（电力电子与电力传动专业论文）智能控制在船舶推进电机dtc技术中的应用研究.pdf

英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mv a r i a b l es p e e d t e c h n i q u e sf o ra cm o t o r s ，a cd r i v e s y s t e m sc a np e r f o r ma sp e r f e c t l ya sd cd r i v es y s t e m s a ce l e c t r i cm o t o r s ，s u c ha s a s y n c h r o n o u sm o t o r s ，s y n c h r o n o u sm o t o r sa n dp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ， p l a yad o m i n a n tr o l ei ns h i pe l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m ( s e p s ) d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) t e c h n i q u e ，w h i c hi sn e w l ya r i s e nf o l l o w i n gt h ea d v e n to fv e c t o rc o n t r o l t e c h n i q u e ，i sak i n do fs p e e dc o n t r o ls t r a t e g yw i t hh i g h - p e r f o r m a n c ea n ds i m p l es c h e m e s i n c et h ed t cm e t h o dc a nd i r e c t l yc o n t r o lb o t hs t a t o rf l u xa n de l e c t r o m a g n e t i ct o r q u e ， f a s tr e s p o n s e sw h i c ha r er e q u i r e db ye l e c t r i c s h i p sf o rp r o m o t i n gm o t o r sc a nb e a c h i e v e da c c o r d i n g l y t h a ti sa l s ot h er e a s o nt h a tt h ed t c t e c h n i q u ei sa p p l i e dh e r et o c o n t r o lt h ep r o m o t i n gm o t o r s i nt h i sp a p e r ，i n d u c t i o nm o t o r sa r ec h o s e na st h em a i np r o m o t i n gm o t o r si ns e p s b a s e do nt h ep r i n c i p l ea n a l y s i so ft h ed t ct e c h n i q u ef o ra s y n c h r o n o u sm o t o r s ，t h e s i m u l a t i o nm o d e lo fa n a s y n c h r o n o u sm o t o rw i t h t r a d i t i o n a ld t cs t r a t e g yw a s e s t a b l i s h e di nt h em a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo ft o r q u e r i p p l eo c c u r r i n gi nt h et r a d i t i o n a ld t cs t r a t e g y ，i n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g yw a s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e ri nw h i c haf u z z yc o n t r o l l e rw a su s e dt or e p l a c et w oh y s t e r e s i s c o n t r o l l e r sf o rt o r q u ea n ds t a t o rf l u x a ni m p r o v e dp e r f o r m a n c ew a sa c h i e v e d i no r d e r t og e tf i x e ds w i t c h i n gf r e q u e n c yo ft h ei n v e r t e r ，s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) b a s e dd t c m e t h o dw a ss t u d i e da n di m p r o v e dw i t ht h eh e l po ff u z z yl o g i c s t r a t e g y c o n s i d e r i n gt h