船舶步进电机位置精度优化控制方法

　　摘 要: 综合现有方法的研究思想，设计一种新的船舶步进电机位置精度优化控制方法。首先对船舶步进电机进行仿真，构建船舶步进电机的数学模型。接着对船舶步进电机实施系统辨识，在系统辨识中需要对辨识数据进行获取并对其进行预处理，然后通过神经网络进行系统辨识。最后根据系统辨识结果设计船舶步进电机位置精度优化控制器，实现船舶步进电机的位置精度优化控制。对船舶步进电机进行仿真，对设计方法进行仿真实验测试。测试结果表明，设计方法下的运行响应时间最低可达 6.35 ms，在负载扰动时间不断增加的情况下，设计方法的调节时间最短且增长更加稳定。说明设计方法较为优越，有很强的实用性。

　　关键词：船舶步进电机;辨识数据;位置精度优化控制;磁网络仿真模型;伪随机信号

　　Abstract: Based on the research ideas of the existing methods, a new method of optimal control of the position accuracy of the ship's stepper motor is designed. Firstly, the ship stepper motor is simulated, and the mathematical model of the ship stepper motor is constructed. Then the system identification is implemented for the ship stepping motor. In the system identification, the identification data needs to be obtained and preprocessed, and then the system identification is carried ou through the neural network. Finally, according to the system identification results, the position accuracy optimization control-ler of the ship stepping motor is desjgned to realize the optimization control of the position accuracy of the ship stepping motor. Carry on simulation to the ship stepping motor, and carry on the simulation experiment test to the design method. Thetest results show that the operating response time under the design method is as low as 6.35 ms, when the load disturbance time continues to increase, the adjustment time of the design method is the shortest and the increase is more stable. It shows that the design method is superior and has strong practicability.

　　Key words: ship stepping motor; identification data; position accuracy optimization control; magnetic network simulation model; pseudo-random signal

　　0 引　言

　　近年来，在世界范围内海上开采业都获得了迅速的发展，对船舶的实际作业提出了越来越多的要求[1]。为了使船舶能够真正开展多样化的作业，对深海资源进行更大规模的开发，缓解人类目前面临的资源紧缺问题，必须为船舶配备精度更好的步进电机，才能使船舶在深海风浪较高的恶劣环境下进行安全作业与深海救生[2]。对船舶步进电机进行位置精度优化控制

　　是提升步进电机精度的重要途径，引发了相关学者的重视。

　　对于船舶步进电机位置精度优化控制方面的研究，国外约始于 20 世纪 50 年代，真正取得研究成果则是在 70 年代。在研究中，有学者提出一种基于数字控制技术的船舶步进电机位置精度优化控制方法，获得了较为广泛地应用。而国内对于船舶步进电机位置精度优化控制方面的研究则起步较晚。这是由于我国在20世纪初期才真正实现了船舶步进电机的开发，随着电力电子技术与半导体技术的发展，步进电机位置精度优化控制方面的研究也逐渐取得成果。近期就有学者提出了一种微控制器技术下的船舶步进电机位置精度优化控制方法，本文综合现有方法的研究思想设计一种新的船舶步进电机位置精度优化控制方法。

　　1船舶步进电机位置精度优化控制方法设计

　　1.1 数学模型构建

　　首先对船舶步进电机进行仿真，构建船舶步进电机的数学模型。构建数学模型之前需要做出如下假设：

　　1)忽略电机的涡流效应与磁滞损耗;

　　2)将铁心部分的电机导磁率视为0o;

　　3)随着失调角的变化，定子极下的电机气隙磁导也会作出周期性变化。仅考虑气隙磁导的恒定分量与基波分量，不对其他谐波分量进行考虑。

　　在以上假设下构建船舶步进电机的对应磁网络仿真模型，根据其磁网络仿真模型构建各相的数学等效模型，具体如图1所示。

　　1.2 系统辨识

　　接着对船舶步进电机实施系统辨识，在系统辨识中需要对辨识数据进行获取并对其进行预处理，然后通过神经网络进行系统辨识[3]。

　　通过船舶步进电机的输入信号获取船舶步进电机辨识数据，选取的输入信号为伪随机信号，主要包括二进制伪随机信号以及多幅值伪随机信号。

　　预处理辨识数据的具体做法是对伪随机信号进行归一化处理，使用的公式具体如下：

　　1.3 位置精度优化控制

　　最后根据系统辨识结果设计船舶步进电机位置精度优化控制器，实现船舶步进电机的位置精度优化控制[4]。设计的船舶步进电机位置精度优化控制器的硬件结构如图 2 所示。

　　设计的船舶步进电机位置精度优化控制器的软件运行流程如图 3 所示。

　　2 仿真分析

　　2.1 仿真实验参数

　　对设计的船舶步进电机位置精度优化控制方法进行仿真实验测试。在仿真测试中首先对船舶步进电机进行仿真，仿真参数如表 1 所示。

　　2.2 实验方法设计

　　利用设计的船舶步进电机位置精度优化控制方法对实验仿真船舶步进电机实施位置精度优化控制。首先获取该方法控制下步进电机运行时的响应速度，接着在该方法控制下对步进电机施加负载扰动，测试该方法在负载扰动下的调节性能，也就是对该方法的负载扰动调节时间进行测试。

　　2.3 获取实验结论

　　在测试船舶步进电机运行时的响应速度时，设计的船舶步进电机位置精度优化控制方法与基于数字控制技术、微控制器技术下的船舶步进电机位置精度优化控制方法的仿真实验结果如表 2 所示。

　　表 2 实验结果表明，设计的船舶步进电机位置精度优化控制方法的船舶步进电机运行响应时间整体最短，最低可达 6.35 ms，完全低于基于数字控制技术、微控制器技术下的船舶步进电机位置精度优化控制方法的船舶步进电机运行响应时间。说明对于船舶步进电机来说，设计方法能够使其拥有更快的响应速度。

　　在测试负载扰动调节时间时，设计的船舶步进电机位置精度优化控制方法与 2 种对比船舶步进电机位置精度优化控制方法的仿真实验结果如表 3 所示。

　　根据表 3 的实验结果可知，在负载扰动时间不断增加的情况下，设计的船舶步进电机位置精度优化控制方法的调节时间最短且负载扰动调节时间的增长更加稳定。而基于数字控制技术、微控制器技术下的船舶步进电机位置精度优化控制方法的负载扰动调节耗时较长且增速更快。

　　3 结　语

　　通过对船舶步进电机位置精度优化控制方法进行研究，实现了运行响应时间的缩短以及负载扰动调节时间的缩短。

　　参考文献：

　　[1]王晓琳, 鲍旭聪, 石滕瑞. 一种可抑制三次谐波的五相混合式步进电机空间矢量脉宽调制优化控制策略 [J]. 南京航空航天大学学报, 2020, 52(2): 181–190.

　　[2]郑王刚, 孟淑丽, 郝雷. 基于改进遗传算法优化的双步进电机伺服阀控制研究 [J]. 机床与液压, 2020, 48(9): 150–154.

　　[3]瞿济伟, 郭康权, 宋树杰, 等. 农用柔性底盘偏置转向机构工作参数试验及优化 [J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版),2020, 48(6): 131–142.

　　[4]姚绪梁, 张永奇, 王景芳. 一种变细分数的 3D 打印步进电机控制方法 [J]. 电气传动, 2019, 49(1): 65–67.

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文章名称： 船舶步进电机位置精度优化控制方法

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