司宇航，高嵐，劉恩東，胡佳

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

船舶推進(jìn)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略改進(jìn)

司宇航，高嵐，劉恩東，胡佳

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

針對船舶永磁同步電機(jī)(PMSM)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動大、逆變器開關(guān)頻率不恒定及抗干擾性差等問題，提出基于空間矢量調(diào)制(SVM)和自抗擾控制器(ADRC)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略。分析SVM的實(shí)現(xiàn)過程，通過合成參考電壓矢量來補(bǔ)償磁鏈和轉(zhuǎn)矩偏差，固定控制周期使逆變器的開關(guān)頻率保持恒定。設(shè)計(jì)基于自抗擾控制技術(shù)的速度調(diào)節(jié)器，以提高系統(tǒng)的魯棒性。仿真實(shí)驗(yàn)表明，新的控制策略可以改善磁鏈和轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)時的表現(xiàn)，保證轉(zhuǎn)速的快速響應(yīng)并增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性。

船舶永磁同步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；空間矢量調(diào)制；自抗擾控制器

直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)已成功應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，可對永磁同步推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。但傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)采用滯環(huán)比較器和電壓矢量開關(guān)表，只能提供有限電壓矢量且每個控制周期內(nèi)只有1個電壓矢量作用[1-2]，不能精確補(bǔ)償電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的誤差，轉(zhuǎn)矩和磁鏈大范圍脈動，從而導(dǎo)致電機(jī)振動，并產(chǎn)生噪聲。同時，速度環(huán)多采用PI控制器，傳統(tǒng)PI控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但是其參數(shù)固定、魯棒性較差，難以應(yīng)付大負(fù)載和多變擾動的工況。永磁同步推進(jìn)電機(jī)具有多變量、強(qiáng)非線性和強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，并且其負(fù)載轉(zhuǎn)矩受到多變海洋環(huán)境的影響也時刻發(fā)生著改變，因此要實(shí)現(xiàn)推進(jìn)電機(jī)的高性能控制，須消除非線性因素和多變的工況對系統(tǒng)造成的影響[3]。為此，提出一種基于電壓空間矢量調(diào)制(SVM)和自抗擾控制器(ADRC)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略。將SVM技術(shù)應(yīng)用于DTC系統(tǒng)中，穩(wěn)定逆變器的開關(guān)頻率，抑制電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的大范圍波動，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)。設(shè)計(jì)基于自抗擾控制技術(shù)的速度調(diào)節(jié)器，以克服PI控制器的缺點(diǎn)，降低負(fù)載擾動對系統(tǒng)的影響。

1 船舶電力推進(jìn)調(diào)速控制系統(tǒng)

基于SVM和ADRC的船舶電力推進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖中虛線框內(nèi)所示為基于預(yù)期電壓矢量的SVM調(diào)制模塊，包括PI調(diào)節(jié)器、參考電壓矢量計(jì)算模塊和SVM模塊，代替了傳統(tǒng)DTC中的滯環(huán)比較器和開關(guān)選擇表[4]。SVM調(diào)制模塊經(jīng)過內(nèi)部運(yùn)算后產(chǎn)生脈沖信號控制逆變器開關(guān)的通斷，驅(qū)動推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。

2 空間矢量調(diào)制

SVM策略的基本思想是在一個控制周期內(nèi)，選擇一個扇區(qū)相鄰的兩個電壓矢量，結(jié)合零矢量，計(jì)算出每個電壓矢量的作用時間，按照空間矢量的平行四邊形合成法則，合成所需的電壓矢量[5]，補(bǔ)償電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的誤差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的無差控制。

2.1 參考電壓矢量計(jì)算

在α-β坐標(biāo)系下，參考電壓矢量計(jì)算如下。

(1)

式中：ψαref、ψβref為參考磁鏈ψref在α、β軸上的分量；ψα、ψβ為磁鏈觀測器估算出的當(dāng)前時刻定子磁鏈大?。籘s為控制周期；Iα、Iβ為α、β軸上的定子電流分量；Rs為定子電阻。

參考電壓矢量為：

(2)

式中：θsref為參考電壓矢量位置角[6]。

2.2 基本電壓矢量作用時間計(jì)算

將Vsref作為SVM的輸入信號，在1個控制周期Ts內(nèi)，可由1個扇區(qū)相鄰的2個電壓矢量及零電壓矢量合成。以扇區(qū)Ⅰ為例，參考電壓矢量可以表示為

(3)