er o u g hw o r k i n ge n v i r o n m e n to fs h i pp r o p e l l e r sa n dt h ew o r k l o a do fi n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c eo fs p e e ds e n s o r s ，t w os p e e ds e n s o r l e s st e c h n i q u e s b a s e do ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g yw e r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r ，i nw h i c ht w os p e e d i d e n t i f i c a t i o nm o d e l sb a s e do na d a l i n e - m r a sa n df n n - - m r a sw e r es e t u p r e s p e c t i v e l y i no r d e rt op r o v et h ee f f e c t i v e n e s sa n dv a l i d i t yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g i e sp r o p o s e di n t h i s p a p e r ，t h ec o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o nm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e di n t h e m a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tc o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a ld t cs y s t e m ，t h ed t cs y s t e m sb a s e do ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g i e sh a d 英文摘要 b e u e rd y n a m i cp e r f o r m a n c e s a tt h es a m et i m e ，t h ei d e n t i f i e ds p e e d sf o l l o w e dt h e a c t u a ls p e e d sq u i t ew e l l a b o v ea l l ，t h em e t h o d si n t r o d u c e di nt h i sp a p e ra r ec o r r e c ta n d f e a s i b l e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tc o n t r o l ；s h i pp r o m o t i n gm o t o r ；d t c ；m a t l a bs i m u l a t i o n ； s p e e de s t i m a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：鳖能控剑查堑旦自推进电扭q ! 撞盔生的廛周婴塞：。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公 开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：牝 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：斗舞久 导师签 日期： 智能控制在船舶推进电机d t c 技术中的应用研究 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义扭1 异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。各国的以电为动 力的机械中，约有9 0 左右为异步电动机，其中小型异步电动机约占7 0 以上。 在电力系统的总负荷中，异步电动机的用电量占相当大的比重。在中国，异步电 动机的用电量约占总负荷的6 0 多，异步电动机传动已成为当今工业领域中最主 要的传动方式l j j 。它的控制性能好坏，不仅直接影响产品的质量，而且对生产效率 的提高和能源消耗的降低有着重要作用1 4 】。 目前，应用在电力推进船舶中的推进电机主要有直流电动机、异步电动机和 永磁同步电动机，正在大力研究的新型船舶推进电机还有超导励磁直流电动机、 超导单极电动机和高磁常规励磁单极电动机等【5 j 。直流电机调速范围宽广平滑，并 且在转速范围内能够提供满转矩，过载起动和制动转矩大，控制设备相对简单， 但缺点是大功率直流电机结构复杂，价格昂贵，体积重量大，维护繁琐。此外， 直流电机运行时会产生电火花，故使用场所受到限制。交流电动机输出功率及调 速范围比直流电机大得多，而且结构简单，价格低廉，体积小，并且运行可靠。 随着现代交流调速技术的发展，交流调速系统的性能已可以与直流调速系统相媲 美。因此，在船舶电力推进中，交流电力推进已占主导地位，并出现了交流异步 推进电机、交流同步推进电机和永磁同步推进电机并存的局面【6 】。 