变频调速在无人艇驱动中的应用

 关键词：变频调速；无人艇；超声波测航速；滑模控制

1 引言

在能源结构正在发生深刻变化的时代，许多国家都已推出了燃油汽车禁售时间表，传统的船舶行业也将会发生变革，船舶将逐步向电力驱动、智能化、无人化方向发展^[1]。电力驱动无人艇作为未来船舶发展的先驱者，已是近些年来的研究热点^[2]。同时随着电力电子技术的发展，变频调速技术得到了快速的发展和广泛的应用，变频调速技术已成为最理想、最有前途的电机调速方式^[3]。在无人艇控制中，采用变频调速技术驱动无人艇主机，使得无人艇驱动具有更好的控制性能和更高的效率与灵活性。

本文研究了变频调速技术在无人艇驱动中的应用，采用永磁同步电机作为无人艇动力主机，使用变频调速技术控制电机转速实现对无人艇航速的控制。同时在本文的航速控制器中，还设计一种新型的利用超声波收发器测量船舶对水速度的装置，该装置可用于湖边或水流较为缓慢的河水或者海域，在这些环境中所可以忽略水流速度，超声波测速装置所测到的对水速度即可视为无人艇的航速。在无人艇驱动控制中，首先利用超声波测速装置检测无人艇的实时航速，并将航速输入无人艇航速滑模控制器，输出无人艇所需推力，再根据推力与主机转速的关系公式得到所需电机转速，最后使用变频调速技术驱动无人艇主机，完成无人艇驱动控制。无人艇驱动控制框图如图1所示。

2 无人艇航速检测

无人艇航速的检测是实现对无人艇航速控制的关键前提，现有的船速测量使用的多普勒船速仪，GNSS组合导航系统等测量的是对地速度^[4]，而且多适用于大型船舰。随着市场需求的发展，越来越多的小型无人船舶（船长3m以内）开始出现，上述测量方式测量误差较大，对于小型无人船舶并不适用，采用GPS/北斗等导航卫星方式测量对水速度对于小型船舶误差较大，采用差分GPS等高精度设备可以满足小型无人船舶的测量使用需求^[5]，但是极大地限制了小型无人船舶的使用环境，抬高了小型无人艇的成本，不利于小型无人艇的推广应用。

本文提出一种新型的船速测量方法，可以测量无人艇等船舶的对水速度，采用两组超声波收发器组合而成测速装置，本装置成本低，适用范围广，对船舶尺寸没有要求，且具有实时性好，测量精度高抗干扰能力强等优点。

2.1 超声波测速装置原理

超声波测速装置由于其使用方便，测量精度高，测量速度快，使用成本低等优势在流量监测等领域得到了广泛应用，超声波测速采用速度差原理进行流体流速检测。超声波测速装置使用一对超声波收发装置进行测速，安装方式按照使用方式分为V字形安装方式，平行安装方式等，每个超声波测量装置均有发送和接收超声波的功能，在测量时间内，每对超声波收发器组轮流发送定向超声波，测量超声波在收发器内之间传播所需要的时间。根据速度的叠加原理，超声波在流体中传播的速度为超声波的声速加上超声波传播方向流体的速度，由于每对超声波收发器安装的位置不同，因此超声波在收发器之间传播的时间也不同（流体非静止状态下），根据超声波传播速度的时间差即可计算出流体速度.