船舶推進電機直接轉矩控制策略改進

司宇航，高嵐，劉恩東，胡佳

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

船舶推進電機直接轉矩控制策略改進

司宇航，高嵐，劉恩東，胡佳

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

針對船舶永磁同步電機(PMSM)直接轉矩控制(DTC)系統轉矩和磁鏈脈動大、逆變器開關頻率不恒定及抗干擾性差等問題，提出基于空間矢量調制(SVM)和自抗擾控制器(ADRC)的直接轉矩控制策略。分析SVM的實現過程，通過合成參考電壓矢量來補償磁鏈和轉矩偏差，固定控制周期使逆變器的開關頻率保持恒定。設計基于自抗擾控制技術的速度調節器，以提高系統的魯棒性。仿真實驗表明，新的控制策略可以改善磁鏈和轉矩穩態時的表現，保證轉速的快速響應并增強系統的抗干擾性。

船舶永磁同步電機；直接轉矩控制；空間矢量調制；自抗擾控制器

直接轉矩控制(DTC)已成功應用于船舶電力推進系統，可對永磁同步推進電機進行變頻調速控制。但傳統DTC系統采用滯環比較器和電壓矢量開關表，只能提供有限電壓矢量且每個控制周期內只有1個電壓矢量作用[1-2]，不能精確補償電磁轉矩和定子磁鏈的誤差，轉矩和磁鏈大范圍脈動，從而導致電機振動，并產生噪聲。同時，速度環多采用PI控制器，傳統PI控制器具有結構簡單、穩定性好等優點，但是其參數固定、魯棒性較差，難以應付大負載和多變擾動的工況。永磁同步推進電機具有多變量、強非線性和強耦合的特點，并且其負載轉矩受到多變海洋環境的影響也時刻發生著改變，因此要實現推進電機的高性能控制，須消除非線性因素和多變的工況對系統造成的影響[3]。為此，提出一種基于電壓空間矢量調制(SVM)和自抗擾控制器(ADRC)的直接轉矩控制策略。將SVM技術應用于DTC系統中，穩定逆變器的開關頻率，抑制電磁轉矩和定子磁鏈的大范圍波動，改善系統的穩態表現。設計基于自抗擾控制技術的速度調節器，以克服PI控制器的缺點，降低負載擾動對系統的影響。

1 船舶電力推進調速控制系統

基于SVM和ADRC的船舶電力推進直接轉矩控制系統結構見圖1。

圖中虛線框內所示為基于預期電壓矢量的SVM調制模塊，包括PI調節器、參考電壓矢量計算模塊和SVM模塊，代替了傳統DTC中的滯環比較器和開關選擇表[4]。SVM調制模塊經過內部運算后產生脈沖信號控制逆變器開關的通斷，驅動推進電機運行。

2 空間矢量調制

SVM策略的基本思想是在一個控制周期內，選擇一個扇區相鄰的兩個電壓矢量，結合零矢量，計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]，補償電磁轉矩和定子磁鏈的誤差，實現轉矩和磁鏈的無差控制。

2.1 參考電壓矢量計算

在α-β坐標系下，參考電壓矢量計算如下。

(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算

將Vsref作為SVM的輸入信號，在1個控制周期Ts內，可由1個扇區相鄰的2個電壓矢量及零電壓矢量合成。以扇區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。

由正弦定理結合直角三角形的性質可求得：

(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。若計算的預期電壓過大，T1與T2的和可能大于Ts，則對T1、T2的計算調整如下[7]：

(5)

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

2.3 SVM實現

確定了兩個基本電壓矢量及作用時間后，要根據實際需求來確定其作用順序。把電壓矢量作用時間平分，使SVM模塊輸出的脈寬調制波形對稱。以減少開關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，根據每個時間段的電壓矢量來確定逆變器的開關狀態，從而輸出所需的三相電壓驅動電動機運行，完成SVM的調制。

3 自抗擾速度控制器設計

自抗擾控制技術是韓京清[8]提出的一種非線性控制方法，是基于PID控制技術和現代控制理論，在仿真試驗結果的歸納和綜合中探索出來的新型數字控制技術。

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)、擴張狀態觀測器(ESO)、非線性狀態誤差反饋控制律(NLSEF)和動態補償線性化過程[9-10]。

對于一階被控對象：

(6)

一階跟蹤微分器為

(7)

二階擴張狀態觀測器為

(8)

