船舶電力推進永磁同步電機SVM-DTC控制系統優化

李云鵬，趙宏革，李世霖，孫軍浩，馮 楊

（大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116000）

船舶電力推進永磁同步電機SVM-DTC控制系統優化

李云鵬，趙宏革，李世霖，孫軍浩，馮 楊

（大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116000）

針對船舶電力推進永磁同步電機（PMSM）直接轉矩控制系統存在較大轉矩脈動問題，論文提出了一種基于雙PI的空間矢量調制(SVM-DTC)直接轉矩控制新策略。該控制策略通過空間矢量調制合成電壓矢量，代替傳統開關表與滯環比較器，采用兩個PI調節器分別對電壓矢量角度與幅值進行控制，在保持系統結構簡單的基礎上，顯著地減小轉矩脈動，具有較強的魯棒性，改善了船舶電力推進系統中永磁同步電機的穩態性能與動態性能，優化效果明顯。仿真結果證實了該控制策略的有效性。

船舶電力推進 直接轉矩控制 空間矢量調制 PI調節器 轉矩脈動

0 引言

直接轉矩控制(Direct Torque Control，簡稱DTC)是 20世紀 80年代 Takahashi、Noguchi和Depenbrock[1, 2]提出的高性能交流電機控制策略，采用定子磁鏈定向和空間矢量概念，通過檢測定子電壓、電流、直接在定子坐標系下觀測電機的磁鏈、轉矩、并將此觀測值與給定磁鏈、轉矩相比較差值經滯環控制器得到應控制信號，再綜合當前磁鏈狀態來選擇相應電壓空間矢量，實施直接對電機轉矩的控制。由于擁有結構簡單、動態響應快、對電機參數魯棒性強等優點，DTC在交流電機傳動領域流行起來。但由于直接轉矩控制技術采用定子磁鏈幅值和轉矩的bang-bang控制，必然導致電機在運行中存在轉矩脈動，尤其在大容量大轉動慣量系統中運行時，轉矩脈動更為明顯，這限制了直接轉矩控制在船舶電力推進系統中的運用[3]。對此，國內外學者提出了許多改進方法，例如：文獻[4]、[5]通過從開關表中獲取有效電壓矢量的占空比來改變電壓矢量長度，該策略能夠顯著減小轉矩脈動，但獲取占空比的計算過于復雜且高度依賴電機參數，失去了傳統直接轉矩控制魯棒性強的優點。文獻[6]、[7]各自提出了基于空間矢量調制直接轉矩控制的不同策略，其理論上能產生無限個連續的電壓矢量，有效減小轉矩脈動，控制結構與矢量控制相似，但以上策略在通過空間矢量調制技術合成期望的電壓矢量之前需要進行旋轉坐標變換，這大大增加了系統的復雜程度。文獻[8]、[9]在三電平逆變器的基礎上改用五級滯環比較器，構造更為精細的開關表，在一定程度上減小了轉矩脈動，但其開關表過于復雜。文獻[10]、[11]引入模糊控制的方法，對磁鏈的空間位置、轉矩和磁鏈差值進行模糊分級，優化電壓矢量的選擇，但該策略在大容量、大轉動慣量系統中轉矩脈動優化效果不佳。為此，本文提出了一種新策略，對船舶電力推進永磁同步電機直接轉矩控制系統進行優化分析。

1 傳統DTC電壓矢量選擇策略

如圖1所示，在傳統直接轉矩控制中，如果定子磁鏈矢量位于某個區域內，幾個固定的電壓矢量（V1,V2,V3,V4,V5,V6,V7（V0））中的一個會被選擇，這取決于磁鏈與轉矩滯環比較器的輸出。由于電壓矢量有限，傳統直接轉矩控制策略并不能精確地調節轉矩與磁鏈，由此帶來轉矩脈動過大的負面效果。

圖1 傳統直接轉矩控制電壓矢量選擇方案

2 SVM-DTC電壓矢量選擇策略

相對于傳統的直接轉矩控制只能選擇有限個不連續的電壓空間矢量，基于空間矢量調制的直接轉矩控制（SVM-DTC）可以合成任意個電壓空間矢量，實現電壓矢量平穩切換，有效減小磁鏈和轉矩脈動[12]。

參考電壓與磁鏈位置關系如圖2所示，其中Ψs、Ψr分別為定子和轉子磁鏈；Ψsref為定子磁鏈的參考值，在直接轉矩控制系統中為定子磁鏈給定值；δ為定子磁鏈與轉子磁鏈夾角，即轉矩角；θs、θr分別為定子磁鏈和轉子磁鏈與 α軸夾角；ΔΨ、Δδ分別為參考電壓作用ΔT時間后的定子磁鏈的增量和轉矩角的增量；usref為參考電壓。空間電壓矢量調制模塊利用計算出的參考電壓值，判斷出參考電壓矢量所在扇區，由參考電壓所在扇區相鄰的兩個有效電壓空間矢量和零電壓矢量合成新的電壓空間矢量，替換傳統直接轉矩控制中的電壓矢量開關表。圖3所示為SVM-DTC系統框圖。

