船舶推进电机直接转矩控制策略改进

司宇航，高岚，刘恩东，胡佳

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

船舶推进电机直接转矩控制策略改进

司宇航，高岚，刘恩东，胡佳

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

针对船舶永磁同步电机(PMSM)直接转矩控制(DTC)系统转矩和磁链脉动大、逆变器开关频率不恒定及抗干扰性差等问题，提出基于空间矢量调制(SVM)和自抗扰控制器(ADRC)的直接转矩控制策略。分析SVM的实现过程，通过合成参考电压矢量来补偿磁链和转矩偏差，固定控制周期使逆变器的开关频率保持恒定。设计基于自抗扰控制技术的速度调节器，以提高系统的鲁棒性。仿真实验表明，新的控制策略可以改善磁链和转矩稳态时的表现，保证转速的快速响应并增强系统的抗干扰性。

船舶永磁同步电机；直接转矩控制；空间矢量调制；自抗扰控制器

直接转矩控制(DTC)已成功应用于船舶电力推进系统，可对永磁同步推进电机进行变频调速控制。但传统DTC系统采用滞环比较器和电压矢量开关表，只能提供有限电压矢量且每个控制周期内只有1个电压矢量作用[1-2]，不能精确补偿电磁转矩和定子磁链的误差，转矩和磁链大范围脉动，从而导致电机振动，并产生噪声。同时，速度环多采用PI控制器，传统PI控制器具有结构简单、稳定性好等优点，但是其参数固定、鲁棒性较差，难以应付大负载和多变扰动的工况。永磁同步推进电机具有多变量、强非线性和强耦合的特点，并且其负载转矩受到多变海洋环境的影响也时刻发生着改变，因此要实现推进电机的高性能控制，须消除非线性因素和多变的工况对系统造成的影响[3]。为此，提出一种基于电压空间矢量调制(SVM)和自抗扰控制器(ADRC)的直接转矩控制策略。将SVM技术应用于DTC系统中，稳定逆变器的开关频率，抑制电磁转矩和定子磁链的大范围波动，改善系统的稳态表现。设计基于自抗扰控制技术的速度调节器，以克服PI控制器的缺点，降低负载扰动对系统的影响。

1 船舶电力推进调速控制系统

基于SVM和ADRC的船舶电力推进直接转矩控制系统结构见图1。

图中虚线框内所示为基于预期电压矢量的SVM调制模块，包括PI调节器、参考电压矢量计算模块和SVM模块，代替了传统DTC中的滞环比较器和开关选择表[4]。SVM调制模块经过内部运算后产生脉冲信号控制逆变器开关的通断，驱动推进电机运行。

2 空间矢量调制

SVM策略的基本思想是在一个控制周期内，选择一个扇区相邻的两个电压矢量，结合零矢量，计算出每个电压矢量的作用时间，按照空间矢量的平行四边形合成法则，合成所需的电压矢量[5]，补偿电磁转矩和定子磁链的误差，实现转矩和磁链的无差控制。

2.1 参考电压矢量计算

在α-β坐标系下，参考电压矢量计算如下。

(1)

式中：ψαref、ψβref为参考磁链ψref在α、β轴上的分量；ψα、ψβ为磁链观测器估算出的当前时刻定子磁链大小；Ts为控制周期；Iα、Iβ为α、β轴上的定子电流分量；Rs为定子电阻。

参考电压矢量为：

(2)

式中：θsref为参考电压矢量位置角[6]。

2.2 基本电压矢量作用时间计算

将Vsref作为SVM的输入信号，在1个控制周期Ts内，可由1个扇区相邻的2个电压矢量及零电压矢量合成。以扇区Ⅰ为例，参考电压矢量可以表示为

(3)

式中：T1、T2为1个控制周期内相邻电压V1、V2的作用时间；T0为零矢量作用时间。

由正弦定理结合直角三角形的性质可求得：

(4)

式中：Vdc为逆变器的直流源电压。

零电压矢量的作用时间为T0=Ts-T1-T2。若计算的预期电压过大，T1与T2的和可能大于Ts，则对T1、T2的计算调整如下[7]：

(5)

同理，先判断Vsref所在扇区，然后根据上述过程可求得其余扇区电压矢量的作用时间。

2.3 SVM实现

确定了两个基本电压矢量及作用时间后，要根据实际需求来确定其作用顺序。把电压矢量作用时间平分，使SVM模块输出的脉宽调制波形对称。以减少开关损耗和谐波分量为原则，把两个零电压矢量作用时间等分[1]，并将两个零矢量分别放置在控制周期的首、尾及中间。因此1个控制周期被分为7个时间段，根据每个时间段的电压矢量来确定逆变器的开关状态，从而输出所需的三相电压驱动电动机运行，完成SVM的调制。

3 自抗扰速度控制器设计

自抗扰控制技术是韩京清[8]提出的一种非线性控制方法，是基于PID控制技术和现代控制理论，在仿真试验结果的归纳和综合中探索出来的新型数字控制技术。

3.1 自抗扰控制理论

自抗扰控制器(ADRC)可分为4个组成部分，分别为跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)和动态补偿线性化过程[9-10]。

对于一阶被控对象：

(6)

一阶跟踪微分器为

(7)

二阶扩张状态观测器为

(8)

非线性反馈控制律为

(9)

扰动补偿过程为

(10)

fal函数表达式为

(11)

式中：r为速度跟踪因子；α、α1、α2为fal函数的非线性因子；δ、δ1、δ2为fal函数的滤波因子；β01、β02为输出误差校正增益；β为误差增益[11]。

3.2 速度控制器设计

永磁同步电机的运动学方程可表示为

(12)

