電力推進船舶開關磁阻電機交錯控制策略研究

王孫清,鄭恒持,于 朝,孔 昕,李彬彬,謝仁和

應用研究

電力推進船舶開關磁阻電機交錯控制策略研究

王孫清1,2,3,鄭恒持1,2,3,于 朝1,2,3,孔 昕1,2,3,李彬彬1,2,3,謝仁和1,2,3

（1.中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082；2.深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇無錫 214082；3.深海技術科學太湖實驗室，江蘇無錫 214082）

由于電力推進船舶開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)運行工況和負載實時變化，傳統三段式調速很難通過試湊法來確定切換時刻的轉速和開通角、關斷角，如果選擇不當將造成切換時刻轉速或者轉矩的波動，引起系統的不穩定。針對此問題，本文對傳統三段式調速策略進行了優化，提出一種交錯控制策略。最后在實驗驗證了該控制策略的有效性，改善了控制性能，提高了系統的穩定性。

開關磁阻電機 船舶電力推進 交錯控制

0 引言

隨著世界范圍內環境問題的日益突出，具有控制簡便，節能環保的電力推薦船舶得到了快速發展[1]。電力推進船舶主要動力來源是推進電機，因此其電氣特性、機械特性與節能特性會直接影響船舶推進性能。SRM具有結構簡單可靠、容錯率高、啟動轉矩大、過載能力強、恒功率調速范圍寬、四象限運行特性好、制造成本低等一系列優點[2]，被認為是電氣傳動領域極具潛力的一種電機，可以很好地滿足船舶電力推進系統的要求。

SRM的控制量有很多，主要包括相電流、主電路電壓、開通角和關斷角。因此，對SRM的控制相當靈活，可選用的控制方法很多。針對上述的控制量，SRM基本的控制策略主要有三種：電流斬波控制(CCC)、電壓斬波控制(CVC)和角度位置控制(APC)[3]。

本文提出一種交錯控制策略。控制器根據斬波次數在線調節控制方式切換轉速點和切換角度。實驗結果表明該控制策略具有很強的適應性，可以在母線電壓和負載不同的情況下，自行判斷選擇切換的轉速點，自動劃分電機的低、中、高轉速段，實現了電機較寬轉速范圍平滑調速，改善了控制性能，提高了系統的穩定性。

1 傳統三段式調速分析/SRM基本控制策略

為了拓寬調速范圍，提高運行時的效率和性能，在不同的速度段采用不同的控制策略：一般在啟動和低速階段采用電流斬波控制，限制電流峰值，防止開關管損壞；中速段采用電壓斬波控制，使實際相電流在反電動勢的影響下還能盡量跟蹤給定電流；高速段采用角度位置控制，調節開通角和關斷角，從而維持轉矩產生能力，同時獲得更高轉速。這種根據轉速來選擇控制策略的調速方式被稱為三段式調速。圖1是三段式調速控制結構圖。

圖1 三段式調速控制結構圖

1.1 電流斬波控制

SRM啟動或者低速運行時，旋轉電動勢較小，采用電流斬波控制可以限制電流峰值，防止過高的峰值電流損害開關器件，起到保護和調節的作用。電流斬波控制結構圖如圖2所示。

圖2 電流斬波控制結構圖

圖2中，ref1和ref2分別是電流斬波上限值和電流斬波下限值，i為實際相電流，θ為轉子的位置信號，Q是控制器輸出的斬波信號。電流斬波控制是將相電流采樣值i與電流斬波限值iref1和iref2輸入到滯環控制器中產生開關信號。當相電流采樣值小于斬波下限值時，功率器件開通，相電流上升，并逐漸達到斬波上限值；如果電流采樣值大于斬波上限值時，功率器件關斷，繞組電流通過續流二極管進行續流，因此相電流下降，并逐漸達到斬波下限值；通過功率器件的反復開通關斷，即可實現實際相電流跟蹤給定相電流的目的。滯環控制器的環寬直接影響著電流斬波控制的控制精度，當減小環寬時可以獲得更加精確的控制效果，但斬波頻率會隨之增大，會引起開關損耗增大，系統效率降低。因此，要綜合考慮到控制精度與斬波頻率的要求，合理的選擇環寬。圖3給出了采用電流斬波控制策略運行時SRM一相繞組電壓和電流仿真波形圖。

