船舶電力推進直接轉矩與轉速復合控制

張桂臣，馬捷

(上海交通大學 海洋工程國家實驗室，上海 200030)

綜合全電力推進(IFEP)是現代船舶電力推進研究方向之一［1］，IFEP系統在海洋工程船、客船、特種用途船等船上的廣泛應用一直是研究的熱點［2］.推進電機是IFEP的核心設備與研究重點之一［3-5］，并且其控制技術是船舶電力推進的關鍵技術［6-7］.目前，船舶電力推進領域的理論研究、實驗研究與仿真驗證都非常重視并取得較多研究成果［3-10］.然而，IFEP為MIMO非線性復雜系統，推進電機與螺旋槳之間相互影響嚴重且難以精確地描述［11］.文獻［6-9］用兩臺異步電動機對拖試驗模擬船舶電力推進的功能，其主要控制目標為推進電機的轉速，但其控制策略中沒有利用螺旋槳的動態性能.頻繁操縱推進電機時，尤其是遭遇惡劣海況情況下，這將導致推進系統的轉矩、轉速和功率的嚴重振蕩.

本課題采用SIEMENS最新技術SIMOTION，由統一的工程開發軟件SCOUT和多種硬件平臺SINAMICS，建立全新的船舶電力推進Siemens-Schottel-Propulsion(SSP)半實物仿真系統.重點分析電力推進的轉矩、轉速與功率動態特性，并應用于推進電機直接轉矩與轉速的復合控制，獲得精確和平滑的功率與轉矩控制，最小的轉速脈動，意味著更少的機械磨損、導致更低的維護成本.

1 SIMOTION船舶電力推進系統設計

SIEMENS SIMOTION控制系統及異步電動機組成吊艙式SSP電力推進半實物仿真系統［12］，如圖1所示，該系統能實現船舶電力推進的運動控制、邏輯和運算功能，提供測試和驗證平臺.在SIMOTION電力推進系統仿真平臺上可進行推進電機操縱及其復合控制試驗.

圖1中的主要部件如下:

1)SCOUT是電力推進控制系統的軟件平臺，提供統一的功能導向的自動化控制及其編程.

2)WinCC Flexible是創建和編輯SSP操作界面HMI的工程軟件.

3)SITOP:24VDC電源模塊.

4)D425:電力推進系統的運動控制核心(CPU).

5)SINAMICS雙軸電機模塊VECTOR:一個軸驅動吊艙推進電機，實現復合控制;另一個軸驅動回轉電機，進行定位控制.

6)SINAMICS單軸電機模塊VECTOR:控制與推進電機對拖的負載電動機，模擬螺旋槳，它采用的是轉矩控制.

7)模塊SMC10處理編碼器信號，將SSP的回轉轉速、位置值經DRIVE-CliQ實時傳給控制單元.

8)電抗器與電源濾波器消除諧波干擾.

9)推進器由SSP、回轉電機、推進電機和負載電機組成.

圖1 SIMOTION船舶電力推進仿真系統Fig.1 Simulation of the marine electric propulsion system based on SIMOTION

2 船舶電力推進系統的動態特性

SSP的推進電機由SINAMICS電機模塊驅動，推進電機的轉子軸直接驅動螺旋槳.由螺旋槳的推力Fp、轉矩Tp和功率Pp表達式［11］，得出SSP轉速:

式中:n1、n2和n3為SSP轉速的不同表達形式.海水密度ρ=1 025 kg/m3，KT、KF分別是無因次的轉矩系數、推力系數，D是螺旋槳直徑.

由式(1)～(3)得推進電機復合控制轉速為

式(4)復合轉速Σ n包含了SSP的推進特性.

由式(1)、(2)得

由式(2)、(3)得

由式(1)～(3)得

于是，由式(5)、(7)得SSP的復合推力

由式(2)、(6)得SSP的復合轉矩

SSP的動態平衡式為

式中:Is為SSP的轉動慣量，Tm是推進電機轉矩，Ts是SSP的靜態摩擦轉矩，ω=2πnm和nm分別是推進電機的角速度和轉速，kω是線性摩擦系數，τm是推進電機時間常數.Tsp為推進電機的轉矩指令，SIMOTION電力推進采用直接轉矩控制(DTC)技術，不需速度和相位角編碼器，可降低維護成本和確保高的可靠性.

