電力推進系統控制策略仿真

柯常國，還 芳，王 勁

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電力推進系統控制策略仿真

柯常國，還 芳，王 勁

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文從交流異步電動機的數學模型出發，運用Matlab/Simulink仿真軟件，以矢量控制（VC）和直接轉矩控制（DTC）為重點建立仿真模型，針對這兩種方式進行仿真分析研究，并對這兩種控制方式進行對比仿真試驗。

電力推進 矢量控制 直接轉矩控制

0 引言

船舶電力推進系統主要由驅動用電動機、螺旋槳和變速控制系統三部分組成。驅動用電動機常用的有兩種：同步電動機和鼠籠式感應電動機，應用最為廣泛的是鼠籠式感應電動機，變速控制系統通常采用變頻調速方式對感應電動機進行調速控制[1]。

1 矢量控制仿真模型

借助于Matlab強大的仿真建模能力，建立一個基于異步電動機轉子磁場定向矢量控制系統的仿真模型。其基本思想是：將交流感應電機控制系統的功能單元模塊化，在Matlab/Simulink中建立獨立的功能模塊：交流異步電機模塊、矢量控制模塊、電流滯環控制模塊、速度控制模塊、轉矩計算模塊等，這些功能模塊進行有機整合，即可搭建出異步電動機磁場定向控制系統的仿真模型。控制系統中，速度環采用 PI 控制，電流環采用滯環電流控制，實現雙閉環的控制算法，采用電流型逆變器滯環電流控制，在保證勵磁電流分量為常量的情況下，轉矩響應從理論上來說是沒有延時的。整體設計框圖如圖1所示。

在整個控制系統的仿真模型中，交流異步電機模塊是最重要的部分，反映的是交流異步電機的本質屬性。根據、0靜止坐標系中的狀態方程式（1），選擇、、、作為狀態變量，輸入為、、0、、0，輸出為、、、、、、、、、。利用 Simulink 的擴展工具S函數，搭建出交流異步電機控制系統的仿真模型。

2 直接轉矩仿真模型

采用Matlab仿真軟件建立鼠籠型異步電機直接轉矩控制數值仿真模型。其基本思想是：將交流異步電機控制系統的功能單元模塊化，在 Matlab/Simulink中建立各自獨立的功能模塊：交流異步電機模塊、轉矩滯環比較模塊、磁鏈滯環比較模塊、轉速控制器模塊、定子磁鏈及電磁轉矩估計模塊、開關量查找表模塊等。把這些功能模塊進行有機整合，即可搭建出異步電動機直接轉矩控制系統的仿真模型。其仿真模型如圖2所示。

3 矢量控制與直接轉矩仿真比較

作為當前兩種主要的高性能交流電機變頻調速傳動控制方式，在實際工程中得到廣泛應用，近些年來，這兩種控制方案被不斷的完善，應用產品的性能日益優化。但對兩者的優缺點以及應用局限性業內有許多不同意見。

圖1 交流異步電機矢量控制仿真模型

圖2 異步電機直接轉矩控制仿真模型

在某些商家的市場推廣宣傳中，出現這樣一種提法：“VVVF是變頻調速第一代技術，矢量控制是第二代技術，直接轉矩控制是第三代技術”。雖然從研發的順序看，矢量控制在1972年就被西門子公司的伯拉斯切克（F.Blaschke）提出來，直接轉矩是在1985年才由德國魯爾大學的狄普布洛克（M.Depenbrock）和日本的塔卡哈什（I.Takahashi）相繼提出，比矢量控制出現整整晚了十三年。不同于矢量控制，它在很大程度上解決了矢量控制中計算控制復雜、特性容易受轉子參數變化影響的問題，但是這并不表明直接轉矩控制比矢量控制更先進[2-3]。

本文針對兩種控制策略對起動、調速、負載響應等動靜態性能，搭建仿真模型如圖3進行仿真比較。

圖3 比較試驗仿真模型

3.1起動特性

給定額定轉速，空載起動，仿真起動運行特性。考察電磁轉矩響應特性以及轉速響應特性。

圖4為矢量控制（VC）以及直接轉矩控制（DTC）系統起動時轉速、電磁轉矩、定子三相電流的響應特性曲線。從仿真曲線看，兩種控制方式在響應速度上基本上差不多，但直接轉矩控制轉速響應以及轉矩響應超調明顯比矢量控制的大，而且達到穩態之前振蕩也大。

