雷道仲

(1. 湖南省電子學(xué)會，湖南 長沙 410200；2. 湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410200)

0 引 言

異步電機(jī)已成為船舶電力領(lǐng)域常用的發(fā)電設(shè)備。船舶運(yùn)行環(huán)境過于復(fù)雜，船用異步電機(jī)需要具備更高的控制性能。矢量控制技術(shù)是控制船用異步電機(jī)的重要方法，矢量控制是電氣傳動領(lǐng)域的重要控制技術(shù)，矢量控制技術(shù)的調(diào)速性能優(yōu)越，可以實(shí)現(xiàn)船用異步電機(jī)的精準(zhǔn)控制。船用異步電機(jī)是一個多變量、具有極強(qiáng)非線性時變參數(shù)組成的強(qiáng)耦合系統(tǒng)，異步電機(jī)的定子電壓、定子電流控制是異步電機(jī)矢量控制的重要控制方式，異步電機(jī)矢量控制可以令船用異步電機(jī)保持在最佳運(yùn)行狀態(tài)。船用異步電機(jī)受到運(yùn)行頻率、環(huán)境溫度以及磁飽和程度影響，轉(zhuǎn)子磁場定向存在差異，影響船用異步電機(jī)矢量控制的動態(tài)響應(yīng)性能。船用異步電機(jī)矢量控制時，應(yīng)具備自適應(yīng)控制性能，提升船用異步電機(jī)矢量控制的動態(tài)響應(yīng)性能。船用異步電機(jī)矢量控制時，經(jīng)過變頻調(diào)速后的電機(jī)動態(tài)性能應(yīng)滿足電機(jī)的調(diào)速性能需求。

目前針對異步電機(jī)控制的研究較多，祝新陽等[對滑模觀測器的常數(shù)切換函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，引入了低通濾波器，利用改進(jìn)后的滑模觀測器控制永磁同步電機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的頻率與轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制。胡冰等利用無速度傳感器對感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行矢量控制，該方法將積分器利用低通濾波器代替，提升了磁鏈的觀測精準(zhǔn)性。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法可以改善電機(jī)控制過程中，受到隨機(jī)擾動與測量噪聲的影響，提升參數(shù)估算精度。以上2種方法雖然可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制，但是存在運(yùn)算速度過慢影響控制速度的缺陷。數(shù)字信號處理器具有運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，面向電機(jī)控制的數(shù)字信號處理器可以快速運(yùn)行矢量控制方法，提升船用異步電機(jī)的矢量控制性能。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該方法具有良好的控制穩(wěn)定性。

1 船用異步電機(jī)矢量控制方法

1.1 船用異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

船用異步電機(jī)矢量控制時，依據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈實(shí)施兩相同步旋轉(zhuǎn)定向時，存在表達(dá)式如下：

式中：ψ與ψ分別表示坐標(biāo)系中，船用異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的軸分量與軸分量； ψ與ψ分別表示坐標(biāo)系中，船用異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的軸分量與軸分量；ψ表示船用異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)矢量。

依據(jù)以上公式，獲取坐標(biāo)系下，船用三相異步電機(jī)的狀態(tài)方程表達(dá)式如下：

式中：i與i表示坐標(biāo)系內(nèi)，船用異步電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的軸分量與軸分量；與n分別表示船用異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量以及磁極對數(shù)；L 與L分別表示定子與轉(zhuǎn)子間的互感與自感；T與T分別表示轉(zhuǎn)子的電磁時間常數(shù)以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩；ω與 ω分別表示船用異步電機(jī)的同步角速度與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度；T表示電磁轉(zhuǎn)矩。

通過式(4)獲取船用異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)矢量表達(dá)式如下：

式中，表示微分算子。

船用異步電機(jī)的同步旋轉(zhuǎn)角速度表達(dá)式如下：

電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式如下：

式(5)～式(7)構(gòu)成船用異步電機(jī)矢量控制的基本方程，依據(jù)以上公式作為矢量控制的理論基礎(chǔ)，利用數(shù)字信號處理器矢量控制船用異步電機(jī)。

1.2 數(shù)字信號處理器的矢量控制方法

1.2.1 數(shù)字信號處理器設(shè)計(jì)

數(shù)字信號處理器的內(nèi)部程序和數(shù)據(jù)分開設(shè)置，數(shù)字信號處理器設(shè)置的硬件乘法器，可以為船用異步電機(jī)矢量控制提供控制指令，實(shí)時控制數(shù)字信號運(yùn)算。選取TMS320F28335型單片機(jī)作為船用異步電機(jī)矢量控制的數(shù)字信號處理器。該數(shù)字信號處理器工作頻率高達(dá)150 MHz，滿足船用異步電機(jī)矢量控制的高精度控制需求；具備32位浮點(diǎn)處理單元，包含豐富的外部I/O口，存儲空間大。所選取數(shù)字信號處理器中包含針對電機(jī)矢量控制設(shè)置的專用外圍，具有極高的模數(shù)轉(zhuǎn)換能力。利用數(shù)字信號處理器處理矢量控制的轉(zhuǎn)矩、磁鏈、轉(zhuǎn)速估算等控制過程，提升船用異步電機(jī)的控制性能。