式中：T1、T2為1個控制周期內(nèi)相鄰電壓V1、V2的作用時間；T0為零矢量作用時間。

由正弦定理結(jié)合直角三角形的性質(zhì)可求得：

(4)

式中：Vdc為逆變器的直流源電壓。

零電壓矢量的作用時間為T0=Ts-T1-T2。若計(jì)算的預(yù)期電壓過大，T1與T2的和可能大于Ts，則對T1、T2的計(jì)算調(diào)整如下[7]：

(5)

同理，先判斷Vsref所在扇區(qū)，然后根據(jù)上述過程可求得其余扇區(qū)電壓矢量的作用時間。

2.3 SVM實(shí)現(xiàn)

確定了兩個基本電壓矢量及作用時間后，要根據(jù)實(shí)際需求來確定其作用順序。把電壓矢量作用時間平分，使SVM模塊輸出的脈寬調(diào)制波形對稱。以減少開關(guān)損耗和諧波分量為原則，把兩個零電壓矢量作用時間等分[1]，并將兩個零矢量分別放置在控制周期的首、尾及中間。因此1個控制周期被分為7個時間段，根據(jù)每個時間段的電壓矢量來確定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而輸出所需的三相電壓驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)行，完成SVM的調(diào)制。

3 自抗擾速度控制器設(shè)計(jì)

自抗擾控制技術(shù)是韓京清[8]提出的一種非線性控制方法，是基于PID控制技術(shù)和現(xiàn)代控制理論，在仿真試驗(yàn)結(jié)果的歸納和綜合中探索出來的新型數(shù)字控制技術(shù)。

3.1 自抗擾控制理論

自抗擾控制器(ADRC)可分為4個組成部分，分別為跟蹤微分器(TD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ESO)、非線性狀態(tài)誤差反饋控制律(NLSEF)和動態(tài)補(bǔ)償線性化過程[9-10]。

對于一階被控對象：

(6)

一階跟蹤微分器為

(7)

二階擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為

(8)

非線性反饋控制律為

(9)

擾動補(bǔ)償過程為

(10)

fal函數(shù)表達(dá)式為

(11)

式中：r為速度跟蹤因子；α、α1、α2為fal函數(shù)的非線性因子；δ、δ1、δ2為fal函數(shù)的濾波因子；β01、β02為輸出誤差校正增益；β為誤差增益[11]。

3.2 速度控制器設(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)的運(yùn)動學(xué)方程可表示為

(12)

式中：ωm為電機(jī)的機(jī)械角速度；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；f為摩擦系數(shù)。

4 系統(tǒng)仿真

基于上述SVM的實(shí)現(xiàn)過程和ADRC轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程，建立船舶推進(jìn)電機(jī)ADRC-SVM-DTC控制系統(tǒng)的仿真模型，見圖3。

4.1 仿真對象

船用永磁同步電機(jī)參數(shù)如下。

定子電阻Rs=0.001 502 Ω；

定子交軸與直軸電感Ls=0.000 476 7 H；

永磁體磁鏈ψf=3.55 Wb；

磁極對數(shù)P=8；

轉(zhuǎn)動慣量J=550 kg·m2；

額定電壓U=660 V；

額定轉(zhuǎn)速為200 r/min；

額定轉(zhuǎn)矩為195.2 kN·m；

船舶質(zhì)量m=16 229 t；

螺旋槳直徑D=3.6 m。

設(shè)仿真時間1.5 s，初始參考轉(zhuǎn)速100 r/min，0.5 s時突加100 kN·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動，持續(xù)時間為0.4 s，1.2 s時參考轉(zhuǎn)速升至150 r/min，仿真結(jié)果見圖4～7。

4.2 仿真結(jié)果分析

如圖4、圖5所示，初始階段，電動機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩啟動，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速，DTC和ADRC-SVM-DTC系統(tǒng)都以很快的速度響應(yīng)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，其中DTC系統(tǒng)有明顯的超調(diào)量，并且達(dá)到穩(wěn)定值的時間長于ADRC-SVM-DTC系統(tǒng)；在1.2 s系統(tǒng)加速時，DTC系統(tǒng)仍存在超調(diào)量，而ADRC采用了微分跟蹤器安排過渡過程，保證了速度響應(yīng)的快速性，同時減小了超調(diào)量，有效地解決了系統(tǒng)快速性和超調(diào)量的矛盾。0.5 s時系統(tǒng)受到負(fù)載轉(zhuǎn)矩干擾，0.9 s干擾消失，ADRC中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器能夠?qū)崟r估計(jì)出擾動，并對其進(jìn)行補(bǔ)償，所以相對PI控制器，在突加干擾和干擾消失時，速度僅有極小的偏差，并且很快能夠穩(wěn)定，其抗干擾性優(yōu)于PI速度調(diào)節(jié)器。

