水下机械臂关节伺服控制系统设计.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要

本文设计了一种适用于在水下200m完成作业任务的水下机械臂关节伺服控

制系统。本文在选用以永磁同步电机为动力源的电气驱动的基础上，设计并实现了

水下机械臂关节伺服控制系统的永磁同步电机控制系统和多传感器信息采集系统。

本文对电机的控制方法进行了理论分析并完成仿真验证，并设计多传感器信息采

集系统，实时检测关节单元状态信息并完成闭环控制。根据电机的控制方法和传感

器的测量原理，以及系统设计需求，确定系统软硬件设计的整体方案，搭建关节单

元伺服控制系统，通过实验测试系统性能参数。

首先，本文针对水下机械臂在水下200m环境下受到2MPa海水压强问题，设

计能够承受最大3MPa海水压强的关节单元。在此基础上设计以表贴式永磁同步

电机为动力来源的水下机械臂关节单元电气伺服控制系统，对永磁同步电机的工

作原理进行理论分析，建立数学模型，研究磁场定向矢量控制方法和空间矢量脉宽

调制技术的原理和实现。并基于此控制方法建立永磁同步电机伺服控制系统模型，

对电机闭环控制的性能仿真，验证控制方法的可行性。

其次，本文设计并研制了伺服控制系统的多传感器信息采集系统，用于实现电

机闭环控制和机械臂主动柔顺控制。研究双位置信息融合方法来提高关节单元位

置测量精度，提高关节单元伺服控制系统的定位控制精度和稳定性；完成电机定子

相电流的检测电路设计；设计由电阻应变片组成的惠斯通电桥及其信号调理电路，

完成关节单元的力矩传感器设计。

然后，基于电机控制算法和传感器测量原理，以及系统设计需求，确定以

“STM32+FPGA”芯片为核心的关节伺服控制系统的整体设计方案，完成伺服控制

系统的电机驱动控制的硬件电路设计和电机控制算法实现的软件程序设计。

最后，搭建水下机械臂关节单元的伺服控制系统实验平台。完成关节单元的密

封性实验和伺服控制系统水下电气性能测试实验，确保关节单元伺服控制系统在

水下3MPa压强作用下能够稳定工作。通过实验验证本文提出的控制方法的可行

性和有效性，对本文设计的伺服控制系统进行闭环测试，实验数据分析得到电流环

闭环误差波动8.9%，速度环闭环误差9.8%，关节单元定位控制精度可达0.15，

验证其满足系统设计需求。

关键词：水下机械臂；伺服控制系统；永磁同步电机；矢量控制；多传感器信息采

集

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

Abstract

Thispaperdesignsanunderwaterroboticarmjointservocontrolsystemsuitablefor

completingoperationaltasksat200munderwater.Thispaperdesignsandimplementsa

permanentmagnetsynchronousmotorcontrolsystemandamulti-sensorinformation

acquisitionsystemfortheunderwaterroboticarmjointservocontrolsystembasedonthe

electricaldrivewithpermanentmagnetsynchronousmotorasthepowersource.Inthis

paper,themotorcontrolmethodistheoreticallyanalyzedandsimulated,andthemulti-

sensorinformationacquisitionsystemisdesignedtodetectthejointunitstatus

informationinrealtimeandcompletetheclosed-loopcontrol.Andacco