电缆绞车驱动电机的SVM-DTC控制策略

安柏楠， 周腊吾，2， 严小敏， 赵健康， 邓 雄

(1. 湖南大学电气与信息工程学院， 湖南 长沙 410082； 2. 长沙理工大学电气与信息工程学院， 湖南 长沙 410114)

电缆绞车驱动电机的SVM-DTC控制策略

安柏楠1， 周腊吾1，2， 严小敏1， 赵健康1， 邓 雄1

(1. 湖南大学电气与信息工程学院， 湖南 长沙 410082； 2. 长沙理工大学电气与信息工程学院， 湖南 长沙 410114)

电缆绞车是船舶系统重要的组成部分之一，通常选用效率高、维修性能好的永磁同步电机(PMSM)作为船舶电缆绞车的驱动电机。面对复杂的海洋环境，电缆绞车需要在收放电缆时保证电缆的张力不变，进行恒张力控制。同时针对负载时变、突变、非线性的特点，本文提出了自适应模糊PID控制器和空间矢量调制下的直接转矩控制策略对电缆绞车进行控制。利用Matlab/Simulink软件对此控制策略进行验证，结果表明，采用基于自适应模糊PID的空间矢量脉宽直接转矩控制(SVM-DTC)下的驱动电机，在保持直接转矩控制优点的同时，具有优良的动静态特性，可以有效地减小电磁转矩和磁链的脉动，适用于船舶电缆绞车驱动系统。

电缆绞车； 永磁同步电机； 恒张力控制； 自适应模糊PID； 空间矢量脉宽直接转矩控制

1 引言

随着船舶岸电技术的普及应用,大型船舶在港口靠岸时,通过岸电电源来满足船舶照明等的用电需求。而岸电系统与船舶上受电装置间需通过电缆进行连接，通常采用定速永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)作为电缆绞车进行驱动，来实现电缆双向快速收放[1]。同时海上收放电缆有别于陆上电机驱动负载，其重要一点在于电缆收放过程中张力不断变化，并呈现出非线性、时变和饱和性等的特征。为减少电缆所受的冲击力，实现电缆的快速、平稳收放，要求驱动电机对负载跟踪性能较强，调节时间短，对电缆实现恒张力控制。

文献[2-4]给出了多种对于PMSM的控制方式，其中直接转矩控制对转矩和磁链实现直接控制，较矢量控制更为直接有效，但缺点是其控制精度不高而造成转矩脉动较大。文献[5]引入了双模糊控制来改善直接转矩控制转矩脉动大的问题,使磁链轨迹圆度更好，但其缺点是动态响应速度较慢。文献[6]采用基于自抗扰控制的空间矢量调制方式，对转矩和磁链偏差进行补偿，但需要较为精确的控制模型。文献[7]直接以转矩为最终目标选择最优电压矢量进行直接转矩控制，省去了对磁链环的控制。本文结合实际提出了一种基于自适应模糊PID控制的空间矢量脉宽直接转矩控制(SVM-DTC)策略来驱动电缆绞车实现电缆恒张力控制，通过仿真及实验，检测在负载变化的情况下，该控制系统是否可以稳定控制驱动电机,进行恒张力控制。

2 电缆绞车驱动系统

电缆绞车装置是船舶与岸电快速连接技术的关键。与传统的电缆卷筒装置相比，电缆卷盘具有安装空间小、排缆可靠、成本低廉等优点。其主要由驱动机构、减速箱、电缆-环箱、电缆卷盘及电缆缓冲机构等部件组成,其装置模型图如图1所示。