非線性反饋控制律為

(9)

擾動補償過程為

(10)

fal函數表達式為

(11)

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

3.2 速度控制器設計

永磁同步電機的運動學方程可表示為

(12)

式中：ωm為電機的機械角速度；Te為電磁轉矩；TL為負載轉矩；J為轉動慣量；f為摩擦系數。

4 系統仿真

基于上述SVM的實現過程和ADRC轉速調節器的設計過程，建立船舶推進電機ADRC-SVM-DTC控制系統的仿真模型，見圖3。

4.1 仿真對象

船用永磁同步電機參數如下。

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P=8；

轉動慣量J=550 kg·m2；

額定電壓U=660 V；

額定轉速為200 r/min；

額定轉矩為195.2 kN·m；

船舶質量m=16 229 t；

螺旋槳直徑D=3.6 m。

設仿真時間1.5 s，初始參考轉速100 r/min，0.5 s時突加100 kN·m的負載轉矩擾動，持續時間為0.4 s，1.2 s時參考轉速升至150 r/min，仿真結果見圖4～7。

4.2 仿真結果分析

如圖4、圖5所示，初始階段，電動機以最大轉矩啟動，轉矩響應快速，DTC和ADRC-SVM-DTC系統都以很快的速度響應達到給定轉速，其中DTC系統有明顯的超調量，并且達到穩定值的時間長于ADRC-SVM-DTC系統；在1.2 s系統加速時，DTC系統仍存在超調量，而ADRC采用了微分跟蹤器安排過渡過程，保證了速度響應的快速性，同時減小了超調量，有效地解決了系統快速性和超調量的矛盾。0.5 s時系統受到負載轉矩干擾，0.9 s干擾消失，ADRC中的擴張狀態觀測器能夠實時估計出擾動，并對其進行補償，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，并且很快能夠穩定，其抗干擾性優于PI速度調節器。

圖6、圖7為轉速穩定時的轉矩和磁鏈波動細節圖。傳統DTC呈現較大的轉矩脈動，其最大波動可達5kN·m，磁鏈波動0.1 Wb；ADRC-SVM-DTC系統的轉矩波動1 kN·m，磁鏈波動0.02 Wb。傳統DTC中采用滯環比較器和開關選擇表，使得1個控制周期內僅有1個電壓矢量作用，若轉矩誤差很小，電壓矢量在很短時間內已經使轉矩達到給定值，在剩余的時間里電磁轉矩向之前的變化方向繼續增大，造成轉矩較大程度的波動；改進的系統中采用SVM模塊代替滯環比較器和開關選擇表，在1個控制周期內產生多個電壓矢量對磁鏈進行控制，經過優化組合的電壓矢量可以精確補償轉矩和磁鏈偏差，有效地降低了轉矩和磁鏈的脈動，使系統的穩定性得到較大程度的提高。

5 結論

1)SVM的控制周期固定，保證逆變器開關頻率恒定；在1個控制周期內根據轉矩的誤差合理安排多個電壓矢量作用，減少了轉矩處于有差狀態的時間，實現轉矩的連續控制，因此降低了轉矩和磁鏈的脈動。

2)ADRC中的跟蹤微分器既能提取到輸入量的微分信號，保證系統快速響應，又能夠安排過渡過程，使系統無超調地進入穩態。擴張狀態觀測器能估計出系統受到的總擾動量，并且實時補償其擾動，因此消除了工況變化對系統的影響。

3)SVM技術已經應用于大功率推進電機的直接轉矩控制，本文在此基礎上將ADRC引入調速系統，提高系統的抗干擾性，使船舶在多變海況下保持穩定運行。仿真實驗驗證了新控制策略的可行性，可為實際控制器的設計提供一定的理論基礎。

4)為提高新的控制策略的有效性和實用性，需要在兩方面進一步研究。一方面優化ADRC算法，減少待整定參數，方便實際工程操作，提高其實用性；另一方面要對船舶運行工況深入研究，通過模擬多種負載擾動來進一步驗證控制系統的有效性。

[1] 阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統-運動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2] 李崇堅.交流同步電機調速系統[M].北京：科學出版社，2013.

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[5] 高鍵，姜星星.基于SVM的永磁同步電機直接轉矩控制的仿真研究[J].科學技術與工程，2013,13(1):64-69.

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[8] 韓京清.自抗擾控制技術[J].前沿科學，2007(1):24-31.

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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