同轴双桨水下推进器控制系统研究.pdf

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

摘要

对转推进系统具有转矩自平衡、运行效率高等优点，被广泛应用于飞机、

水下航行器等移动平台。双电机同轴双桨水下推进器属于一种多电机对转推进

系统，可以有效避免现有对转驱动方案中双转子电机在负载不平衡时的脉动问

题和对转电机在大功率等级下的散热问题，因此具有较高的应用价值。但由于

参数误差等因素的影响，系统中两台电机的转矩无法保持一致，导致航行器发

生横滚现象，降低航行器运行稳定性，本文主要针对双电机同轴双桨推进系统

中的转矩不平衡问题进行研究。

首先，对同轴双桨对转推进系统的数学模型与转矩平衡条件进行推导。结

合传统永磁同步电机的数学模型与螺旋桨负载的转矩转速特性，得到同轴双桨

对转推进系统的数学模型，依据数学模型对稳态和暂态的转矩平衡条件进行研

究，对造成系统中两台电机转矩不一致的各种因素进行分析并提出相应的控制

策略，搭建仿真模型对参数不一致时系统的同步性能进行仿真测试，并对所提

出的同步控制策略的有效性进行仿真验证。

其次，对多种在线参数辨识策略的辨识精度与鲁棒性进行研究。对比分析

不同参数在稳态与动态过程中的敏感度，分别研究各参数对航行器横滚现象的

影响规律以及参数敏感度随电流的变化规律，对不同在线参数辨识策略的辨识

精度进行仿真测试，分析未辨识参数误差对参数辨识结果误差的影响规律，对

不同参数辨识策略的精度与鲁棒性进行对比。

再次，对比分析多种负载转矩观测器的观测精度与跟踪性能。为提高转矩

控制精度、实现转矩闭环控制，对多种负载转矩观测器进行研究，针对EKF观

测器跟踪性能较差的问题，在强跟踪EKF观测器的基础上提出了简化型强跟踪

EKF观测器，在保证观测器跟踪速度的前提下减小了控制器运算量，之后对运

算量更低的龙贝格观测器进行研究与仿真分析，对多种观测器的观测性能进行

对比分析。

最后，对基于参数补偿和转矩补偿的同步控制策略进行研究。在控制器中

加入了在线参数辨识环节与负载转矩观测器，分别对参数补偿与转矩补偿同步

控制策略的性能进行仿真分析与对比，最后将两种同步策略结合使用并进行仿

真测试，验证协同补偿同步控制策略的有效性。

关键词：同轴双桨对转系统；多电机同步控制；在线参数辨识；负载观测器

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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

Abstract

Thecounter-rotatingpropulsionsystemhastheadvantagesoftorquebalancing

andhighoperationalefficiency,andiswidelyusedinmobilevehiclessuchas

aircraftandunderwatervehicles.Thedual-motorcoaxialdual-propellerunderwater

thrusterbelongstoamulti-motorcounter-rotatingpropulsionsystem,whichcan

effectivelyavoidthepulsationproblemofthedual-rotormotorwhentheloadis

unbalancedandtheheatdissipationproblemofthecounter-rotatingmotorathigh

powerlevelsinexistingcounter-rotatingdriveschemes.Therefore,ithashigh

applicationvalueHowever,duetofactorssuchasparametererrors,thetorqueof

thetwomotorsinthesystemmaynotbeequal,whichca