水下推进器控制系统设计与实现*

徐鹏程 曾庆军 朱春磊 戴晓强，2 赵 强，2 陈尧伟

（1.江苏科技大学电子信息学院 镇江 212003）（2.江苏舾普泰克自动化科技有限公司 镇江 212003）

1 引言

随着科技的发展和国防的需要，水下航行器应用越来越广泛［1]，水下航行器［2]中最主要的部分是水下推进器。随着电力推进装置的发展，出现了把电机本体和动力推进装置进行一体化设计的导管螺旋桨电机推进器［3]。这种水下推进器是集推进电机、减速器、螺旋桨和导流罩以及控制电路于一体的装置，具有高集成度、控制简单、易于安装、维护方便、体积小、重量轻、噪声振动小，散热好、功率密度大、效率高、适用范围广等优点。由于这种导管螺旋桨电机推进器结构十分紧凑，其被广泛应用为水下航行器的推进装置，为国防军事装备建设和海洋开发发挥着越来越重要的作用［4～5]。

近年来无刷直流电机以其功率密度大、效率高、响应速度快、结构简单、运行可靠、控制性能好等优点，得到了越来越广泛的应用，也成为水下推进器的首选类型［6]。无刷直流电机的基本构成包括：电机本体、电子换相电路和转子位置传感器三大部分。电机本体主要由定子和转子组成。电子换相电路一般由驱动部分和控制部分组成。转子位置检测传感器是用于检测电机转子相对于定子的位置，并向控制器提供位置信号的一种装置，因受限于使用环境和成本等问题，其逐渐被无位置传感器技术取代［7～9]。

本文根据水下推进器的设计要求，研制了一款新型控制系统，设计并制作了电机驱动的硬件电路板，对推进器进行了水下试验以验证设计的正确性。

2 水下推进器结构与控制系统

2.1 水下推进器结构

本文采用的水下推进器整体结构如图1所示。

图1 水下推进器整体结构图

2.2 控制系统原理

控制系统的原理框图如图2所示，主要由电源电路、过流保护电路、接口、驱动电路、功率逆变电路、反电动势检测电路、JY01无刷直流电机驱动控制集成控制器等组成。

图2 控制系统原理框图

本文的水下推进器采用48V直流供电，由于各模块需要不同的供电电压，因此需要设计斩波电路给各模块供电；为了防止逆变电路故障或者电机堵转等原因导致电流过大损坏电机，设计了电流采样电路，一旦电流超过允许值，就会触发JY01控制芯片的过流保护端口，关闭所有输出；接口负责将外部控制无刷直流电机转向和转速的电压信号连接到控制系统，同时输出无刷直流电机的转速脉冲信号以获得推进器的时机转速，此外接口还给推进器的电源模块供电；驱动电路用于驱动MOS管，功率逆变电路将直流电逆变成三相方波交流电使电机转动；反电动势检测电路通过检测三相反电动势过零点，以判断转子位置［10]；JY01为无刷直流电机驱动控制专用集成控制器，输入转向和转速电压信号、输入电机转子位置信号，输出电机转速信号、输出三相全桥逆变电路上下桥臂驱动信号。

3 控制系统电路设计

3.1 设计目标

驱动电路额定功率1.5kW，供电电压48VDC，过载保护；推进器额定转速1800rpm且转速可调；转向控制正/反转切换，推进器正向最大推力330N，反向最大推力300N。

3.2 电路设计

驱动电路、功率逆变电路原理图如图3所示。驱动电路由三个高速MOSTET集成驱动芯片IR2101组成，驱动由六个MOSFET组成的三相全桥逆变电路，MA、MB、MC分别连接电机定子的三相线圈。

图3 驱动电路、功率逆变电路原理图

电源电路原理图如图4所示。VCC为48V直流电输入，采用MAX5035C和2940专用电源模块将48VDC斩波成12VDC和5VDC，分别给驱动电路和JY01芯片供电。

图4 电源电路原理图

反电动势检测电路原理图如图5所示。当检测到非导通相的过零点，再滞后30°就是导通相的换相时刻。

图5 反电动势检测电路原理图

图6 JY01控制芯片

如图6所示，JY01为无刷直流电机驱动控制专用集成芯片，具有应用方便、外围电路简单、噪音小、效率高等优点。JY01共有16个管脚，其中有6个SVPWM波输出引脚，连接驱动电路；有3个转子位置检测输入引脚，通过反电动势检测电路输出的电压信号判断转子位置，计算换相时间；VR为电机调速引脚，输入电压为0～5V，随着电压增大，电机转速增加；F0/EL引脚为启动转矩调节引脚，在无刷无霍尔电机控制方面启动力矩设定是否合适决定了电机是否能顺利启动，启动力矩小了电机不动或启动困难，启动力矩过大电机抖动厉害或偶尔在启动时有反转现象，所以必须设定一个合适的启动力矩值；Is为过流保护引脚，JY01有过载保护和电流异常保护功能，当Is脚电压达到0.1V时，过载监控启动，并进入恒流状态，保持驱动电流的恒定，此时驱动电流不再随着VR端的电压升高而升高，也不会随着负载的增大而增大，在此状态JY01会继续为电机提供持续恒定的驱动功率，保持电机的正常运行；Z/F引脚为转向控制脚，JY01具有软换向功能此功能在很多应用中起到了的保护了功率管和电机作用，提高了运行的可靠性的使用寿命，当电机正在向一个方向转动时Z/F电平发生变化，驱动首先停止输出，让电机自由停止后，再向另一个方向运转；M引脚为转速信号输出脚，输出转速脉冲信号，可用于计算电机实际转速。

4 实物与测试

图7为水下推进器实物图，推进器长392mm，重10kg；图8为控制系统电路板实物图，电路板采用叠加式结构，上层为功率电路，下层为控制电路，有利于节省空间和屏蔽干扰。图9为进行推进器水下测试，图中的推力测试架根据等臂杠杆的原理设计制作［11～12]，推进器的安装如图a所示，图b中的推力计显示推进器推力的数值大小。

图7 水下推进器实物图

图8 控制系统硬件电路板实物图

推进器水下测试结果如下。

根据测试数据绘制的推力与转速的关系曲线如图10所示，螺旋桨顺时针和逆时针旋转的推力分别表示推进器正向和反向的推力。从图中可以看到，推进器正向的推力最大可达360N，反向推力最大可达310N，均达到设计目标且略有超过。

图9 推进器水下测试

图10 推力与转速关系

5 结语

本文介绍了一种用于水下机器人的导管螺旋桨电机推进器的控制系统，设计与制作了推进器控制系统的硬件电路，并进行了推进器水下测试，测试结果表明，设计的控制系统能够使推进器的正向最大推力达到360N，反向最大推力达到310N，均达到了设计目标且略有超过。