摘 要: 綜合現有方法的研究思想，設計一種新的船舶步進電機位置精度優化控制方法。首先對船舶步進電機進行仿真，構建船舶步進電機的數學模型。接著對船舶步進電機實施系統辨識，在系統辨識中需要對辨識數據進行獲取并對其進行預處理，然后通過神經網絡進行系統辨識。最后根據系統辨識結果設計船舶步進電機位置精度優化控制器，實現船舶步進電機的位置精度優化控制。對船舶步進電機進行仿真，對設計方法進行仿真實驗測試。測試結果表明，設計方法下的運行響應時間最低可達 6.35 ms，在負載擾動時間不斷增加的情況下，設計方法的調節時間最短且增長更加穩定。說明設計方法較為優越，有很強的實用性。

　　關鍵詞：船舶步進電機;辨識數據;位置精度優化控制;磁網絡仿真模型;偽隨機信號

　　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

　　近年來，在世界范圍內海上開采業都獲得了迅速的發展，對船舶的實際作業提出了越來越多的要求[1]。為了使船舶能夠真正開展多樣化的作業，對深海資源進行更大規模的開發，緩解人類目前面臨的資源緊缺問題，必須為船舶配備精度更好的步進電機，才能使船舶在深海風浪較高的惡劣環境下進行安全作業與深海救生[2]。對船舶步進電機進行位置精度優化控制

　　是提升步進電機精度的重要途徑，引發了相關學者的重視。

　　對于船舶步進電機位置精度優化控制方面的研究，國外約始于 20 世紀 50 年代，真正取得研究成果則是在 70 年代。在研究中，有學者提出一種基于數字控制技術的船舶步進電機位置精度優化控制方法，獲得了較為廣泛地應用。而國內對于船舶步進電機位置精度優化控制方面的研究則起步較晚。這是由于我國在20世紀初期才真正實現了船舶步進電機的開發，隨著電力電子技術與半導體技術的發展，步進電機位置精度優化控制方面的研究也逐漸取得成果。近期就有學者提出了一種微控制器技術下的船舶步進電機位置精度優化控制方法，本文綜合現有方法的研究思想設計一種新的船舶步進電機位置精度優化控制方法。

　　1船舶步進電機位置精度優化控制方法設計

　　1.1 數學模型構建

　　首先對船舶步進電機進行仿真，構建船舶步進電機的數學模型。構建數學模型之前需要做出如下假設：

　　1)忽略電機的渦流效應與磁滯損耗;

　　2)將鐵心部分的電機導磁率視為0o;

　　3)隨著失調角的變化，定子極下的電機氣隙磁導也會作出周期性變化。僅考慮氣隙磁導的恒定分量與基波分量，不對其他諧波分量進行考慮。

　　在以上假設下構建船舶步進電機的對應磁網絡仿真模型，根據其磁網絡仿真模型構建各相的數學等效模型，具體如圖1所示。

　　1.2 系統辨識

　　接著對船舶步進電機實施系統辨識，在系統辨識中需要對辨識數據進行獲取并對其進行預處理，然后通過神經網絡進行系統辨識[3]。

　　通過船舶步進電機的輸入信號獲取船舶步進電機辨識數據，選取的輸入信號為偽隨機信號，主要包括二進制偽隨機信號以及多幅值偽隨機信號。

　　預處理辨識數據的具體做法是對偽隨機信號進行歸一化處理，使用的公式具體如下：

　　1.3 位置精度優化控制

　　最后根據系統辨識結果設計船舶步進電機位置精度優化控制器，實現船舶步進電機的位置精度優化控制[4]。設計的船舶步進電機位置精度優化控制器的硬件結構如圖 2 所示。

　　設計的船舶步進電機位置精度優化控制器的軟件運行流程如圖 3 所示。

　　2 仿真分析

　　2.1 仿真實驗參數

　　對設計的船舶步進電機位置精度優化控制方法進行仿真實驗測試。在仿真測試中首先對船舶步進電機進行仿真，仿真參數如表 1 所示。

　　2.2 實驗方法設計

　　利用設計的船舶步進電機位置精度優化控制方法對實驗仿真船舶步進電機實施位置精度優化控制。首先獲取該方法控制下步進電機運行時的響應速度，接著在該方法控制下對步進電機施加負載擾動，測試該方法在負載擾動下的調節性能，也就是對該方法的負載擾動調節時間進行測試。

　　2.3 獲取實驗結論

　　在測試船舶步進電機運行時的響應速度時，設計的船舶步進電機位置精度優化控制方法與基于數字控制技術、微控制器技術下的船舶步進電機位置精度優化控制方法的仿真實驗結果如表 2 所示。

　　表 2 實驗結果表明，設計的船舶步進電機位置精度優化控制方法的船舶步進電機運行響應時間整體最短，最低可達 6.35 ms，完全低于基于數字控制技術、微控制器技術下的船舶步進電機位置精度優化控制方法的船舶步進電機運行響應時間。說明對于船舶步進電機來說，設計方法能夠使其擁有更快的響應速度。

　　在測試負載擾動調節時間時，設計的船舶步進電機位置精度優化控制方法與 2 種對比船舶步進電機位置精度優化控制方法的仿真實驗結果如表 3 所示。

　　根據表 3 的實驗結果可知，在負載擾動時間不斷增加的情況下，設計的船舶步進電機位置精度優化控制方法的調節時間最短且負載擾動調節時間的增長更加穩定。而基于數字控制技術、微控制器技術下的船舶步進電機位置精度優化控制方法的負載擾動調節耗時較長且增速更快。

　　3 結　語

　　通過對船舶步進電機位置精度優化控制方法進行研究，實現了運行響應時間的縮短以及負載擾動調節時間的縮短。

　　參考文獻：

　　[1]王曉琳, 鮑旭聰, 石滕瑞. 一種可抑制三次諧波的五相混合式步進電機空間矢量脈寬調制優化控制策略 [J]. 南京航空航天大學學報, 2020, 52(2): 181–190.

　　[2]鄭王剛, 孟淑麗, 郝雷. 基于改進遺傳算法優化的雙步進電機伺服閥控制研究 [J]. 機床與液壓, 2020, 48(9): 150–154.

　　[3]瞿濟偉, 郭康權, 宋樹杰, 等. 農用柔性底盤偏置轉向機構工作參數試驗及優化 [J]. 西北農林科技大學學報(自然科學版),2020, 48(6): 131–142.

　　[4]姚緒梁, 張永奇, 王景芳. 一種變細分數的 3D 打印步進電機控制方法 [J]. 電氣傳動, 2019, 49(1): 65–67.

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文章名稱： 船舶步進電機位置精度優化控制方法

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