圖2 參考電壓與磁鏈的空間位置關系

圖3 SVM-DTC系統結構圖

3 雙PI SVM-DTC優化控制策略

在SVM-DTC系統基礎上，本文提出了一種改進策略，雙PI SVM-DTC系統框圖如圖4所示，系統主要由轉速PI調節器、電壓矢量角度PI調節器、電壓矢量幅值PI調節器、磁鏈和轉矩估算、參考電壓計算、空間電壓矢量調制和逆變器模塊構成。電機的電磁轉矩、定子磁鏈值和角度通過磁鏈和轉矩的計算模塊計算出；由轉速PI調節器得出電機的給定轉矩Te*，轉矩PI調節器計算出電機負載角的增量 Δδ，并通過電壓矢量角度 PI調節器生成φ、電壓矢量幅值PI調節器生成m；然后經過空間電壓矢量調制模塊的出對應的逆變器開關信號，控制電機運行。

3.1 電壓矢量角度確定

假設定子磁鏈角已知，在圖5所示位置。若要磁鏈和轉矩同時增大，應選擇位于區域 [Ⅰθ +10°，θ +80°]范圍內的候選電壓矢量。為了避免磁鏈或轉矩的突然變化，[θ，θ +10°)和(θ +80°，θ +90°]范圍內的區域不被考慮[13]。當轉矩誤差大時，應選擇θ +80°附近的電壓矢量；當轉矩誤差小時，應選擇θ +10°附近的電壓矢量。若要磁鏈減小，轉矩增加，則應選擇區域 Ⅱ[θ +100°，θ+170°]范圍內的候選電壓矢量。當轉矩誤差大時，應選擇θ +100°附近的電壓矢量；當轉矩誤差小時，應選擇θ +170°附近的電壓矢量。位于Ⅲ，Ⅳ區域候選電壓矢量的選擇以此類推。由此，相對于定子磁鏈位置的電壓矢量角度增量可表示為：

圖4 雙PI SVM-DTC系統結構圖

圖5雙PI SVM-DTC電壓矢量選擇方案

這里kp1ki1、εT、εΨ和Δφ分別表示比例系數、積分系數、轉矩誤差、定子磁鏈誤差和電壓矢量角度PI調節器輸出值。對Δφ限幅后應使其滿足|Δφ|[10°∈ ，80°]。電機剛啟動時，為了加快建立定子磁鏈，在定子磁鏈首次不小于給定磁鏈之前，重新 Δφ對進行限幅，滿足|Δφ|[10°∈ ，60°]；待定子磁鏈建立完成后恢復|Δφ|[10°∈ ，80°]。

最終，電壓矢量角度可表示成：

3.2 電壓矢量幅值確定

電壓矢量角度與幅值都能夠對轉矩產生影響，本文采用電壓矢量幅值PI調節器來調節電壓矢量幅值，計算中為了確保電壓矢量為非負值，對電壓矢量幅值PI調節器的輸出結果加絕對值，即

在分別獲取了電壓矢量角度與幅值后，極坐標下電壓矢量最終表示為：

3.3 轉矩與定子磁鏈估算

在直接轉矩控制系統中，轉矩脈動與定子磁鏈脈動是衡量直接轉矩控制策略性能優劣的兩個主要指標，在應用于船舶電力推進直接轉矩控制系統中轉矩脈動顯得尤為重要，本文采用 u-i模型估算電機的定子磁鏈值，其在α-β坐標系下可表示為：

這里iα，iβ，uα，uβ分別為定子電流和定子電壓在α、β軸上的分量；Rs為定子電阻；Ψsα，Ψsβ分別為定子磁鏈在α、β軸上的分量。

兩相靜止坐標系下，永磁同步電機的轉矩方程為：

上式中 iα、iβ分別為兩相坐標系下的定子電流，np為極對數。

轉矩脈動與定子磁鏈脈動估算式為：

這里 Tref、Te、Ψs、Ψsref分別表示電機處于某種狀態下的電磁轉矩估算值、轉矩參考值、定子磁鏈估算值和定子磁鏈參考值。

4 仿真驗證

本文所提出雙PI SVM-DTC優化控制策略將在Matlab/Simulink環境下進行對比驗證。為了方便，傳統直接轉矩策略、基于空間電壓矢量直接轉矩控制策略和雙 PI直接轉矩優化控制策略將分別用“傳統DTC”、“SVM-DTC”和“SVM-DTC1”表示。

