基于無速度傳感器的船舶交流推進電機模糊直接轉矩控制策略

郭隆軍，俞萬能，田慶元，于洪亮，張文斌

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基于無速度傳感器的船舶交流推進電機模糊直接轉矩控制策略

郭隆軍，俞萬能，田慶元，于洪亮，張文斌

（集美大學輪機工程學院，福建廈門 361021）

基于直接轉矩控制的普通電力推進船在低速航行時，船舶推進電機的轉矩產生明顯的周期性振動，為改善此問題，本文將模糊控制邏輯引入到推進電機調速系統中；同時針對電力推進船上速度傳感器存在的維修、安裝不方便等問題，引入無速度傳感器技術。通過Matlab對改進系統進行仿真，結果表明改進后推進電機能夠有效的減小轉矩脈動，辨識后的轉速能有效的跟蹤系統的實際轉速。

直接轉矩控制 模糊邏輯 無速度傳感器

0 引言

在船舶上，電力推進相比于直接推進方式具有結構緊湊、快速起停和噪音小等優點[1]。電力推進船根據電流的不同分為直流、交流以及直流交流相結合電力推進，由于直流推進電機構成相對復雜、調速范圍小、體積較大、價格貴、輸出功率小等缺點，逐步被交流推進電機所取代[2-3]。在船舶上加設速度傳感器會使船舶造價提高、日常檢修困難，增加整個系統的復雜度，而且還受潮濕、高溫、振動等現場環境的限制，故無速度傳感器得以應用[4]。直接轉矩控制技術是直接將推進電機的轉矩作為被控量來調節船舶的航速，因其良好的控制效果在近年來得到快速的發展[5]。但存在船舶在海域航行時轉矩會出現明顯的周期性振動的缺點[6]，特別是當船舶在靠港時，船舶航速較低，轉矩振動更加嚴重[7-11]。為改善此問題，國內外學者提出不同解決方法。文獻[12]采用多位滯環比較器，文獻[13]應用預測電壓矢量法，有的文獻提出占空比控制技術，都獲得了同時減小轉矩和磁鏈脈動的優良性能。

本文以船舶三相異步交流推進電機作為研究對象，將模糊控制邏輯引用到船舶調速控制上，以此來改善船舶調速性能。并采用模型參考自適應（MRAS）來對推進電機的實際轉速進行識別。仿真結果表明這種調速控制方法用于電力推進電機上能有效抑制轉矩脈動，速度傳感器能夠很好地進行轉速辨識，對電力推進船的正常航行有一定的理論研究意義與工程應用價值。

1 模糊直接轉矩控制原理

在推進電機定子靜止坐標系下，將電機定子電流、電壓的測量值進行坐標變換，由交流電機的基本理論可以推導出在兩相靜止坐標系下推進電機的定子磁鏈值以及轉矩大小。對磁鏈進行矢量分解得到磁鏈的幅值和在此時刻的扇區位置。將由矢量分解得到的磁鏈幅值和轉矩分別與推進電機的給定值相減得到兩者的偏差量。兩個偏差量和扇區位置作為三個變量一起輸入到模糊控制器中。在控制器內部經過變量模糊化、邏輯判斷、對模糊變量解模糊化后得到逆變器的開關狀態，以此來調整定子磁鏈的旋轉速度。電機內電磁場屬于相互耦合的關系，根據電機內電磁場的關系可以知改變定子磁場的旋轉速度可以減小或增大與電機轉子磁場的相對轉速，進而控制船舶推進電機的轉矩大小。其結構如圖1所示。

圖1 模糊直接轉矩控制總體結構圖

2 模糊控制器的設計

2.1 選取模糊量

圖2 的隸屬度函數

圖3 的隸屬度函數

經過解模糊之后，將逆變器的開關狀態作為輸出。把三個開關量輸出全部表示為一個清晰的數字量輸出，考慮到輸出變量為離散值，不用對其模糊子集進行細化，其論域為{0,1,2,3,4,5,6,7}。輸出隸屬函數如圖5所示。

圖4 的隸屬度函數圖

圖5 開關量的隸屬函數

2.2 建立模糊控制規則

模糊規則是依據兩個方面制定的，一個是已有的一些經驗，另一個是理論分析逆變器開關狀態。下面分析當磁鏈處于某一扇區時，不同地電壓矢量對推進電機磁鏈與轉矩的影響，下圖6所示的是電壓空間矢量圖及扇區位置。當磁鏈在下圖所示的位置時，、、使磁鏈幅值增大，、、使磁鏈幅值減少。同時、、增大轉矩，、、減小轉矩，、不改變轉矩大小。若磁鏈在此位置需要減小磁鏈幅值，并使轉矩減小，可以選擇、。在實際控制中，有些電壓矢量的控制效果是類似的，因此我們要選擇最優的電壓矢量。根據以上的分析方法可以推得定子磁鏈在另外十一個區間的情況，最終可得到180條規則的模糊規則。具體規則如表1所示。