图1 电缆绞车装置模型Fig.1 Cable winch device model

船用电缆卷盘分为体积小、维修简单、转矩输出近似恒定的磁滞式电缆卷盘，同步性能好、电缆张力小的弹力式电缆卷盘，变转矩输出的力矩电机式电缆卷盘，重锤式电缆卷盘等。针对复杂海洋环境，要求电缆卷盘通用性强，适应能力好，排缆可靠。在大型船舶中，要求驱动电缆能够进行快速柔性连接，同时也应该具有安全的特性，保持电缆恒定张力，并能够维持最佳电缆长度，防止电缆出现松弛下垂或拉伸紧张情况。本文对比多种永磁同步电机控制方案，最终选择了利用自适应模糊构建PID的SVM-DTC控制策略，进一步提高了系统动态和稳态性能，达到控制电缆收放恒张力的目的。

3 自适应模糊PID的SVM-DTC原理

3.1 永磁同步电机数学模型

永磁同步电机转子上安装永磁体进行励磁，同时静止的定子侧通入电流也产生磁场，两者共同作用合成旋转磁场。隐极式转子主要由合金钢整体锻件而成，可认为交、直轴上自感相等。在电机参数计算时，将以a、b、c为坐标轴的三相静止坐标系经过Clarke变换，转化成以α、β为坐标轴的两相静止坐标系来描述电机参数[8]，如图2所示。

图2 电机不同坐标系下的矢量图Fig.2 Vector diagram of motor in different coordinate systems

图2中，ψs、ψf分别为定、转子磁链；δ为ψs、ψf之间的夹角,用式(1)～式(4)分别表示隐极式PMSM参数：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，us为定子电压；is为定子电流；Tem为驱动电机的电磁转矩；P为极对数；ψs为定子磁链；ψ为ψs幅值大小；θ为定子磁链角度；Rs为电枢等效电阻；α、β分别表示定子的α、β轴分量；a、b、c分别表示定子的a、b、c轴分量。

3.2 恒张力控制分析

当电缆绞车运行时，驱动电机运动方程为：

(5)

(6)

式中，TF为驱动电机负载电缆的转矩；T0为驱动电机的空载转矩；J为驱动电机转动惯量；ω为驱动电机转子角速度；TD为驱动电机的动态转矩。通常电缆张力较大，与之相比T0可忽略不计，在电机平稳运行过程中，驱动负载可以表示为：

(7)

(8)

式中，F为电缆张力大小；D为电缆卷直径。由式(7)和式(8)可知，在电机驱动电缆绞车稳速运行时，电缆的线速度和张力恒定。但在实际工程中，卷盘的卷径和转动惯量不断变换，势必造成电缆张力的变化。因此为保持电缆张力恒定，要求电机电磁转矩能迅速且准确地跟踪电缆张力变化，这时需考虑式(6)中动态转矩TD的补偿作用，即

(9)

(10)

式中，JP为电缆卷转动惯量；JM为储缆筒转动惯量；R为电缆卷半径；r为储缆筒半径；ρ为电缆的密度；b为电缆宽度。令D=2R，d=2r，则

(11)

联立式(9)～式(11)得：

(12)

式中，v为驱动电机转子线速度。

分析可知，掌握电缆绞车卷筒直径D和速度变化率dv/dt等动态变量，就可以在收放电缆过程中得出所需要的动态转矩补偿，通过调整驱动电机的电磁转矩，来控制收、放电缆过程中电缆的张力不变。可见对船舶电缆恒张力控制，就是对电缆绞车驱动电机转矩进行控制。

3.3 自适应模糊PID调节器

PID控制器简单易行且较为有效，其参数往往固定不变，无法适应系统的变化，但若结合模糊控制对于系统适应性强、鲁棒性好的特点[9]，就可以组成自适应模糊控制，针对负载的变化快速调整电机，保持电缆绞车快速稳定运行。

图3为二维自适应模糊控制器的原理图。将参考转速与实际转速间差值E=n*-n作为误差，将差值以及差值变化率Ec=Ei-Ei-1作为两个输入，同时采用三个输出端口，将修正的ΔKp、ΔKi、ΔKd作为输出。给定原始参数为Kp0、Ki0、Kd0，控制器输出为T*。通过P、I、D数值合理的选定对控制器进行参数调整，使输出满足预定期望。

