變頻調速在無人艇驅動中的應用
【摘 要】：電力驅動無人艇作為船舶工業未來發展的方向，變頻調速技術在無人艇驅動的應用讓電力驅動與無人艇控制得到更好的結合。本文設計一種新型的船舶超聲波測速裝置，該裝置成本低，實時性好，測量精度高抗干擾能力強。采用滑模控制方法設計無人艇航速控制器，進行仿真分析，驗證算法的有效性。采用1.4米長深V型滑行艇作為實驗平臺，以永磁同步電機作為無人艇主機，使用變頻調速方法控制主機，進行物理實驗，實驗結果航速控制穩定，效果良好。
1 引言
在能源結構正在發生深刻變化的時代，許多國家都已推出了燃油汽車禁售時間表，傳統的船舶行業也將會發生變革，船舶將逐步向電力驅動、智能化、無人化方向發展[1]。電力驅動無人艇作為未來船舶發展的先驅者，已是近些年來的研究熱點[2]。同時隨著電力電子技術的發展，變頻調速技術得到了快速的發展和廣泛的應用，變頻調速技術已成為最理想、最有前途的電機調速方式[3]。在無人艇控制中，采用變頻調速技術驅動無人艇主機，使得無人艇驅動具有更好的控制性能和更高的效率與靈活性。
本文研究了變頻調速技術在無人艇驅動中的應用，采用永磁同步電機作為無人艇動力主機，使用變頻調速技術控制電機轉速實現對無人艇航速的控制。同時在本文的航速控制器中，還設計一種新型的利用超聲波收發器測量船舶對水速度的裝置，該裝置可用于湖邊或水流較為緩慢的河水或者海域，在這些環境中所可以忽略水流速度，超聲波測速裝置所測到的對水速度即可視為無人艇的航速。在無人艇驅動控制中，首先利用超聲波測速裝置檢測無人艇的實時航速，并將航速輸入無人艇航速滑模控制器，輸出無人艇所需推力，再根據推力與主機轉速的關系公式得到所需電機轉速，最后使用變頻調速技術驅動無人艇主機，完成無人艇驅動控制。無人艇驅動控制框圖如圖1所示。
2 無人艇航速檢測
無人艇航速的檢測是實現對無人艇航速控制的關鍵前提，現有的船速測量使用的多普勒船速儀，GNSS組合導航系統等測量的是對地速度[4]，而且多適用于大型船艦。隨著市場需求的發展，越來越多的小型無人船舶（船長3m以內）開始出現，上述測量方式測量誤差較大，對于小型無人船舶并不適用，采用GPS/北斗等導航衛星方式測量對水速度對于小型船舶誤差較大，采用差分GPS等高精度設備可以滿足小型無人船舶的測量使用需求[5]，但是極大地限制了小型無人船舶的使用環境，抬高了小型無人艇的成本，不利于小型無人艇的推廣應用。
本文提出一種新型的船速測量方法，可以測量無人艇等船舶的對水速度，采用兩組超聲波收發器組合而成測速裝置，本裝置成本低，適用范圍廣，對船舶尺寸沒有要求，且具有實時性好，測量精度高抗干擾能力強等優點。
2.1 超聲波測速裝置原理
超聲波測速裝置由于其使用方便，測量精度高，測量速度快，使用成本低等優勢在流量監測等領域得到了廣泛應用，超聲波測速采用速度差原理進行流體流速檢測。超聲波測速裝置使用一對超聲波收發裝置進行測速，安裝方式按照使用方式分為V字形安裝方式，平行安裝方式等，每個超聲波測量裝置均有發送和接收超聲波的功能，在測量時間內，每對超聲波收發器組輪流發送定向超聲波，測量超聲波在收發器內之間傳播所需要的時間。根據速度的疊加原理，超聲波在流體中傳播的速度為超聲波的聲速加上超聲波傳播方向流體的速度，由于每對超聲波收發器安裝的位置不同，因此超聲波在收發器之間傳播的時間也不同（流體非靜止狀態下），根據超聲波傳播速度的時間差即可計算出流體速度.