圖3 電流斬波控制電壓和電流仿真波形圖

1.2 電壓斬波控制

當SRM轉速增大時，反電動勢也會增大，轉速超過基速時，相電壓不足以使實際相電流跟蹤給定電流值，這時就可采用電壓斬波控制。其結構簡單，控制靈活，動態性能好，非常適合中速區域的調速。電壓斬波控制結構圖如圖4所示。

圖4 電壓斬波控制結構圖

電壓斬波控制是在開通角和關斷角不變的情況下，對功率變換電路施加脈沖寬度調制方式，從而實時調節輸入到繞組電壓的占空比來實現電機控制的一種方式。電壓斬波控制在硬件實現上可分為斬單管和斬雙管兩種方式。當電機處于斬單管方式時，PWM信號僅對每相下開關管（或僅對每相上開關管）的觸發信號進行調制，另一個開關管通過位置信號控制；處于斬雙管工作方式時，PWM信號對每相上、下主開關的觸發信號進行調制。斬單管工作方式采用零電壓續流，而斬雙管工作方式的續流是采用的負的母線電壓進行續流。因此，斬單管方式電機相繞組的平均供電電壓為：

電機相繞組的平均供電電壓為：

當輸出轉矩和轉速一定時，特別是在輕載狀態下，斬雙管方式的占空比明顯比斬單管的大，使得斬雙管方式的相電流峰值較大。PWM信號斬雙管時，在反壓(-)的作用下，相電流脈動大，從而導致電機鐵損增大，且由于轉矩脈動產生的電機振動與噪聲所消耗的功率也比斬單管方式大[62]。

為了獲得平滑的電流波形，并減小轉矩脈動和噪聲，還可以增大功率開關管的開關頻率，但較高的開關頻率會使得開關損耗增大，降低系統的效率，所以需要綜合考慮從而確定電壓斬波控制的PWM信號的頻率。與電流斬波控制方式相比，電壓斬波控制實現較為簡單，而且采用固定的開關頻率，對負載擾動的動態響應較快，非常適用于中速段運行。圖5給出了采用電壓斬波控制策略運行時SRM一相繞組電壓和電流仿真波形圖。

圖5 電壓斬波控制電壓和電流仿真波形圖

1.3 角度位置控制

當SRM轉速進一步增大時，電壓斬波控制器輸出的占空比逐漸變大，直到上升至設定的占空比上限值。此時，每相導通周期內的PWM周期數減少，為了繼續提高轉速，降低開關損耗，提高系統效率，此時需要改變單脈沖信號的開通角和關斷角，也就是采用角度位置控制。角度位置控制方式可以在電機的恒功率區以及串勵特性區，繼續提高電機轉速。角度位置控制結構圖如圖6所示。

圖6 角度位置控制結構圖

角度位置控制是在繞組輸入母線電壓不變的情況下，通過將開通角和關斷角提前或者推后，來改變功率變換器件的導通時間，從而實現對電機的調速控制。開通角和關斷角都是可以控制的變量，因此角度位置控制方式又可以分為變開通角控制、變關斷角控制和同時改變開通、關斷角控制三種方式。采用變開通角方式時，當開通角提前時，導通區間內電流處于電感最小區的范圍會變大，相電流的峰值和有效值都會變大，電流波形會變寬，從而使得電機的轉速和輸出轉矩都增大。采用變關斷角方式時，一般關斷時早就過了電流的峰值點，因此電流峰值不會受到關斷角的影響，但電流波形的寬度會隨關斷角的提前而變窄，電流有效值會降低，從而實現對轉矩和轉速的控制。采用變關斷角方式時，如果關斷角調節得過于推后，會出現進入電感下降區續流還沒結束的情況，從而導致產生負轉矩和額外的噪聲，因此在采用角度位置控制時通常會固定關斷角，僅僅改變開通角。圖7給出了采用角度位置控制策略運行時SRM一相繞組電壓和電流仿真波形圖。

