息；

5、通过使电流估计值动态跟踪实际值，将两者之差作为切换控制函数，经滤波后实现电机转子转速与转子位置的估算，其中：

6、构造一个滑模观测器：

7、

8、

9、其中，vt＝[-ωsinθ,ωcosθ]t为反电势；ω为电机转速；is＝[iα,iβ]t为定子电流；vs＝[vα,vβ]t为定子电压；i为单位矩阵；a,b(x)∈rn*m；为is的估计值；ksw＝ki为滑模增益系数矩阵，k为滑模增益；sgn()表示切换函数，a为系统矩阵，b(x)为控制矩阵；

10、定义状态变量定子电流为滑模面，滑模面特性为：

11、z＝kswsgn(er)＝kevt+ξ

12、

13、式中，z为电流误差信号，ξ＝[ξα,ξβ]t为扰动；ke为反电势系数；经低通滤波可得到反电势估计值：

14、

15、

16、式中ωo是滤波器的截止频率；s是常数；

17、进一步求解可得转子位置估算值：

18、

19、进一步地，通过相移角△θ对相位延迟做出补偿，补偿后的转子位置估算值为：

20、

21、

22、滑模观测器得到的估算值和实际值的偏差作为控制函数的输入，经低通滤波后得到反电势进而得到引入相位补偿后，最终可得转子位置的估算值

23、进一步地，基于α-β同步旋转坐标系下pmsm的数学模型建立反电势观测器，对低通滤波后得到的与进行观测：

24、

25、其中，为改进型smo的反电势估算值；为改进型smo的转子电角速度估算值；k1为改进型smo的滑模系数；

26、改进型smo转子位置的估算值：

27、

28、改进型滑模观测器得到的电流状态量经低通滤波后得到反电势，经反电势观测器后通过转角计算，最终得到需要的转子位置与转子转速，转速等于转子位置对时间求导。

29、进一步地，输入为静止坐标系下的电压和电流，输出转子位置和转速。

30、本发明还涉及的一种深海矢量推进电机无位置载波变频控制系统，包括与深海矢量推进电机连接的传感器，dsp控制模块与功率单元连接；dsp控制模块产生信号送入功率单元，经过隔离放大后驱动开通和关断，功率单元每相输出端分别连接电流/电压传感器，并连接到深海矢量推进电机；dsp控制模块按上述的方法进行控制。

31、进一步地，dsp控制模块包括改进型smo模块，电流信号与电压信号输入到改进型smo模块后按上述的方法得到估算出的电机转动角速度与估算位置；改进型smo模块估算出的电机转动角速度经处理后对时间求导后得到电机转速作为速度环的输入。

32、本发明还涉及一种深海矢量推进装置，包括能稳定提供推进功率的动力源和能将推力矢量化控制的矢量舵系统，其中，电机转子与螺旋桨集成为一体，经动密封处理被安装在矢量推进装置尾部，集成电机的动力电缆通过水密接插件引入电子舱，电子舱内装有集成电机的逆变控制器，按上述的方法进行控制。

33、以表贴式永磁同步电机为基础，结合周期扩频调制(pcfm)技术和改进型滑模观测器(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。

34、通过电机变载波频率、电机起动变速和负载突变仿真实验，本文分析了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。

35、本发明提出的控制方法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，可有效地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。

技术特征：

1.一种深海矢量推进电机无位置载波变频控制方法，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过相移角△θ对相位延迟做出补偿，补偿后的转子位置估算值为：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：基于α-β同步旋转坐标系下pmsm的数学模型建立反电势观测器，对低通滤波后得到的与进行观测：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：输入为静止坐标系下的电压和电流，输出转子位置和转速。

5.一种深海矢量推进电机无位置载波变频控制系统，其特征在于：包括与深海矢量推进电机连接的传感器，dsp控制模块与功率单元连接；dsp控制模块产生信号送入功率单元，经过隔离放大后驱动开通和关断，功率单元每相输出端分别连接电流/电压传感器，并连接到深海矢量推进电机；dsp控制模块按权利要求1-4任一项所述的方法进行控制。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：dsp控制模块包括改进型smo模块，电流信号与电压信号输入到改进型smo模块后按权利要求1-4任一项所述的方法得到估算出的电机转动角速度与估算位置；改进型smo模块估算出的电机转动角速度经处理后对时间求导后得到电机转速作为速度环的输入。

7.一种深海矢量推进装置，其特征在于：包括能稳定提供推进功率的动力源和能将推力矢量化控制的矢量舵系统，其中，电机转子与螺旋桨集成为一体，经动密封处理被安装在矢量推进装置尾部，集成电机的动力电缆通过水密接插件引入电子舱，电子舱内装有集成电机的逆变控制器，按权利要求1-4任一项所述的方法进行控制。

技术总结
本发明涉及一种深海矢量推进电机无位置载波变频控制方法和系统，属于属于深海矢量动力装备控制领域，采用基于直轴电流id＝0的双闭环控制，估算出电机转子转速以及转子位置信息；输入为静止坐标系下的电压和电流，输出转子位置和转速；将固定开关频率及其整数倍附近的谐波均匀的分散到更宽的频带范围，从而降低高频电流谐波幅值，抑制高频电磁力波，通过载波频率变频调制实现噪声频谱的离散化，将开关频率、整数倍频率边频带能量均匀分布在相应的频率范围内，对外不显现固定频率带的特征线谱，从而改变载体平台的对外目标特性。

技术研发人员：黄小燕,谷宇杰,王羽,张强,刘亚兵,崔佳伦,钱林俊
受保护的技术使用者：昆明七零五所科技发展有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17