Σ n、Σ F、Σ Tp的仿真結果如圖2、3所示:

圖2 n1、n2和n3的仿真結果Fig.2 The simulation result of n1，n2and n3

圖3 復合算法仿真結果Fig.3 The simulation result of the hybrid algorithm

圖2、3中的參數全部刻度化為無量綱的標準值，這樣處理方便，可在同一坐標下表示多個變量，便于比較分析不同算式之間的結果.參數 KF= 0.393、ρ=1.025、D=4、KT=0.0655.圖2中的Fp、Tp和Pp由式(1)～(3)分別對應于n1、n2和n3，n1、n2和n3之間為局部線性關系，不同范圍段的增益是變化的，表明推進動力Fp、Tp和Pp對Σ n的影響程度不同.圖3中，Fp和 Pp、F1和 F2、Tp1和Tp2、Σ F和Σ Tp隨Σ n的變化關系，具有非線性特性.

3 推進電機的復合控制

SSP推進電機速度反饋控制算法為

式中:kp和ki是PI的增益系數.其中，e=［nset(t+ 1)－Σ n(t+1)］－［nset(t)－Σ n(t)］，nset為推進電機的設定轉速.

由式(5)、(8)得推進電機的轉矩前饋控制算法為

由SSP的推力Fp、轉矩Tp和功率Pp表達式［11］可得推進電機的功率前饋控制算法為

則

式中:Tm1、Tm2和Tm3分別對應推進電機的速度控制、轉矩控制和功率控制的指令轉矩，Pm是推進電機功率.

綜合推進電機的轉速-轉矩-功率控制策略，由式(13)、(14)和(16)得

式中:Σ Tc為復合控制指令，權重函數α(Σ n)為

式中:k、λ和γ為大于0的常數，且滿足以下條件

α(Σ n)仿真結果如圖4所示.

圖4 α(Σ n)的仿真結果Fig.4 The simulation result of α(Σ n)

圖4中，參數k、λ和γ的不同取值，權重函數α(Σ n)曲線的形狀一致.k越大，權重函數曲線基寬變窄;λ越大，權重函數曲線越瘦，基寬變小，峰頂變尖，則選擇性好;γ越大，權重函數曲線越胖，基寬變小，峰部平坦，則穩定性好.

4 結果分析

建立圖1所示的基于SIMOTION船舶電力推進模擬系統，推進電機和模擬螺旋槳電機均為三相異步電動機，可處于電動狀態，也可處于再生發電狀態，且都工作在穩定區域.電機全負荷運行時，在線檢測結果如圖5所示.

圖5 電機在線參數檢測Fig.5 Motor parameter on-line detecting

分別以速度控制、轉矩控制和功率控制的試驗結果如圖6～8所示.

圖6為推進電機轉速控制結果，圖6(b)所示的轉矩大幅度波動;圖7為推進電機轉矩控制結果，圖7(a)所示的轉速波動幅度較小;圖8為推進電機功率控制結果，圖8(a)和圖8(b)所示的轉速和轉矩波動幅度最小.顯然，轉矩控制和功率控制的效果要比轉速控制的效果好，而功率控制的效果最好.

圖6～8表明，采用功率控制策略時，由于推進電機轉速和轉矩的乘積決定了其功率大小，根據推進負荷和海況，同時控制推進電機的轉速和轉矩，保持功率穩定，可獲得最佳的控制效果，圖8所示，轉速與轉矩變動平滑，脈動最小.功率變化時，轉速和轉矩可都增大、都減小或一個增大而另一個減小，兩者變動的幅度也不同.因此，基于SIMOTION的船舶電力推進直接轉矩與轉速復合控制的策略是理想的、靈活的.

圖6 速度控制試驗結果Fig.6 The test result of speed control

圖7 轉矩控制試驗結果Fig.7 The test result of torque control

圖8 功率控制試驗結果Fig.8 The test result of power control

5 結束語

在分析船舶電力推進SSP動態特性的基礎上，提出了推進電機直接轉矩與轉速的復合控制算法，利用SIEMENS最新技術SIMOTION，建立了電力推進SSP模擬系統.進行了船舶電力推進的速度控制、轉矩控制和功率控制的試驗研究，并對這3種控制策略進行了比較分析，得出了功率控制最好的結果.下一步工作將在SIMOTION船舶電力推進模擬試驗臺上，進行摩擦轉矩與慣性矩預測估計，應用于復合控制的前饋補償研究，進一步提高船舶電力推進的魯棒性能.

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