图3 自适应模糊PID电缆绞车框图Fig.3 Fuzzy self-adjusting PID for cable winch

根据P、I、D选定数值以及专家经验得到Kp、Ki、Kd模糊规则，如表1～表3所示。

表1 Kp模糊规则表Tab.1 Kp fuzzy control rule table

表2 Ki模糊规则表Tab.2 Ki fuzzy control rule table

表3 Kd模糊规则表Tab.3 Kd fuzzy control rule table

调节器根据负载以及转速的变化进行实时调整，得出最终校正参数为：

(13)

3.4 电压空间矢量控制

为得到可控稳定的电磁转矩，需要获得近似圆形磁场。逆变器通常采用PWM、SPWM、DPWM、SVPWM等调制方式，各种方式特点不同，应用于不同环境当中，但因SVPWM具有动态响应快、精度高等显著优点，因此被大量用于目前电机驱动上。

为了使电机运行时的磁链尽可能逼近理想的圆形磁链，减少电磁转矩的波动，SVPWM将永磁同步电机和由IGBT构成的三相桥式逆变器作为一个整体，控制逆变器桥臂通断来产生脉宽调制波[10]。三相桥臂共有8种不同的开通关断形式，图4为空间矢量分布图。任意时间内每个扇区内输出电压U都可以平行地投影到相邻的两个基本电压矢量上[11]，这样可以得到每个矢量的作用时间，从而在空间内进行矢量合成对驱动电机进行控制。

图4 电压控制下的空间矢量分布图Fig.4 Basic switching voltage vectors and sectors

倘若永磁同步电机由传统的逆变器进行控制和供电，检测其磁链的轨迹将呈现为旋转的正六边形磁场。这是因为在逆变器每个控制周期Ts内其工作状态间断变化，按开关方向依次形成6个不同的电压空间矢量，对应只出现6种工作状态。为了使电机的磁链轨迹更接近圆形旋转磁场，则需要改变逆变器的控制形式，在每个扇区中依次产生尽可能多的不同的电压空间矢量，对应更多工作形式，其构成如图5所示。

图5 SVPWM构成原理图Fig.5 SVPWM principle diagram

4 自适应模糊PID的SVM-DTC系统实现

采用SVPWM来进行控制时，依旧保持定子磁链幅值不变，控制转矩角来控制电磁转矩[12]，其计算的关键就是预期电压矢量uα和uβ的大小[13]。在α、β坐标系中易得到：

(14)

式中，p为微分算子。考虑式(14)并结合图(2)得：

(15)

式中，uα、uβ为电压在定子α、β轴上的分量；ψref为定子参考磁链；Δθ为负载角增量；Ts为采样时间。SVM-DTC控制下的PMSM的原理如图6所示。将uα、uβ、Udc和Ts同时输入到SVPWM模块当中，输出三相逆变器的控制信号pluse。

图6 SVM-DTC控制下PMSM原理图Fig.6 Principle diagram of SVM-DTC for PMSM

5 仿真研究及实验分析

5.1 仿真研究

电缆绞车驱动系统仿真所使用PMSM具体参数如下：直流母线电压Udc=510V，定子电阻Rs=18.7Ω，电机直、交轴电感Ld=Lq=0.00835H， PWM调制周期Ts=0.0001s，转子磁链ψf=0.175Wb，给定参考定子磁链ψref=0.77Wb，极对数2P=4，电机转动惯量J= 0.000025kg·m2。