圖6 空間電壓矢量圖

2.3 模糊規則推理

本文采用Mamdani型乘法推理?？刂浦胁捎玫哪：评硪巹t語言為：ifandandthen。開關量輸出的隸屬函數為:、、和分別為、、和的隸屬度；“”為 “取小”算子；max表示當取隸屬度最大時所對應的開關狀態輸出。

3 電機轉速估算方法

無速度傳感器的發展來自于對于系統的穩定性的要求及船舶的特殊環境的限制。不依賴于硬件而是直接根據所檢測的電流值、電壓值等來計算出船舶推進電機的實際轉速。

模型參考自適應(MRAS)是以一個模型為標準，通過調節另一模型來調整的參數的一種自適應控制。本文將含轉速的電流模型作為可調模型，不含轉速的電壓模型作為參考模型，輸出的轉子磁鏈誤差作為比例積分自適應率的輸入，誤差為零時證明估計轉速與實際轉速一致。

異步電機在坐標系下電壓模型

u?, u——定子電壓在坐標系下軸和軸的分量，V；

式中，

廣義誤差為:

將得到的廣義誤差輸入到PI調節器中，實現估計轉速逼近實際轉速

4 仿真對比

本文根據船用推進電機的數學模型，在Matlab/Smulink對加入模糊控制邏輯的直接轉矩控制系統進行仿真，并與原來未加入模糊控制邏輯的仿真結果進行對比。

仿真所用到的參數為Matlab/Smulink自帶的電機參數，具體如下：P=150 kW，=460 V，=50 Hz，=0.01485，=0.009295 Ω，=0.003027 H，=0.003027 H，=0.01046 H，=2，=3.1，在異步電機空載條件下，0～0.5 s轉速設為200 r/min.0.5～1 s轉速設定為500 r/min。在相同條件下，分別對傳統直接轉矩控制系統和模糊直接轉矩控制系統進行仿真，其結果如圖7、圖8所示。

圖7為2種系統的定子磁鏈軌跡曲線，同時在2種控制系統中取0.5～0.8 s時間段的定子磁鏈值進行對比。傳統直接轉矩控制中磁鏈脈動為0.018 Wb，而模糊直接轉矩控制定子磁鏈脈動為0.01 Wb，因此基于模糊控制下的定子磁鏈脈動更小。

(a)基于模糊控制下轉矩仿真曲線

(b)傳統控制下轉矩仿真曲線

(a)實際轉速與估算轉速曲線

(b)局部放大圖

圖9 實際轉速與估算轉速曲線

圖8為2種系統的轉矩曲線。與定子磁鏈比較方法相同，取0.5～0.8 s時間段的轉矩脈動作為比較，傳統直接轉矩控制轉矩脈動為40，模糊直接轉矩控制轉矩脈動為20。

圖9為MRAS轉速辨識得到的轉速曲線，圖9中黑色曲線表示MRAS轉速辨識曲線，紅色曲線為電機實際轉速曲線，通過圖9（a）可以看出估算轉速和實際轉速基本重合，將圖9（a）局部放大，截取0.2～0.4 s的轉速曲線，如圖9（b）所示，可以計算速度觀測值誤差為1%。說明了本文MRAS的轉速辨識模型能很好的進行轉速的識別。

5 結論

本文針對電力推進船在低航速下推進電機轉矩脈動的缺點，引入模糊理論。Matlab/Simulink仿真結果表明加入模糊控制邏輯后推進電機的轉矩脈動與磁鏈脈動比原來的更小，控制性能得到明顯提高。將基于MRAS的無速度傳感器技術應用到船舶推進電機中，可以很好的對推進電機轉速進行識別。

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Control Strategy of Fuzzy Direct Torque for Ship Propulsion Motor Based on Speed Sensorless

Guo Longjun, Yu Wanneng, Tian Qingyuan, Yu Hongliang, Zhang Wenbin

(Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China)

TM743

A

1003-4862（2017）07-0015-05

2017-03-25

國家自然科學基金（51679106），交通部應用基礎科研項目（2015329815160），福建省科技計劃項目資助（2015Y0038/2016H6017），廈門市科技計劃項目（3502Z20151231）

郭隆軍(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：船舶電力推進及其控制。