圖7 角度控制電壓和電流仿真波形圖

2 交錯控制策略

采用三段式調速方式時，如果電機的負載和母線電壓恒定，在模式選擇器選擇角度位置控制方式時可以采用試湊法來確定切換時刻的轉速以及切換時刻的開通角和關斷角。對于電力推進船舶用SRM來說，負載在實時變化，很難通過試湊法來確定切換時刻的轉速和開通角、關斷角，如果選擇不當將造成切換時刻轉速或者轉矩的波動，引起系統的不穩定。為了保證整個系統的穩態調速性能與瞬時變速跟蹤性能，提高電機運行時的平滑度，本節對傳統三段式調速策略進行了優化，提出了根據斬波次數在線調節切換轉速點與切換角度的交錯控制策略。圖8是交錯控制結構圖。

圖8 交錯控制結構圖

圖8中，是一個設定的常數，用來存放斬波次數的比較基準值；ref是給定電流值；Δ是角度位置控制器的角度增量；斬波計數器用來對單位時間內三相的斬波次數進行累加；比較選擇器用來對斬波次數和基準值進行比較，從而在線靈活地選擇采用電流斬波控制器還是角度位置控制器。max是當前采樣條件下所能給定電流的最大值；on是前移Δ后的角度；temp是角度限定值。由于該交錯控制沒有轉速閉環，在比較選擇器選擇角度位置控制器時，角度相當于是一個開環的控制量，無論給定電流值是多大，角度都會移到最小值。當角度移動到最小值或者接近最小值處時，實際相電流又會超過給定值，船速會超過預期值，對于駕駛者來說只能減少電流給定，當減少電流給定時速度又會降低，這樣就會導致行駛過程中速度的抖動，為了解決上述問題，引入了角度限定值temp，temp的計算公式如下：

角度位置控制器輸出的角度為Δ，如果此時將角度前移Δ后得到的開通角度on大于temp，說明此時的角度還沒到當前給定電流下的最小角度，因此角度可以繼續前移，否則角度不前移，繼續保持當前的角度值。

轉速開環交錯控制只采用了電流閉環，結構簡單，動態性能高。駕駛者可以根據實際情況給定電流斬波的限值，不僅響應速度快，而且有效防止了大負載或者某些極端情況下對開關器件的損壞，對角度的前移量進行限制，提高了行駛過程的平順性。

圖9是轉速開環交錯控制子程序流程圖。轉速開環交錯控制可以根據路況及負載情況在線調節控制方式的切換點以及切換時刻的開通角、關斷角，具體過程如下：

(1) 進行電流斬波控制，同時累加電流斬波的次數；

(2) 判斷斬波次數與基準值的大小，如果滿足斬波次數大于，跳轉到步驟(1)；

(3) 如果不滿足斬波次數大于，比較選擇器選擇角度位置控制器；

(4) 如果on＞temp，角度前移Δ，跳轉到步驟(1)；

(5) 如果不滿足on＞temp，角度不變，跳轉到步驟(1)。

圖9 轉速開環交錯控制流程圖

3 實驗結果與分析

本小節針對提出的交錯控制策略，利用實驗電機分別在母線電壓和負載是48V/0.3N·m、48V/0.6N·m、60V/0.3N·m和60V/0.6N·m這四種情況下進行了測試，測試結果如圖10所示。

圖10 交錯控制測試波形

圖10中通道1代表給定電流波形，縱軸每格代表20 A；通道2代表電機轉速，縱軸每格代表2 000 r/min；通道3代表是否采用角度位置控制器的標志位，當采用角度位置控制器時，該標志位為高電平。橫軸代表時間，每格代表10s。圖10(a)、圖10(c)、圖10(e)和圖10(g)為加速過程波形。圖10(b)、圖10(d)、圖10(f)和圖10(h)減速過程波形。

