船舶電力永磁同步推進(jìn)電機(jī)空間電壓矢量DTC

秦俊峰， 白洪芬， 顏澤鋅， 齊運(yùn)永

(1.欽州學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院，廣西 欽州 535000; 2.大連海事大學(xué) 船船電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

電力推進(jìn)船舶由推進(jìn)電動(dòng)機(jī)取代傳統(tǒng)的柴油機(jī)來驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)性、操縱性和安全性，而且噪聲低、污染物排放少，具有廣闊的應(yīng)用前景。永磁同步電動(dòng)機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有體積小、效率高和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，在電力推進(jìn)船舶中得到廣泛應(yīng)用。[1]

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)雖然比較復(fù)雜，但經(jīng)過一定的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化之后，可保證簡(jiǎn)化系統(tǒng)的仿真結(jié)果與實(shí)際模型的結(jié)果十分接近[2]，因此對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行的研究較多，其中推進(jìn)電機(jī)的類型及其控制方式的選擇是船舶電力推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前電力推進(jìn)船上采用的推進(jìn)電機(jī)主要是直流電機(jī)、異步電機(jī)和同步電機(jī)等，而直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)和矢量控制(Vector Control，VC)是主要的電機(jī)控制策略。[3-7]很多文獻(xiàn)[8]只是簡(jiǎn)要分析電力推進(jìn)系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)推進(jìn)電機(jī)的性能進(jìn)行分析，未考慮推進(jìn)電機(jī)與螺旋槳負(fù)載的特性匹配；也有文獻(xiàn)[9-10]側(cè)重于螺旋槳負(fù)載的特性，對(duì)不同工況下螺旋槳的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真研究，但未考慮船舶推進(jìn)電機(jī)對(duì)螺旋槳負(fù)載的帶動(dòng)情況。

相較于矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制不僅可省去坐標(biāo)變換，還能得到良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和較高的轉(zhuǎn)矩控制精度，但采用Bang-Bang離散兩點(diǎn)的滯環(huán)控制會(huì)產(chǎn)生較大的電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，且低速性能不佳。[11]因此，考慮采用基于空間矢量調(diào)制(Space Vector Modulation，SVM)的直接轉(zhuǎn)矩控制算法，通過控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)來控制電壓矢量，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈幅值及相位的實(shí)時(shí)控制，最終達(dá)到直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)[12]，更適用于船舶這種需快速響應(yīng)的大慣量運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

本文在分析電力推進(jìn)船舶系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，討論基于空間電壓矢量的直接轉(zhuǎn)矩控制策略的基本原理，通過仿真驗(yàn)證船舶的額定負(fù)載啟動(dòng)性能、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩突變及低速性能，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證所提出的直接轉(zhuǎn)矩控制策略的正確性和可行性。

1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)PMSM數(shù)學(xué)模型

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)由推進(jìn)電動(dòng)機(jī)、推進(jìn)電機(jī)逆變器、船舶推進(jìn)器、螺旋槳和控制裝置等構(gòu)成。[13]船舶運(yùn)行時(shí)，推進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)；螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在水中產(chǎn)生向前的推力，通過槳軸和推力軸承等作用于船體，推動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)。此外，海浪、海風(fēng)等海洋環(huán)境的變化會(huì)使船舶阻力發(fā)生變化，進(jìn)而引起螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，最終導(dǎo)致推進(jìn)電機(jī)的特性發(fā)生變化。[14]

由文獻(xiàn)[15]得到船舶螺旋槳模型見圖1。

在電力推進(jìn)船舶中，由推進(jìn)電機(jī)與螺旋槳的相互關(guān)系可知推進(jìn)的動(dòng)力方程[15]為

Jn=Qe-Qp-Qf

(1)

式(1)中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Qe為電磁轉(zhuǎn)矩；Qf為摩擦轉(zhuǎn)矩；Qp為推進(jìn)轉(zhuǎn)矩。由式(1)可知，船速主要由推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速n決定。

2 船用永磁同步電機(jī)SVM-DTC控制基本原理

基于SVM的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖見圖2。與傳統(tǒng)的DTC相比，該系統(tǒng)添加有轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器和參考電壓矢量計(jì)算單元，采用SVM單元控制逆變器的工作，對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴度小，更便于調(diào)節(jié)控制。

