一種艦船永磁同步電機自適應(yīng)控制方法設(shè)計*

劉亞雷 顧曉輝

（1.中國人民武裝警察部隊海警學(xué)院艦艇指揮系 寧波 315801）

（2.南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點學(xué)科重點實驗室 南京 210094）

1 引言

Takahashi，Noguchi 和Depenbrock［1～2］提出了直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC），給出了空間矢量與定子磁鏈定向的概念，建立了定子坐標(biāo)系，通過分別比較給定的磁鏈、轉(zhuǎn)矩與實際的磁鏈、轉(zhuǎn)矩之差得到控制器的控制信號，從而完成對電機直接轉(zhuǎn)矩的控制。該控制方法結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，受到了學(xué)者的關(guān)注，獲得了許多研究成果［3～6］，如PID 調(diào)節(jié)器，但是艦船永磁同步電機在海上復(fù)雜環(huán)境及艦船不同工況下運行時，其調(diào)速控制具有非線性變化的特點，且轉(zhuǎn)矩容易受到擾動，嚴(yán)重影響電機控制的穩(wěn)定性，這一問題在艦船中低速航行時更為明顯。為此，相關(guān)研究人員提出了相應(yīng)改進方法［7～9］，如分別提出了基于模糊理論控制機制［10］、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)調(diào)整控制誤差方法［11］、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)調(diào)整和控制方法等［12］，在上述上方中都存在不同程度的缺陷，其中基于模糊理論控制機制在干擾發(fā)生時使得控制系統(tǒng)的超調(diào)量較高，從而系統(tǒng)波動明顯，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)調(diào)整控制誤差方法造成系統(tǒng)收斂較慢，超調(diào)時間過長，而小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)調(diào)整和控制方法具有人為設(shè)定閾值，不具有全工況適應(yīng)性等問題。針對上述永磁同步電機控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性、反應(yīng)時間及控制誤差方面存在的問題，本文提出一種自適應(yīng)魯棒控制方法，該方法可有效改善永磁同步電機的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，減少系統(tǒng)調(diào)節(jié)時的波動參數(shù)，提高系統(tǒng)響應(yīng)時間，具有較強的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和磁鏈響應(yīng)能力，從而提高了艦船永磁同步電機控制系統(tǒng)的魯棒性。

2 艦船永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機在忽略鐵心飽和和電機繞組漏感，假設(shè)氣隙中磁勢呈正弦分布，忽略磁場的高次諧波，可以得到永磁同步電機在同步旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，在d-q 坐標(biāo)系中定子電壓方程及電子磁鏈的數(shù)學(xué)模型如下：

式中電磁轉(zhuǎn)矩Te，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，J 為電機的轉(zhuǎn)動慣量，F(xiàn) 為阻尼系數(shù)，np為磁極對數(shù)。

3 DTC控制系統(tǒng)設(shè)計

直接轉(zhuǎn)矩控制原理是將定子磁鏈進行調(diào)制，根據(jù)定子磁鏈旋轉(zhuǎn)d-q 坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型，使用坐標(biāo)變換可得永磁同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩數(shù)學(xué)模型為

式中：ψs為定子磁鏈值；ψf為永磁體磁鏈值；δ為電機功角。

由式（6）可得，通過控制可以使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩保持不變，假如定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)子磁鏈幅值保持為定值，則電機功角的變化決定著電磁轉(zhuǎn)矩的變化。

艦船在航行時，由于工況及海上環(huán)境的變化，使得永磁同步電機功率輸出系統(tǒng)具有非線性等變化，然而只要實現(xiàn)對定子磁鏈值和電磁轉(zhuǎn)矩的控制，就可以實現(xiàn)永磁同步電機功率的平穩(wěn)輸出。在DTC控制系統(tǒng)中，定子磁鏈幅值與轉(zhuǎn)矩控制估算電機定子磁鏈時，假設(shè)定子磁鏈值初值為0，則有：