电缆绞车驱动系统在不同转速条件下，给定恒定负载2N·m,对系统收放缆时的静态性能进行比较，结果如图7所示，根据图7可得仿真试验结果如表4所示。

表4 不同转速下稳态转速和转矩脉动Tab.4 Speed and torque ripple under different speeds

由表4可以得出，相比于传统的DTC控制策略，SVM-DTC控制策略在电缆收放装置中精度更高，稳态性能更好。

5.2 实验分析

为测试自适应模糊PID的SVM-DTC系统的效果,本文在如图8所示的测试平台上进行实验分析，

图7 不同控制策略时转速和转矩波形Fig.7 Speed and torque waveforms under different load with different methods

验证其动态性能。其中测试电机采用Lenze公司型号为MCS 19J20的永磁同步电机。

图8 电缆绞车驱动系统测试平台Fig.8 Cable winch drive motor test platform

电缆绞车系统负载特性T具有非线性、时变、饱和性等特点，采用式(16)模型来模拟收放电缆时的动态特性，模拟多种情况下系统的控制性能，负载转矩T曲线如图9所示，图10为采用两种控制策略的转矩实验波形。

(16)

图9 电缆绞车负载特性Fig.9 Cable winch load characteristic

图10 给定负载两种控制策略下转矩波形Fig.10 Torque waveforms under load characteristic with different methods

根据图10波形以及所得数据可知实验结果如表5所示。通过图10及表5可知，两种控制策略下动态响应速度都较快，但SVM-DTC控制下的驱动电机反应更快且精度更高，能有效减小转矩的脉动，波形更加平滑，保证了电缆恒定张力的控制，可获得更优秀的动态性能。将所得磁链绘图，如图11所示。可以看出，SVM-DTC控制下磁链轨迹更为圆滑，毛刺较少。

表5 动态响应转矩对比表Tab.5 Comparison of dynamic response

图11 给定负载两种控制策略下磁链轨迹Fig.11 Flux locus under load characteristic with different methods

6 结论

仿真结果表明，基于自适应模糊PID的SVM-DTC控制策略下的电缆绞车驱动系统具有良好的速度稳定性和较高的精度。面对复杂的海洋环境，其可以满足电缆在收、放过程中加减速的需求。驱动电机在该控制策略下的电磁转矩可以快速、有效地跟踪负载转矩变换，实现电缆恒张力控制。同时改进了传统直接转矩控制方式的缺点，采用SVPWM调制方式，有效减少了电磁转矩波动，精度更高，输出更为平滑，反应更快。该策略适用于当今电缆绞车系统，值得进一步研究并应用于生产当中。

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Study of SVM-DTC strategy on drive motor of cable winch

AN Bo-nan1， ZHOU La-wu1，2， YAN Xiao-min1， ZHAO Jian-kang1， DENG Xiong1

(1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;2. College of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

Cable winch is a crucial component of the shore power system, and permanent magnet synchronous motor (PMSM) with high efficiency and good maintainability is always used as the drive motor for ship cable winch. In order to deal with the various and complex ocean environment, it is rather important for cable winches to keep the tension constant when picking and laying cables so as to realize constant torque control. According to the particularity of cable winch load which includes time variant, sudden change, and nonlinearity, the combination of self-adapting fuzzy PID controller and direct torque control (DTC) strategy modulated by space vector is presented in this thesis to realize the control. Meanwhile, Matlab/Simulink is used to verify this control strategy. The result indicates that a drive motor controlled by SVM-DTC control strategy based on self-adapting fuzzy PID control can not only maintain the advantages of direct torque control well, but also present excellent dynamic and static characteristics at the same time, which would effectively reduce electromagnetic torque and flux linkage ripple. Therefore it is quite adaptable for the cable winch drive system.

cable winch; PMSM; tension control; self-adjusting fuzzy PID control; SVM-DTC

2016-03-28

国网公司科技项目(KJ2015-068)

安柏楠 (1992-), 男, 山东籍, 硕士研究生,研究方向为电机电器设计及其控制； 周腊吾 (1965-), 男, 湖南籍, 教授, 博士生导师, 研究方向为电力驱动与伺服理论及相关技术。

TM341

A

1003-3076(2016)12-0038-07