摘 要

随着科技不断进步、人们资源意识不断增强，海洋资源的开发和保护越来越得到重视。而水面无人艇便携、高效、灵巧、可远程操作的特点相比传统人工操作的船舶有着得天独厚的优势，吸引着世界各国的关注。作为水面无人艇的核心技术难题之一，动力推进系统的设计影响着无人艇的航行速度、能量转化的效率等关键参数。在种类繁多的动力推进系统中，电力推进系统的高自动化程度、高空间利用率、可操作性高等特点相比传统动力推进系统有着无法比拟的优势。渐渐成为各国海洋工程船舶的主流动力系统选择。本文根据对小型水面无人艇的特点的分析，设计了一套基于MSP430G2553的直流无刷电机电力推进系统。主要完成工作如下：

在所设计电力推进系统硬件部分，基于螺旋桨的动力学特性，对其转速和无人艇航速的关系进行了分析；依据转速需求确定了相应电机的选型，完成电机部分的设计工作；依据所选电机的要求，对相应直流无刷电机驱动器部分进行分析，开展芯片选型，设计外围电路，完成驱动器部分的设计工作；依据所确定的设计部分，明确控制要求，确定本次设计的核心控制器芯片，设计其最小系统电路和一定的外围电路。

在所设计电力推进系统软件部分，根据所需控制要求，对核心控制器MSP430G2553的软件部分进行程序设计，确定程序流程，重点设计PWM控制信号的输出模块和转速信号的捕获模块，并对PID控制的原理进行了分析。

最后在所设计电力推进系统测试实验部分，对于整体电力推进系统的设计可行性进行了简单的运动测试，并对设计电机进行了转速试验并进行了开环和闭环的性能对比。

关键词：水面无人艇，电力推进系统，MSP430G2553，直流无刷电机

Abstract

With the continuous advancement of science and technology and increasing awareness of people's resources, the development and protection of marine resources has received increasing attention. The characteristics of portable, efficient, smart, and remotely operated unmanned watercraft have unique advantages compared to traditionally-manualized ships, attracting the attention of various countries in the world. As one of the core technical problems of the surface unmanned boat, the design of the power propulsion system affects the key parameters such as the speed of the unmanned boat and the efficiency of energy conversion. Among the various types of power propulsion systems, the high degree of automation, high space utilization, and high operability of the electric propulsion system have unparalleled advantages over traditional power propulsion systems. Gradually become the mainstream power system choice for marine engineering vessels in various countries.

In this paper, based on the analysis of the characteristics of the small surface unmanned boat, a set of brushless DC motor electric propulsion system based on MSP430G2553 is designed. The main tasks are as follows:

In the hardware part of the designed electric propulsion system, based on the dynamic characteristics of the propeller, the relationship between its rotation speed and the speed of the unmanned boat was analyzed; according to the speed requirement, the selection of the corresponding motor was determined and the design of the motor part was completed; Select the motor requirements, analyze the corresponding DC brushless motor driver, carry out chip selection, design peripheral circuits, and complete the design of the driver. According to the determined design part, define the control requirements and determine the core control of the design. Chip, design its minimum system circuit and certain peripheral circuits.

In the software part of the designed electric propulsion system, according to the required control requirements, the software of the core controller MSP430G2553 is programmed, the program flow is determined, the output module of the PWM control signal and the capture module of the speed signal are mainly designed, and the PID control is performed. The principle was analyzed.

Finally, in the test experiment part of the designed electric propulsion system, a simple motion test was carried out for the design feasibility of the whole electric propulsion system, and the design motor was subjected to a rotational speed test and performance comparison of the open-loop and closed-loop was performed.

Key Words：Surface unmanned boat, Electric propulsion system, MSP430G2553, BLDC

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文研究内容及章节安排 2

第2章 电力推进系统总体设计 4

2.1 无人艇电力推进系统设计参数 4

2.2 无人艇电力推进系统结构设计 4

第3章 电力推进系统硬件设计 6

3.1 系统硬件设计构成 6

3.2 螺旋桨 6

3.2.1 相关理论分析 6

3.2.2 螺旋桨选型 7

3.3 直流无刷电机 8

3.3.1 直流无刷电机原理 8

3.3.2 直流无刷电机选型 11

3.4 直流无刷电机驱动器 11

3.4.1 直流无刷电机驱动器原理 11

3.4.2 直流无刷电机驱动器选型 13

3.4.3 直流无刷电机驱动电路设计 16

3.4.4 直流无刷电机驱动电路EMC设计 17

3.5 核心控制器 18

3.5.1 核心控制器设计分析 18

3.5.2 核心控制器外围电路设计分析 19

3.6 本章小结 20

第4章 电力推进系统软件设计 21

4.1 系统软件设计结构 21

4.2 PWM信号输出模块 22

4.3 转速信号捕获模块 23

4.4 PID调节原理 24

4.5 本章小结 26

第5章 电力推进系统测试实验 27

5.1 软件测试流程 27

5.2 电机开环转速实验 28

5.3 电机闭环抗负载实验 30

5.4 本章小结 32

第6章 总结与展望 33

6.1 全文总结 33

6.2 展望 33

参考文献 34

附录A 35

致谢 38

绪论

课题背景及意义

水面无人艇（USV）是一种可在水面实现自主航行，无人操纵的自动化海洋交通工具^[1]。类似于空中无人机和水下无人潜水器，他们被广泛的用于海洋学和气象学的科学研究中。不仅如此，它们也在石油和天然气领域的研究中发挥着重要作用^[2]。在国防领域中，水面无人艇也在反潜作战和扫雷作战等方面扮演着重要角色。

目前，中国水面无人艇的发展才刚刚兴起。全球水面无人艇产业还没有成熟，对市场的需求也在迅速增长。我们的国家必须独立研究和发展，在核心技术上有所突破，在这一领域有所发展。

未来的USV发展有着船体、动力、导航、通讯等四大核心难题。在动力方面，目前世界上绝大多数的船舶都是采用机械螺旋桨方式的推进系统，高速旋转的原动机通过齿轮减速机构将输出的高速动力降速后驱动螺旋桨推进船舶运动。相比于这种方式，电力推进有着高空间利用率，高自动化，高操作性和维护成本低等优势^[3]。在电力推进的船舶上，原动机高速旋转并通过发电机将旋转的机械能量转换为电能。电力传输线将电能传递到推进电机，由推进电机再将电能转换为机械能来推进船舶运动。