与其他电机相比，异步电机具有结构简单，制造、使用、维护方便，运行可 靠性高，重量轻，成本低等优点，然而它是一个多变量、强耦合、非线性的控制 对象，因此需要探求更有效实用的控制方法来改变其控制特性，使其技术性能指 标能与直流调速系统相媲美。交流异步推进电机应用于船舶推进，关键是要解决 交流电机的转速控制问题，常用的交流电机调速方式有：变极调速、变转差率调 速和变频调速【7 j 。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以及提高产品 质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段，它以优异的调速和起、制动性 第1 章绪论 能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内 外公认为最有发展前途的调速方式。 高性能微处理器和电力电子器件的出现与发展为优良的交流调速系统提供了 极有利的硬件支持，同时经过几十年的努力，出现了磁场定向控制、直接转矩控 制、自适应控制等有效的控制策略，使三相异步电动机传动控制性能有了较大的 提高【8 】。 目前，高性能异步电机的变频调速系统多采用矢量控制和直接转矩控制两种 控制策略。矢量控制和直接转矩控制都是新近发展起来的电机控制方式，由于电 机控制的根本目的就是对其电磁转矩的控制，故直接转矩控制较其它常用的调速 方式有明显的优越性。 1 矢量控制1 9 j 1 9 6 8 年d a r m s t a d e r 工科大学的h a s s e 博士初步提出了磁场定向控制( f i e l d o r i e n t a t i o nc o n t r o l ，f o c ) 理论，也称为矢量控制。之后在1 9 7 1 年，西门子公司 的f b l a s c h k e 工程师提出了异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。 矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，并根据磁场定 向原理分别对异步电机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动 机转矩的目的。简单的说，矢量控制就是将转子磁链与转矩解耦，分别设计两者 的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。这样就可以将一台三相异步电机等 效为直流电机来控制，从而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。目前矢量 控制算法已被广泛的应用在s i e m e n s ，a b ，g e ，f u j i 等公司的变频器上。 基于转子磁场定向的矢量控制强调转子磁链与转矩的解耦，其中需要进行坐 标旋转变换，系统实现时结构复杂，计算量大，并且对电机转子参数的依赖性较 大，使其在实际应用中难以保证动态过程的完全解耦，转矩的控制效果打了折扣。 2 直接转矩控n f l o 】【l l 】 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，d t c ) 思想是a b p i u n k e t t 于19 7 7 年 在i e e e 杂志上首先提出的，1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授首次取 得了实际应用的成功，接着在1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速的范围。直接转矩控制 2 智能控制在船舶推进电机d t c 技术中的应用研究 与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等矢量量来间接控制转矩，而是把 转矩直接作为被控量来进行控制。直接转矩控制的基本原理是通过检测电机定子 电压和电流，借助瞬时空间矢量理论在电机定子坐标上计算定子磁链和转矩的大 小，将计算出的磁链和转矩值与给定值做比较，并将其差值送入滞环比较器，控 制产生p w m 信号，直接对逆变器的开关进行最佳控制，以获得转矩的高动态响应。 与矢量控制相比，直接转矩控制摒弃了解耦思想，取消了旋转坐标变换，直 接在定子坐标系下分析电机的数学模型，计算和控制电机的转矩，采用定子磁场 定向，着眼于转矩的快速响应，从而获得高效的控制性能。因此，直接转矩控制 在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电机参数变化的影响、实际 性能难以达到理论分析的结果等一系列重要的技术问题。 直接转矩控制技术一诞生，就以其新颖的控制思想，简洁明了的系统结构， 优良的静、动态性能受到了普遍的关注并得到了迅速的发展。可以预见，将直接 转矩控制应用到船舶电力推进系统中，必将获得良好的效果【l 2 | 。 本课题来源于导师的课题项目：智能运输系统与智能控制算法可视化仿真的 研究( “2 1 1 工程”国家重点实验室建设项目，高等学校博士学科点专项科研基金 资助课题) 和船舶自动化与仿真器研究所的研究工作，本文主要的工作是电力推 进船舶中以异步电机为主推进电机的智能控制与仿真研究。 1 2 课题相关技术的国内外发展动态 1 2 1 直接转矩控制存在的问题及研究热点 随着经济的发展，在诸多领域里利用高性能的交流调速逐步替代价格较高的 直流调速是一个趋势。而直接转矩控制是高性能交流调速技术中非常有发展潜力 的一种，并且其控制方法本身非常适合全数字化实现，这一点正和现在飞速发展 的电子技术相适应。 