圖4 起動試驗

3.2轉矩動態響應特性

額定轉速下對負載轉矩進行改變，仿真電磁轉矩的動態響應特性。轉速給定*=1450 rpm，負載轉矩=50 N.m時，起動系統，＝0.03 s時，改變負載轉矩=100 N.m，＝0.08 s時，改變負載轉矩=100 N.m，考察轉矩響應特性以及轉速、定子三相電流的變化情況。

從理論分析來說，采用直接轉矩控制的交流調速系統可以獲得比矢量控制快得多的轉矩響應，直接轉矩控制直接由電機的電流、電壓計算出定子磁鏈和轉矩，采用砰－砰控制來實現變頻器的PWM控制，其著眼點是電壓控制，而矢量控制基于電流控制，把定子電流按磁場坐標軸分解為轉矩分量和磁場分量，故其著眼點是電流控制，對交流電機來說，要想獲得快速的轉矩響應，在磁鏈一定的情況下要求電流的快速響應，而電流的快速響應由電壓的響應速度決定。矢量控制系統的輸出電壓是由電流調節器輸出產生，存在電流調節的時間滯后，動態響應較慢。直接轉矩控制沒有電流控制環路，砰－砰控制產生輸出電壓，沒有電流限制，電壓可以出現過沖現象，獲得較大的d/d，產生較快的電流相應，使得直接轉矩控制的轉矩響應比矢量控制快3～4倍。

圖5 電磁轉矩響應特性曲線

從仿真情況看，圖5為矢量控制（VC）以及直接轉矩控制(DTC)系統的轉矩響應特性曲線對比。從圖中可以看出，響應速度差別不明顯，DTC稍快，但是振蕩明顯。從定子三相電流來看，VC電流在負載轉矩變化時反應強烈，而DTC則較為平滑。因為VC采取了轉矩限制，而DTC采取電流限制措施，因此，相比DTC而言，VC的轉矩限制在一定范圍之內，而起動電流卻比DTC的大。

3.3調速動態響應特性

額定負載轉矩下對給定轉速進行改變，仿真電磁轉矩的動態響應特性。負載轉矩給定=100 N.m，*=1450 rpm起動系統，＝0.04 s時，改變轉速給定*=725 rpm，＝0.07 s時，改變轉速給定*=1450 rpm，考察轉速響應特性以及電磁轉矩、定子三相電流的變化情況。圖6為矢量控制以及直接轉矩控制系統的轉速響應特性曲線對比。

圖6 調速試驗

圖7 VC系統轉速響應特性曲線

圖8 DTC系統轉速響應特性曲線

圖7為矢量控制(VC)系統的轉速響應特性曲線，圖8為直接轉矩控制(DTC)系統的轉速響應特性曲線。從圖中可以看出，可以看到矢量控制和直接轉矩控制技術都具有良好的動、穩態性能，當給定轉速變化時電機立即以相應的最大力矩輸出來改變實際轉速從而獲得很快的轉速響應，轉速跟蹤給定的效果很好，響應速度差別不明顯，DTC稍快，但是振蕩明顯。

4 結束語

本文從交流異步電動機的數學模型出發，運用Matlab/Simulink仿真軟件，以矢量控制（VC）和直接轉矩控制（DTC）為重點建立仿真模型，針對這兩種方式進行仿真分析研究，并對這兩種控制方式進行對比仿真試驗，為電力推進系統工程化技術研究打下理論基礎。對矢量控制系統的進一步研究工作主要是提高其控制的魯棒性。對直接轉矩控制系統的研究工作集中在提高其低速性能上。無速度傳感器控制是矢量控制和直接轉矩控制系統共同的課題。無速度傳感器控制是交流電機調速控制的重要課題，也是目前國內外學術界及變頻器廠家的研究熱點。

[1] 陳伯時主編. 電力拖動自動控制系統. 北京: 機械工業出版社, 2003

[2] 王成元, 夏加寬. 電機現代控制技術[M] . 北京:機械工業出版社, 2006

[3] 唐浦華. 基于定子磁鏈定向的直接轉矩控制. 電氣傳動自動化, 2000, 22(4).

Simulation of Control Strategy of Electric Propulsion System

Ke Changguo, Huan Fang, Wang Jin

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC, Wuhan 430064, China）

Based on a mathematic model of asynchronous motor, using Matlab/Simulink simulation software, simulation model is set up on the emphases of VC and DTC, and the simulation is carried out to contrast VC with DTC.

electric propulsion; vector control(VC); direct torque control(DTC)

TM343 TP391.9

A

1003-4862（2016）04-0015-04

2015-10-16

柯常國（1976-），男，高級工程師，從事方向：船舶電力推進系統仿真。