不計定子電阻降低值可得：

從式（7）、（8）可看出，在電機定子上通入矢量電壓us后，ψs的箭頭末端將會沿著該原來矢量的方向移動，或者說ψs將沿著us方向增加一定的矢量值，方向不變，幅值增加。ψs實為us的在時間上的積分值，其大小由us作用時間Δt 決定，ψs矢量增大或者較少后的方向變化由us的方向決定。Δt時間后，定子上的總磁鏈ψsi等于原磁鏈值和磁鏈變化值的矢量和，即：

由此可知，矢量電壓可以精確地控制定子磁鏈的大小旋轉(zhuǎn)方向及速度，則不需要其他參數(shù)的變動。因此，可利用兩點式調(diào)節(jié)產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制，而控制電機轉(zhuǎn)矩可以直接改變定子電壓的強度，使定子磁鏈方向不變，從而使轉(zhuǎn)矩的動態(tài)響應(yīng)更高。

圖1 為DTC 控制系統(tǒng)方框圖，其系統(tǒng)由速度控制器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、開關(guān)選擇器、光電碼盤、磁鏈控制器、PWM逆變器、滯環(huán)比較器組成。

圖1 DTC控制系統(tǒng)方框圖

DTC控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)自動控制過程，該系統(tǒng)中控制電壓矢量，使其幅值方向保持在誤差范圍內(nèi)，電壓矢量決定電機定子磁鏈幅值方向，如果電壓矢量穩(wěn)定，則可使誤差穩(wěn)定。轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度的穩(wěn)定可通過調(diào)節(jié)磁鏈的瞬時值來實現(xiàn)。定子三相電壓值由直流母線電壓和開關(guān)表值得到，測得的電流與電壓經(jīng)過圖中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到坐標(biāo)系中的電流、電壓信號，從而可得電機的定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩。在上述控制過程中滯環(huán)比較器是DTC 控制系統(tǒng)的核心，其作用是把電壓指令和輸出電壓進行比較，將正確的信號輸出給開關(guān)表，濾除偏差信號，比較器根據(jù)信號正負(fù)控制開關(guān)器件的狀態(tài)，以此實現(xiàn)電壓的跟蹤控制。但是該比較器沒有自調(diào)制功能，容易使轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動，只能在運行周期內(nèi)找到一個合理的運行電壓，一個周期內(nèi)可選擇的電壓矢量數(shù)量不多，因此，比較器的選擇是人為擇優(yōu)設(shè)定，不利于不同工況下永磁同步電機控制。

4 永磁同步電機自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制是一種能修正自己特性以適應(yīng)對象和擾動動態(tài)特性變換的一種控制方式。為了在運行周期內(nèi)實現(xiàn)永磁同步電機自適應(yīng)電壓跟蹤控制，本文根據(jù)電路多種通斷情況和各個開關(guān)變化的狀態(tài)設(shè)計電壓矢量合成狀態(tài)分布，利用該狀態(tài)分布使電壓分類合理，在不同工況下，通過開關(guān)變化控制電壓狀態(tài)自動切換，從而達到自適應(yīng)電壓跟蹤控制的目的，上述包含電壓空間矢量時間計算、電壓矢量合成時序兩個步驟。

4.1 電壓空間矢量時間計算

圖2 為電壓矢量合成狀態(tài)分布圖，圖3 為電壓參考矢量合成圖。

圖2 電壓矢量合成狀態(tài)分布

圖3 電壓參考矢量合成圖

在角度為0°～60°的范圍內(nèi)，逆時針旋轉(zhuǎn)，假設(shè)電壓矢量位于C中，根據(jù)Volt second principle定理，得到以下公式：

V1、V2、V4的作用時間為Ta、Tb、Tc，Ts為調(diào)制周期，且 有Ta=Ts(1-2k sin θ) ，Tb=Ts[1-2k sink 為控制程度值，以此類推，可以計算出其他角度的電壓矢量合成的時間。

