摘 要摘 要近些年来，我国在海洋资源开发方面给予了大量投资，使得我国水下机器人行业得到了巨大发展，为我国认识、开发和保护海洋资源提供了重要条件。根据水下机器人当下所发挥的重要作用来看，其将会向着更加实用、便捷、稳定的方向发展。如果水下机器人采用永磁同步电机作为动力系统可以带来很多提升。在近些年来，永磁同步电机（PMSM，Permanent-Magnet Synchronous Motor）由于体积比较小，电能损耗比较低、运行效率比较高等优点得到了广泛的应用，采用永磁同步电机的控制系统需要精确掌握电机转子位置信息，传统控制方案一般的做法是在转子轴上安装传感器来获取转子的速度和位置信息，但这样增加了系统成本，而且可能因安装了额外的传感器使得系统使用条件被限制或者降低系统稳定性。因此研究永磁同步电机的无传感器控制方案具有重要意义。本文分析了永磁同步电机基本机构，建立了永磁同步电机的数学模型。研究了基于脉振高频电压注入法的矢量控制方案，分析并设计了估算转子位置估算环节，利用电机绕组产生的相关信号再通过PII控制算法估算转子速度和位置信息，另外设计了转子极性判别模块以实现转子位置的精确估计。最后在Matlab/Simulink平台建立仿真模型以验证设计的控制方案的可行性与准确性。关键词水下机器人；永磁同步电机；高频注入法；无传感器控制
Key words: Underwater robots; PMSM; High frequency injection; No sensor control 目 录
第一章 绪论 1
1.1 水下机器人与永磁同步电机的应用现状与发展 1
1.2 永磁同步电机控制方案国内外研究现状 4
1.3 课题研究意义 6
1.4 课题主要研究内容 6
1.5 本章小结 7
第二章 永磁同步电机数学模型分析 8
2.1 永磁同步电机的基本结构与特征 8
2.2 永磁同步电机的数学模型 8
2.3 坐标变换 11
2.4 本章小结 13
第三章 永磁同步电机的矢量控制 15
3.1 永磁同步电机的矢量控制策略 15
3.2 永磁同步电机矢量控
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制思想 15
3.3电压空间矢量调制技术（SVPWM） 16
3.3.1 电压空间矢量调制原理 16
3.3.2 SVPWM的实现 17
3.4 矢量控制方案 19
3.5 本章小结 20
第四章 永磁同步电机在脉振高频电压注入法下的控制策略 22
4.1 高频信号激励下的永磁同步电机数学模型分析 22
4.2高频信号激励下的转子位置和速度检测原理 23
4.3转子位置观测器设计 26
4.4 转子极性判别 27
4.5 基于脉振高频电压注入法的矢量控制系统 29
4.6 本章小结 30
第五章 仿真与分析 31
5.1 系统仿真模型分析 31
5.2 系统仿真结果 32
5.3 本章小结 36
第六章 总结与展望 37
6.1 总结 37
6.2 展望 37
致 谢 39
参考文献 40
第一章 绪论
水下机器人与永磁同步电机的应用现状与发展
海洋在地球上占据最大的面积，其中含有地球上80%的生物资源。水下机器人近些年来在各方面表现突出，尤其是水下作业、深海探索等方面。海洋中资源丰富，现在各国都在准备或已经进军海洋以获取各种资源，从近些年来的国际局势可以看出，海洋已经成为国际竞争的又一重要领域，谁的技术先进，谁将更有话语权，水下机器人是当代科研人员探索海洋资源不可或缺的工具，为我国认识、开采和保护海洋资源提供了重要条件，同时也为我国未来的发展奠定了扎实的基础。
水下机器人有两种：有缆遥控水下机器人（ROV，Remote Operated Vehicle）和自主水下机器人（AUV，Autonomous Underwater Vehicle）。ROV在20世纪60年代最早出现在美国，随着海洋资源的开发利用、水下勘探行业的发展，ROV的研发快速发展，功能不断增加，稳定性不断增强。 使用ROV的水面操作人员可以通过ROV的摄像机等设备实时的观察水下环境并遥控机械臂完成特殊操作，对机器人智能程度要求不高，但缺点是设备必须有电缆连接，所以ROV的在水下的活动范围有限；AUV不需要电缆连接，在水下的移动范围大，不受水面母船制约，因此AUV对机器的智能程度要求较高，受限于当下技术原因，目前一般用于较为简单的水下探测作业。由于ROV为有缆水下机器人，不必装配蓄电池以及逆变器、电频器等装备，从而可以大大简化设备，减小设备体积，但是相较于传统ROV还可以再度减小设备体积。
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图11 我国自主研制的北极ARV水下机器人
在早些年，永磁同步电机（PMSM，PermanentMagnet Synchronous Motor）所使用的永磁体材料不能为电机提供足够的磁密，并且控制永磁同步电机的系统一般要使用到电力电子设备，而诸如逆变器这样的电力电子设备由于技术以及成本问题还不能广泛投入使用，导致永磁同步电机的应用范围和适用场合非常受限；而处在现代社会，由于环境问题突出，能源紧张，而稀土永磁材料钕、铁、硼等性能提高，价格降低，研究与开发永磁同步电机及其控制系统是缓解环境恶化、能源紧张问题的一个重要途径，因此开发高效节能的电机及稳定的驱动系统是当务之急。
在诸多种类的电机中，永磁同步电机及其控制系统性能优越，有众多其他电机无法比拟的能力。永磁同步电机相比较于传统感应电机优点众多：功率因数高，效率高，起动力矩大，温升低，可靠性高，因而永磁同步电机已经广泛地应用到伺服系统、水下机器人、电动汽车、船舶推进和国防等诸多领域。
永磁同步电机是众多高新技术及产业的基础，可以结合其他技术领域的技术制造出更多新型、性能优越的机电一体化产品设备，比如电力电子技术。永磁同步电机在当下已经有了很多发展方向 ：
（1）节能高效发展方向 永磁同步电机比传统异步电机、直流电机节能高效，但是继续研发更高效、节能的永磁同步电机是非常有必要的，尤其是当下我国稀土永磁材料已经取得巨大进步，钕铁硼产量已经居于世界前列，占世界总产量的80% [2] ；现在已经有很多汽车厂家研发生产配置永磁同步电机的电动汽车，而且表现良好，但仍需要进一步研发改善；

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