2.1 SVM控制

電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差、磁鏈誤差及磁鏈位置來確定逆變器的開關(guān)信號(hào)的。本文選用電壓型逆變器(見圖3)，UDC為直流供電電壓。

根據(jù)逆變器的工作原理，若設(shè)逆變器上橋臂導(dǎo)通時(shí)為狀態(tài)“1”，下橋臂導(dǎo)通時(shí)為狀態(tài)“0”，則三相逆變器的開關(guān)共有8種狀態(tài)組合，所形成的電壓矢量分布見圖4。表1為定子磁鏈扇區(qū)劃分與磁鏈空間角度θ的關(guān)系，角度θ由arctan(Ψsβ/Ψsα)決定。

與矢量控制相比，直接轉(zhuǎn)矩控制無需確定轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置。根據(jù)電壓矢量的控制位置將定子空間劃分為6個(gè)扇區(qū)(如圖4所示)，在進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，僅確定定子磁鏈所處的扇區(qū)即可結(jié)合其他控制輸入信號(hào)推算出合適的控制參考電壓矢量，完成系統(tǒng)控制。參考電壓可在αβ坐標(biāo)系內(nèi)生成。

表1 定子磁鏈扇區(qū)與磁鏈空間角度的關(guān)系

(2)

空間電壓矢量調(diào)制SVM模塊采用SVPWM技術(shù)，根據(jù)參考電壓的值判斷出參考電壓矢量所在的扇區(qū)，由參考電壓矢量所在扇區(qū)相鄰的2個(gè)有效電壓空間矢量和零電壓矢量合成期望的參考電壓空間矢量，替換傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制中的電壓矢量開關(guān)表，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制，使電機(jī)內(nèi)部形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

2.2 定子磁鏈

若忽略定子電阻壓降的影響，定子合成電壓與合成磁鏈的空間矢量關(guān)系[16]可近似表示為

(3)

式(3)中：Rs為定子電阻；us和is分別為合成定子電壓矢量及電流矢量。由式(3)可知，電機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶颗c定子電壓矢量存在近似的積分關(guān)系，在空間上定子磁鏈?zhǔn)噶砍岸ㄗ与妷菏噶?0°。

圖5為參考電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的位置關(guān)系，其中：Ψs和Ψr分別為定子磁鏈及轉(zhuǎn)子磁鏈；Ψsref為定子磁鏈的參考值，即定子磁鏈的給定值；δ為轉(zhuǎn)矩角；θs和θr分別為定子磁鏈及轉(zhuǎn)子磁鏈與α軸的夾角；ΔΨ和Δδ分別為參考電壓矢量作用ΔT時(shí)間之后的定子磁鏈增量及轉(zhuǎn)矩角增量；usref為參考電壓。

由圖5可知αβ坐標(biāo)系下的定子磁鏈與參考磁鏈之間的相互關(guān)系為

(4)

結(jié)合轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器控制，定子電壓在α軸和β軸上的電壓參考值可表示為

(5)

2.3 轉(zhuǎn)矩計(jì)算

在僅考慮基波磁動(dòng)勢(shì)的情況下，PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為

(6)

3 系統(tǒng)仿真模型的建立及結(jié)果分析

為驗(yàn)證船機(jī)槳的性能匹配及基于SVM-DTC策略的可行性，在MATLAB/Simulink中搭建電力推進(jìn)船舶仿真系統(tǒng)。電機(jī)的仿真參數(shù)見表2。

表2 電機(jī)的仿真參數(shù)

仿真時(shí)，滯環(huán)寬度取0.01，磁鏈初值設(shè)為1.5 Wb，SVM采樣周期為T=0.000 1 s。

1)給定負(fù)載10 N·m啟動(dòng)，給定額定轉(zhuǎn)速200 r/min，穩(wěn)定運(yùn)行；t=0.2 s時(shí)突減速至100 r/min；t=0.4 s時(shí)突加速至200 r/min；t=0.6 s時(shí)突反轉(zhuǎn)至-200 r/min，仿真波形見圖6。