圖6、圖7為轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時的轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動細(xì)節(jié)圖。傳統(tǒng)DTC呈現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)矩脈動，其最大波動可達(dá)5kN·m，磁鏈波動0.1 Wb；ADRC-SVM-DTC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動1 kN·m，磁鏈波動0.02 Wb。傳統(tǒng)DTC中采用滯環(huán)比較器和開關(guān)選擇表，使得1個控制周期內(nèi)僅有1個電壓矢量作用，若轉(zhuǎn)矩誤差很小，電壓矢量在很短時間內(nèi)已經(jīng)使轉(zhuǎn)矩達(dá)到給定值，在剩余的時間里電磁轉(zhuǎn)矩向之前的變化方向繼續(xù)增大，造成轉(zhuǎn)矩較大程度的波動；改進(jìn)的系統(tǒng)中采用SVM模塊代替滯環(huán)比較器和開關(guān)選擇表，在1個控制周期內(nèi)產(chǎn)生多個電壓矢量對磁鏈進(jìn)行控制，經(jīng)過優(yōu)化組合的電壓矢量可以精確補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩和磁鏈偏差，有效地降低了轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到較大程度的提高。

5 結(jié)論

1)SVM的控制周期固定，保證逆變器開關(guān)頻率恒定；在1個控制周期內(nèi)根據(jù)轉(zhuǎn)矩的誤差合理安排多個電壓矢量作用，減少了轉(zhuǎn)矩處于有差狀態(tài)的時間，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的連續(xù)控制，因此降低了轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動。

2)ADRC中的跟蹤微分器既能提取到輸入量的微分信號，保證系統(tǒng)快速響應(yīng)，又能夠安排過渡過程，使系統(tǒng)無超調(diào)地進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。擴(kuò)張狀態(tài)觀測器能估計(jì)出系統(tǒng)受到的總擾動量，并且實(shí)時補(bǔ)償其擾動，因此消除了工況變化對系統(tǒng)的影響。

3)SVM技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于大功率推進(jìn)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制，本文在此基礎(chǔ)上將ADRC引入調(diào)速系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的抗干擾性，使船舶在多變海況下保持穩(wěn)定運(yùn)行。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新控制策略的可行性，可為實(shí)際控制器的設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ)。

4)為提高新的控制策略的有效性和實(shí)用性，需要在兩方面進(jìn)一步研究。一方面優(yōu)化ADRC算法，減少待整定參數(shù)，方便實(shí)際工程操作，提高其實(shí)用性；另一方面要對船舶運(yùn)行工況深入研究，通過模擬多種負(fù)載擾動來進(jìn)一步驗(yàn)證控制系統(tǒng)的有效性。

[1] 阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)-運(yùn)動控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] 李崇堅(jiān).交流同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[3] 楊明.船舶電力推進(jìn)永磁同步電機(jī)非線性反步控制器設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2012.

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Improved Direct Torque Control Strategy for the Ship Propulsion Motor

SI Yu-hang, GAO Lan, LIU En-dong, HU Jia

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The marine permanent magnetic synchronous motor (PMSM), the direct torque control (DTC) system has some drawbacks, such as high ripples of torque and flux, unfixed inverter switching frequency and poor anti-interference performance. To solve these problems, an improved strategy based on space vector modulation (SVM) and active disturbance rejection controller (ADRC) was proposed. The realization process of SVM was introduced, and the flux and torque error was compensated through the synthesis of the reference voltage vector, while switching frequency was constant by keeping the control cycle fixed. A speed regulator based on the active disturbance rejection control technique was designed to improve the robustness of the drive system. The simulation results indicated that the new control strategy can improve the static performance of torque and flux, keep the fast speed response and enhance the anti-interference performance.

marine permanent magnetic synchronous motor; direct torque control; space vector modulation; active disturbance rejection controller

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.048

2016-08-19

國家自然科學(xué)基金(51139005)

司宇航(1991—)，男，碩士生

U665.11;TP273.5

A

1671-7953(2017)02-0205-05

修回日期：2016-09-12

研究方向:船舶電氣及其自動化