圖10(a)是母線電壓為48 V，負載是0.3 N·m時的加速波形。從圖10(a)中可以看出，剛開始給定電流為8 A，轉速為480 r/min，此時斬波次數大于設定的斬波次數比較值，因此控制方式選擇器不選擇角度位置控制，移角度標志位一直是低電平。當給定電流達到20 A，電機轉速達到1 360 r/min時，斬波次數小于設定的斬波次數比較值，標志位為高電平，說明此時開始采用角度位置控制器。此后進入了中速段，從標志位可以看出一直處于電流斬波和角度位置交錯控制。當轉速上升到5 440 r/min時，斬波次數一直小于設定值，因此始終選擇了角度位置控制方式。

圖10(b)是母線電壓為48 V，負載是0.3 N·m時的減速波形。從圖10(b)中可以看出，剛開始給定電流為41.6 A，轉速為5 780 r/min。當給定電流開始減小時，轉速并不會直接下降，因為此時開通角度比較靠前，在電感最小區電流就能升到比較大的值，此時相電流依然很大，轉速不會隨著給定電流的降低而降低。當給定電流為31.2 A，轉速下降到4 800 r/min時，斬波次數大于設定的斬波次數比較值，從標志位可以看出，此時采用電流斬波控制，在隨后的一段轉速內一直處于電流斬波和角度位置兩種控制方式交錯控制的模式。當給定電流下降到6.4 A，電機轉速下降到4240 r/min時，斬波次數始終大于設定的斬波次數比較值，標志位為低電平，說明此后一直不采用角度位置控制器。

圖10(c)、圖10(e)和圖10(g)加速過程與圖10(a)相似，圖10(d)、圖10(f)和圖10(h)減速過程與圖10(b)相似。加速過程中，初期一直采用電流斬波控制的過程為低速段；中期采用電流斬波和角度位置交錯控制的過程為中速度段；后期始終采用角度位置控制的過程為高速段。

根據測試結果，表1列出如下不同運行工況下的轉速段。

表1 不同運行工況下的轉速段(r/min)

從表1可以看出，轉速開環的交錯控制策略具有很強的適應性，可以在母線電壓和負載不同的情況下，自行判斷選擇切換的轉速點，自動劃分電機的低、中、高轉速段，實現了電機較寬轉速范圍平滑調速。

4 結語

本文提出了一種電力推進船舶SRM交錯控制策略，根據斬波次數在線調節控制方式切換轉速點和切換角度。首先對SRM三種基本控制策略做了詳細介紹，并指出為了拓寬調速范圍一般在啟動和低速段采用電流斬波控制，中速段采用電壓斬波控制，高速段采用角度位置控制，這種根據轉速來選擇控制策略的調速方式被稱為三段式調速；然后分析了由于實際應用場合工況易變，三段式調速會存在控制方式切換時轉速或者轉矩的波動，引起系統不穩定，針對此問題提出了根據斬波次數在線調節切換轉速點與切換角度的交錯控制策略。最后在實驗平臺上驗證了該控制策略的有效性，改善了控制性能，提高了系統的穩定性。

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Research on interleaving control strategy of switched reluctance motor in electric propulsion ship

Wang Sunqing1,2,3, Zheng Hengchi1,2,3, Yu Zhao1,2,3, Kong Xin1,2,3, Li Binbin1,2,3, Xie Renhe1,2,3

(1. China Ship Scientific Research Center, Wuxi 21408, Jiangsu, China; 2. State Key Laboratory of Deep-sea Manned Vehicles, Wuxi 214082, Jiangsu,China; 3. Taihu Laboratory of Deep-sea Technological Science, Wuxi 214082, Jiangsu,China)

U664.14

A

1003-4862（2022）11-0065-05

2022-03-25

王孫清（1992-），男，工程師，研究方向：電力電子與電力傳動和載人潛器電力系統。E-mail：sunqing_wang@163.com。