帶載啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)從零轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速所需時(shí)間約為0.03 s；到達(dá)穩(wěn)態(tài)之后，電磁轉(zhuǎn)矩為給定負(fù)載10 N·m。在恒定負(fù)載下，轉(zhuǎn)速突降和突增時(shí)

a)定子磁鏈圓軌跡b)電機(jī)轉(zhuǎn)速c)電磁轉(zhuǎn)矩d)定子三相電流

圖6 帶載啟動(dòng)及速度突變的仿真曲線

所需時(shí)間約為0.01 s，從轉(zhuǎn)速發(fā)生反轉(zhuǎn)到給定速度約需0.02 s；同時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩和電流在經(jīng)過短時(shí)間波動(dòng)之后重新穩(wěn)定于初始值，說明直接轉(zhuǎn)矩控制具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

2)低速性能仿真，給定轉(zhuǎn)速n=100 r/min啟動(dòng)，穩(wěn)定運(yùn)行至0.2 s突然減速至60 r/min；t=0.4 s時(shí)突然減速至40 r/min；t=0.6 s時(shí)突然減速至20 r/min。相應(yīng)的仿真波形見圖7。

a)定子磁鏈圓軌跡b)電機(jī)轉(zhuǎn)速c)電磁轉(zhuǎn)矩d)定子三相電流

圖7 低速的仿真曲線

由圖7可知，該系統(tǒng)具有良好的低速運(yùn)轉(zhuǎn)性能，且響應(yīng)速度很快。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證提出的SVM-DTC控制策略的正確性，利用實(shí)驗(yàn)室永磁同步電機(jī)，通過DSP編程，模擬電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制。圖8為試驗(yàn)用三相永磁同步電機(jī)及硬件控制電路，其中：永磁同步電機(jī)的參數(shù)與表2中的參數(shù)相同；控制電路包括電流及電壓檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路。

在試驗(yàn)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速給定為200 r/min，磁鏈給定值為0.6 Wb，給定轉(zhuǎn)矩為0.25 N·m。采用基于空間電壓矢量的直接轉(zhuǎn)矩控制策略，所得試驗(yàn)結(jié)果見圖9。

由圖9a)可知：電流波形具有良好的正弦度，符合直接轉(zhuǎn)矩控制的要求。由圖9b)可知：實(shí)際轉(zhuǎn)速能達(dá)到給定轉(zhuǎn)速200 r/min；由于試驗(yàn)過程中會(huì)受到硬件電路、環(huán)境等因素的影響，因此實(shí)際轉(zhuǎn)速會(huì)有一定的波動(dòng)；轉(zhuǎn)速脈動(dòng)約為10%，能一直跟蹤給定轉(zhuǎn)速，因此該控制策略是正確可行的。由圖9c)可知：磁鏈幅值一直維持在給定值0.6 Wb附近，磁鏈幅值脈動(dòng)約為4.2%，完全符合DTC對(duì)定子磁鏈幅值控制的要求。由圖9d)可知：電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩基本在0.25 N·m附近波動(dòng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)約為150%，與直接轉(zhuǎn)矩控制理論相符。由試驗(yàn)測(cè)得的波形可知，基于空間電壓矢量的直接轉(zhuǎn)矩控制策略能很好地控制電機(jī)運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、磁鏈脈動(dòng)均可控制在理論值范圍內(nèi)。

b)電流及電壓檢測(cè)電路c)驅(qū)動(dòng)電路

圖8 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

圖9 試驗(yàn)波形

5 結(jié)束語

本文在分析船舶電力永磁同步推進(jìn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)基于空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制算法進(jìn)行分析。通過仿真， 對(duì)基于SVM的直接轉(zhuǎn)矩控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：船用永磁同步推進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)時(shí)間很短，推進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)速度快且平穩(wěn)，在很短的時(shí)間內(nèi)便能穩(wěn)定達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩突變的情況下仍能快速響應(yīng)，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和抗干擾能力。通過試驗(yàn)波形可進(jìn)一步驗(yàn)證所提直接轉(zhuǎn)矩控制策略的正確性。因此，基于SVM的直接轉(zhuǎn)矩控制算法適用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，能滿足對(duì)船用大功率永磁同步電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的要求。

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