1.2.2 數(shù)字信號處理器的異步電機(jī)矢量控制

利用所選取的數(shù)字信號處理器，運(yùn)行異步電機(jī)矢量控制的轉(zhuǎn)速估算、轉(zhuǎn)矩電流計(jì)算、磁鏈調(diào)節(jié)等過程，提升矢量控制的運(yùn)算速度。矢量控制方法將船用異步電機(jī)定子電流通過旋轉(zhuǎn)變換方法解耦，實(shí)現(xiàn)船用交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制與磁鏈控制。利用數(shù)字信號處理器完成船用異步電機(jī)矢量控制的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。可以看出，利用異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速估算結(jié)果與轉(zhuǎn)速指令值間的差值，通過速度控制器獲取船用異步電機(jī)下一指令周期的電磁轉(zhuǎn)矩輸入值，將所獲取電磁轉(zhuǎn)矩輸入值作為轉(zhuǎn)矩環(huán)的輸入量。設(shè)置電磁轉(zhuǎn)矩反饋值作為轉(zhuǎn)矩環(huán)的另一輸入量，將二者之差設(shè)置為矢量控制轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸入值，獲取電壓矢量的轉(zhuǎn)矩分量指令值。選取PI控制算法實(shí)現(xiàn)船用異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速估計(jì)、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)以及磁鏈調(diào)節(jié)，利用異步電機(jī)的狀態(tài)方程估算轉(zhuǎn)子磁鏈，實(shí)現(xiàn)船用異步電機(jī)的磁通電流、速度以及轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。

圖1 船用異步電機(jī)矢量控制方法Fig. 1 Vector control method of marine asynchronous motor

2 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證所研究方法的控制性能，在Simulik軟件中，構(gòu)建仿真模型。所構(gòu)建船用異步電機(jī)模型的環(huán)境為海洋環(huán)境，直流母線電壓為220 V，脈寬調(diào)制的載波頻率為40 Hz，矢量控制時的采樣周期為1 ms。所構(gòu)建船用異步電機(jī)模型的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 船用異步電機(jī)模型參數(shù)Tab. 1 Model parameters of marine asynchronous motor

圖2 解耦后定子磁鏈變化Fig. 2 Stator flux changes after decoupling

采用本文方法對船用異步電機(jī)進(jìn)行矢量控制，解耦后定子磁鏈變化結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯捎帽疚姆椒▽Υ卯惒诫姍C(jī)進(jìn)行矢量控制，解耦后異步電機(jī)的定子磁鏈軌跡與理想圓形軌跡極為逼近，驗(yàn)證本文方法對船用異步電機(jī)矢量控制的控制效果良好。通過矢量控制，使完成解耦后的磁鏈軌跡與圓形更加接近，具有良好的控制性能，滿足矢量控制的期望控制狀態(tài)。采用本文方法控制船用異步電機(jī)的跟蹤能力良好，縮小勵磁控制靜差范圍，磁鏈波形波動極小，正弦度良好，滿足轉(zhuǎn)子磁場控制時，磁鏈不變的控制效果。

設(shè)置船用異步電機(jī)的初始轉(zhuǎn)速為500 r/min，2 s時將轉(zhuǎn)速提升至1 000 r/min，統(tǒng)計(jì)船用異步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與估算轉(zhuǎn)速的變化結(jié)果，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示?？芍?，采用本文方法對船用異步電機(jī)矢量控制，可以獲取精準(zhǔn)的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速估算結(jié)果。精準(zhǔn)控制船用異步電機(jī)。本文方法輸出的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)值與異步電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速較為接近，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本文方法的轉(zhuǎn)速估計(jì)性能良好。

圖3 實(shí)際轉(zhuǎn)速與估算轉(zhuǎn)速對比Fig. 3 Comparison between actual and estimated rotational speeds

采用本文方法矢量控制船用異步電機(jī)，異步電機(jī)運(yùn)行時間為2 s時，對船用異步電機(jī)添加一個大小為40 N·m的負(fù)載，定子電流控制結(jié)果如圖4所示?？芍捎帽疚姆椒▽Υ卯惒诫姍C(jī)矢量控制時，異步電機(jī)的定子電流僅存在0.5 s左右的波動，即可快速恢復(fù)至正常電流波動狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本文方法矢量控制船用異步電機(jī)時，可以控制異步電機(jī)定子電流在添加負(fù)載時，快速恢復(fù)至正常值，控制性能良好。

圖4 定子電流控制結(jié)果Fig. 4 Stator current control results

轉(zhuǎn)矩控制結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯捎帽疚姆椒ㄊ噶靠刂拼卯惒诫姍C(jī)時，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可以依據(jù)設(shè)定參數(shù)變化而有所變化。異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)過本文控制，可以快速恢復(fù)至理想的20 N·m，維持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 轉(zhuǎn)矩控制結(jié)果Fig. 5 Torque control results

轉(zhuǎn)速控制結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，采用本文方法對船用異步電機(jī)矢量控制，添加負(fù)載時，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速僅存在短暫波動，即可快速達(dá)到理想轉(zhuǎn)速。船用異步電機(jī)運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，本文方法可以實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的矢量控制，使船用異步電機(jī)在復(fù)雜海洋環(huán)境運(yùn)行時，仍然具有較好的控制性能，滿足自適應(yīng)的控制需求。

圖6 轉(zhuǎn)速控制結(jié)果Fig. 6 Speed control results

3 結(jié) 語

將數(shù)字信號處理器應(yīng)用于船用異步電機(jī)矢量控制中，利用數(shù)字信號處理器的高速度運(yùn)算能力，提升船用異步電機(jī)矢量控制性能。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法可以實(shí)現(xiàn)船用異步電機(jī)的解耦控制，具有控制方式簡單，可以適應(yīng)船用異步電機(jī)使用環(huán)境的高動態(tài)性能，控制精度極高。該方法屬于高性能、低功耗的控制方法，應(yīng)用前景廣泛，適用于復(fù)雜的船舶航行環(huán)境中，通過高效的控制性能提升船舶航行可靠性。船用異步電機(jī)矢量控制方法，無需設(shè)置速度傳感器，即可獲取船用異步電機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速估算精度高。船用異步電機(jī)轉(zhuǎn)速動態(tài)變化時，可以快速跟蹤電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，跟蹤性能強(qiáng)。