式中：ωm为电机的机械角速度；Te为电磁转矩；TL为负载转矩；J为转动惯量；f为摩擦系数。

4 系统仿真

基于上述SVM的实现过程和ADRC转速调节器的设计过程，建立船舶推进电机ADRC-SVM-DTC控制系统的仿真模型，见图3。

4.1 仿真对象

船用永磁同步电机参数如下。

定子电阻Rs=0.001 502 Ω；

定子交轴与直轴电感Ls=0.000 476 7 H；

永磁体磁链ψf=3.55 Wb；

磁极对数P=8；

转动惯量J=550 kg·m2；

额定电压U=660 V；

额定转速为200 r/min；

额定转矩为195.2 kN·m；

船舶质量m=16 229 t；

螺旋桨直径D=3.6 m。

设仿真时间1.5 s，初始参考转速100 r/min，0.5 s时突加100 kN·m的负载转矩扰动，持续时间为0.4 s，1.2 s时参考转速升至150 r/min，仿真结果见图4～7。

4.2 仿真结果分析

如图4、图5所示，初始阶段，电动机以最大转矩启动，转矩响应快速，DTC和ADRC-SVM-DTC系统都以很快的速度响应达到给定转速，其中DTC系统有明显的超调量，并且达到稳定值的时间长于ADRC-SVM-DTC系统；在1.2 s系统加速时，DTC系统仍存在超调量，而ADRC采用了微分跟踪器安排过渡过程，保证了速度响应的快速性，同时减小了超调量，有效地解决了系统快速性和超调量的矛盾。0.5 s时系统受到负载转矩干扰，0.9 s干扰消失，ADRC中的扩张状态观测器能够实时估计出扰动，并对其进行补偿，所以相对PI控制器，在突加干扰和干扰消失时，速度仅有极小的偏差，并且很快能够稳定，其抗干扰性优于PI速度调节器。

图6、图7为转速稳定时的转矩和磁链波动细节图。传统DTC呈现较大的转矩脉动，其最大波动可达5kN·m，磁链波动0.1 Wb；ADRC-SVM-DTC系统的转矩波动1 kN·m，磁链波动0.02 Wb。传统DTC中采用滞环比较器和开关选择表，使得1个控制周期内仅有1个电压矢量作用，若转矩误差很小，电压矢量在很短时间内已经使转矩达到给定值，在剩余的时间里电磁转矩向之前的变化方向继续增大，造成转矩较大程度的波动；改进的系统中采用SVM模块代替滞环比较器和开关选择表，在1个控制周期内产生多个电压矢量对磁链进行控制，经过优化组合的电压矢量可以精确补偿转矩和磁链偏差，有效地降低了转矩和磁链的脉动，使系统的稳定性得到较大程度的提高。

5 结论

1)SVM的控制周期固定，保证逆变器开关频率恒定；在1个控制周期内根据转矩的误差合理安排多个电压矢量作用，减少了转矩处于有差状态的时间，实现转矩的连续控制，因此降低了转矩和磁链的脉动。

2)ADRC中的跟踪微分器既能提取到输入量的微分信号，保证系统快速响应，又能够安排过渡过程，使系统无超调地进入稳态。扩张状态观测器能估计出系统受到的总扰动量，并且实时补偿其扰动，因此消除了工况变化对系统的影响。

3)SVM技术已经应用于大功率推进电机的直接转矩控制，本文在此基础上将ADRC引入调速系统，提高系统的抗干扰性，使船舶在多变海况下保持稳定运行。仿真实验验证了新控制策略的可行性，可为实际控制器的设计提供一定的理论基础。

4)为提高新的控制策略的有效性和实用性，需要在两方面进一步研究。一方面优化ADRC算法，减少待整定参数，方便实际工程操作，提高其实用性；另一方面要对船舶运行工况深入研究，通过模拟多种负载扰动来进一步验证控制系统的有效性。

[1] 阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] 李崇坚.交流同步电机调速系统[M].北京：科学出版社，2013.

[3] 杨明.船舶电力推进永磁同步电机非线性反步控制器设计与优化研究[D].大连：大连海事大学，2012.

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[5] 高键，姜星星.基于SVM的永磁同步电机直接转矩控制的仿真研究[J].科学技术与工程，2013,13(1):64-69.

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[7] 李兴友，李彦.基于SVM的船舶推进电机直接转矩控制仿真研究[J].现代电子技术，2012,35(7):122-125.

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[10] 韩京清.自抗扰控制技术[M].北京：国防工业出版社，2008.

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Improved Direct Torque Control Strategy for the Ship Propulsion Motor

SI Yu-hang, GAO Lan, LIU En-dong, HU Jia

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The marine permanent magnetic synchronous motor (PMSM), the direct torque control (DTC) system has some drawbacks, such as high ripples of torque and flux, unfixed inverter switching frequency and poor anti-interference performance. To solve these problems, an improved strategy based on space vector modulation (SVM) and active disturbance rejection controller (ADRC) was proposed. The realization process of SVM was introduced, and the flux and torque error was compensated through the synthesis of the reference voltage vector, while switching frequency was constant by keeping the control cycle fixed. A speed regulator based on the active disturbance rejection control technique was designed to improve the robustness of the drive system. The simulation results indicated that the new control strategy can improve the static performance of torque and flux, keep the fast speed response and enhance the anti-interference performance.

marine permanent magnetic synchronous motor; direct torque control; space vector modulation; active disturbance rejection controller

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.048

2016-08-19

国家自然科学基金(51139005)

司宇航(1991—)，男，硕士生

U665.11;TP273.5

A

1671-7953(2017)02-0205-05

修回日期：2016-09-12

研究方向:船舶电气及其自动化