4.2 電壓矢量合成時序

由整流器輸出的電壓矢量是按一定順序合成，如位于三角形C 中參考電壓為Vref，其電壓矢量合成時序方法如圖4所示。

圖4 電壓矢量合成順序圖

假設(shè)電壓矢量先增大，后減少，而后以此循環(huán)，以圖4 中的相關(guān)合成方法為例，PPO 為最小適量，輸 出 順 序：PPO→POO→PON→OON→ONN→OON→PON→POO→PPO。以此為信號，整流器的三相橋臂就可以按要求控制開關(guān)的狀態(tài)。

5 仿真驗證

為了驗證本文自適應(yīng)控制方法的有效性，基于Matlab∕Simulink 環(huán)境下進行了仿真試驗。仿真參數(shù)如下：np為8，Pe為4088kW，Ue為660 V，Rs為0.001502 Ω，Ld，Lq為0.4767 mH，J 為1200 kg·m2，ψf為3.6Wb，額定轉(zhuǎn)速n 為1750 r∕min，Tn為195 KN·m。

條件一：假設(shè)電機在額定轉(zhuǎn)速1750r∕min 下運行，在t=0.1s 時，由于海上環(huán)境及航行工況變化，電機的轉(zhuǎn)速突然降為1000r∕min，利用本文的自適應(yīng)控制方法，在Matlab仿真計算下得到電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)分別如圖5、6 所示。由圖可知，外部干擾因素作用下，本文自適應(yīng)控制方法，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩曲線能夠快速響應(yīng)，完成自調(diào)節(jié)，并能夠保持系統(tǒng)能夠快速跟蹤變化，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

條件二：假設(shè)電機在初始轉(zhuǎn)速1000r∕min 條件下空載啟動，t=0.05s 其負(fù)載增加5KN·m，利用本文自適應(yīng)控制方法，在Matlab仿真計算下得到電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)分別如圖7、8 所示。由圖可知，在自適應(yīng)控制策略下，電機在恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩工況下可以得到應(yīng)用。

圖5 轉(zhuǎn)速響應(yīng)

圖6 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

圖7 轉(zhuǎn)速響應(yīng)

圖8 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

圖9 轉(zhuǎn)速響應(yīng)

條件三：假設(shè)電機初始在額定轉(zhuǎn)速1750r∕min下運行，在時間為t=0.1s 時轉(zhuǎn)速變?yōu)?000r∕min，在t=0.2s 時電機反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為-1000r∕min，在t=0.3s 時轉(zhuǎn)速為-1750r∕min?；贛atlab 仿真計算下得到電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)及磁鏈響應(yīng)分別如圖9、10 所示。由圖可知，本文提出的自適應(yīng)控制方法可有效跟蹤電機的轉(zhuǎn)速變化，快速響應(yīng)電機的速度變化，此外通過磁鏈響應(yīng)曲線可知，此控制方法調(diào)制過程平穩(wěn)，因此，證實了本文控制方法在電力推進系統(tǒng)中變工況工作下的電機控制系統(tǒng)動態(tài)性能得到了改善。

圖10 d-q 坐標(biāo)系下的磁鏈響應(yīng)

6 結(jié)語

本文從電壓空間矢量時間計算及電壓矢量合成時序兩個方面，通過開關(guān)變化控制電壓狀態(tài)自動切換，達到了永磁同步電機自適應(yīng)電壓跟蹤控制的目的。利用Matlab∕Simulink 軟件仿真模擬計算了在不同海上條件及工況下電機的轉(zhuǎn)速響應(yīng)及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，結(jié)果表明本文設(shè)計的自適應(yīng)控制方法，能夠快速響應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩變化并完成自適應(yīng)調(diào)節(jié)，體現(xiàn)了控制系統(tǒng)快速跟蹤能力，永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩擾動較小，優(yōu)化控制效果明顯，從而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。