仿真所用永磁同步電機和系統參數如下：極對數為8，額定功率4.088 MW，額定電壓660 V，定子電阻0.001502 Ω，定子電感為0.0004767 H，轉動慣量1200 kg?m2，給定定子磁鏈幅值3.6Wb，直流母線電壓931 V，額定轉速為150 r/min。

圖6、圖7所示為電機運行于額定轉速時三種控制策略的定子磁鏈波形與電磁轉矩波形圖。

圖6恒轉速恒轉矩下傳統 DTC、SVM-DTC、SVM-DTC1定子磁鏈波形

圖7 傳統 DTC、SVM-DTC、SVM-DTC1在額定轉速下轉矩波形

從圖5、圖6可以看出，電機額定轉速運行時，SVM-DTC和SVM-DTC1的轉矩脈動和定子磁鏈脈動與傳統 DTC相比都大幅的減小，SVM-DTC1具有最小的轉矩脈動。雖然三種方案中，SVM-DTC擁有最小的定子磁鏈脈動，但在使用直接轉矩控制技術的電力傳動系統中，轉矩脈動減小更為重要，因此在三種直接轉矩控制方案中，本文提出的方案具有最優的穩態性能。

圖8 恒轉速變轉矩下SVM-DTC1的轉矩波形

圖8為恒轉速變轉矩下SVM-DTC1的轉矩波形。仿真時間為7 s，轉速給定值為150 r/min，仿真起始時，電機帶2×104Nm的負載轉矩啟動，在2.0 s時，將負載轉矩突增至3×104Nm，在4.0 s時，將負載轉矩突減至2×104Nm。由此可見，新的優化控制策略在恒轉速變轉矩工況下可以得到應用。

圖9為電力推進直接轉矩控制系統在恒轉矩變轉速下SVM-DTC1的轉速波形，轉速按照船舶車鐘設定，即 Start（起動）→Half（半速前進，75 r/min）→Full（全速前進，150 r/min）→半速前進（Half）模擬船舶運動[15]。圖10為對應轉矩波形圖，負載轉矩給定值為2×104Nm。推進電機在0 s時啟動（Start），電磁轉矩突增，啟動時車鐘推到半速（Half），經過0.5 s，電機啟動完畢，轉速穩定在75 r/min，轉矩穩定在2×104Nm；車鐘在3 s推至全速前進（Full），3.5 s時轉速穩定在150 r/min，轉矩穩定在2×104Nm；在5 s車鐘推至半速前進（Half），轉矩突降，減速過程中轉矩穩定在1×104Nm，轉速穩定在75 r/min時，轉矩突增并穩定在2×104Nm。由此可見，本文提出的雙PI SVM-DTC策略在于電力推進系統變速航行工況中依然可以得到應用，系統動態性能得到了優化。

圖9 恒轉矩變轉速下SVM-DTC1的轉速波形

圖10 恒轉矩變轉速下SVM-DTC1的轉矩波形

5 結語

理論分析及仿真實驗表明，雙PI SVM-DTC優化控制策略可以應用在永磁同步電機直接轉矩控制系統中，且具有有效抑制轉矩脈動的調節作用，改善了系統的穩態和動態響應性能。特別在具有大容量和大轉動慣量的船舶電力推進系統中，雙PI SVM-DTC優化控制策略與傳統直接轉矩控制（DTC）和基于空間矢量調制的傳統直接轉矩控制(SVM-DTC)策略相比，轉矩脈動最小，優化控制效果明顯，有重要的理論和現實意義。

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Optimization of SVM-DTC for Permanent Magnetic Motor in Ship Electric Propulsion

Li Yunpeng, Zhao Hongge, Li Shilin, Sun Junhao, Feng Yang
(School of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

In order to reduce the torque ripple that exists in direct torque control of permanent magnet synchronous in ship electric propulsion, a new direct torque control plan based on space vector modulation is proposed. This plan mainly uses two PI regulators to control the angle and amplitude of the voltage vector respectively, synthesized by space vector modulation. With simple structure and stronger robust, the proposed plan optimization effect is obvious, which reduces torque ripple significantly and improves steady performance and dynamic of the permanent magnet synchronous motor in ship power system. The simulation result verifies the feasibility and validity of the plan.

marine electric propulsion; direct torque control; space vector modulation; PI regulator; torque ripple

U665.13

A

1003-4862（2017）02-0025-05

2016-08-12

李云鵬（1989-），男，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail：glofindal@qq.com

趙宏革（1967-），男，博士，教授，研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail：zhaohg@dlmu.edu.cn