直接转矩控制作为一门新兴的控制技术，经过二十多年的发展，已经取得了 很多成果，但是同样也存在很多问题，许多专家学者对直接转矩控制方法做了深 入的研究，主要包括两个方面：一是研究在能够产生圆形磁链轨迹的前提下如何 第1 章绪论 控制电压矢量的作用以提高系统动态性能；二是应用现代控制理论和智能控制理 论研究转速调节器、转矩调节器、磁链调节器、电压矢量优化选择以及与之相关 的参数辨识和建模问题。主要存在的问题有1 3 1 5 】： 1 低速性能差 低速性能差是一个综合问题，它包括低速转矩脉动问题，磁链观测问题，定 子电阻补偿问题，低速下噪声大的问题等等。例如，在传统直接转矩控制系统中， 定子磁链观测是由u i 模型得到的，在低速时，由于存在的定子阻抗电压降，会造 成定子磁链观测不准确，使低速性能变差。 2 电流和转矩脉动大 电流和转矩是直接相关的，对于传统直接转矩控制系统来说，无论低速还是 高速，都存在转矩脉动比较大的问题。 3 开关频率不固定 在传统直接转矩控制系统中，逆变器的开关频率会随电机转速以及磁链和转 矩的滞环大小而变化，这就增加了器件的开关损耗和噪声。 4 转速辨识 为了实现对推进电机转速的准确控制( 进而实现对船舶螺旋桨的桨速及船速 的准确控制) ，必须对转速进行闭环控制。传统的速度闭环控制通常在电机轴上 安装光电编码式速度传感器检测速度来作为反馈信号，但考虑到船舶的特殊工作 环境及速度传感器在安装维护上的困难，这种方式很不适合电力推进船舶中推进 电机的控制。随着微处理器的飞速发展，使得实时进行速度在线辨识成为可能， 因而采用无速度传感器的转速控制方式成为必然的发展趋势。 1 2 2 智能控制的发展与特点 传统控制是建立在确定的模型基础上的，对线性问题有较成熟的理论，而对 高度非线性的控制对象虽然有一些非线性方法可以利用，但控制效果不尽人意。 对许多复杂的系统来说，难以建立有效的数学模型，因而不能单用传统控制方法 进行准确的控制。 智能控制( i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，i c ) 理论主要用来解决传统方法难以解决的复 4 智能控制在船舶推进电机d t c 技术中的应用研究 杂系统控制问题。它的研究对象主要有以下几个特点：不确定性、非线性和复杂 性。智能控制是以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基础，扩 展了相关的理论和技术，其中应用较多的有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗 传算法等理论和自适应控制、自组织控制、自学习控制等技术。2 0 世纪8 0 年代后， 智能控制技术得到迅速发展，它主要得益于模糊逻辑控制和神经网络控制理论的 不断成熟。进入9 0 年代，智能控制的应用对象更加广泛，从工业过程控制，机器 人控制，航空航天器控制到故障诊断，管理决策等均有涉及，并取得了较好的效 果。从目前智能控制系统的研究和发展来看，智能控制研究的重点己经转移到智 能控制技术的集成上来，其发展的核心以具有强大自学习功能的神经网络和具有 较强知识表达能力的模糊逻辑推理构成的模糊神经网络智能控制而迅速发展。模 糊神经网络具有两者优点，即结合了模糊控制处理不确定性能力和人工神经网自 学习能力，有效提高系统的鲁棒性和对跟踪误差的收敛性，并且不需要被控对象 精确数学模型【1 6 】【17 1 。 1 2 3 智能控制在直接转矩控制中的应用 智能控制与传统的经典、现代控制方法相比，具有不依赖或不完全依赖于控 制对象的数学模型，继承了人脑思维的非线性等一系列特点。智能控制可以在不 精确性和不确定性问题中获得可处理性和鲁棒性，因此在电气传动系统中，为了 得到高精度、高性能、强鲁棒性的新型交流调速系统，将智能控制引入其中提高 整个交流传动系统的可靠性【博j 。 近年来许多学者将智能控制策略引入到直接转矩控制中。模糊控制的最大优 点是不依赖于被控对象的精确模型，将模糊控制策略应用到直接转矩控制中能够 有效的克服交流电机非线性、强耦合等缺点。神经网络控制具有很好的自学习、 白调整的能力，应用于直接转矩控制中能够准确的拟合交流电机的非线性。 目前在直接转矩控制技术的研究发展中，智能化、集成化已经成为研究和技 术发展的一个趋势。智能控制可以有效的解决大规模、非线性、复杂和不确定性 系统的参数辨识和控制器设计问题。集成化的思想就是将多种智能控制技术、经 典和现代控制理论相结合，有效的提高系统辨识精度和控制精度。 第1 章绪论 在定子电阻辨识方面，从模糊电阻辨识器到神经网络电阻辨识器以及混合型 模糊神经网络电阻辨识器，都在直接转矩控制中有所应用，并取得了一定的效果。 针对传统直接转矩控制中滞环比较器的问题，提出了模糊控制器，神经网络控制 器，模糊神经网络控制器等，进一步改善了由滞环比较器引起的转矩脉动问题。 在系统转速辨识方面，目前较为常用的是模型参考自适应速度辨识结构，在这个 结构中自适应率采用的是传统的p i 调节器，容易受到负载扰动，系统噪声和参数 变化等因素的影响，因此利用神经网络良好的性能，同时采用自适应算法来实现 速度的辨识成为其主要的研究方向【1 9 】。 综上所述，在直接转矩控制技术中，多种智能化方法、经典和现代控制理论 的应用和集成、多学科技术的交叉与应用已经成为发展的趋势，但目前智能化技 术的研究大部分都局限于理论研究和仿真阶段，如何进一步研究直接转矩控制中 智能化的方法、集成化的方法和效果，以及工程应用问题，成为直接转矩控制技 术发展的关键和核心环节。 然而，尽管这些智能控制方法在异步电动机传动控制以及交流传动控制中都 取得了一定的成果，但由于各自的理论和设计不完善，还存在着结构不确定、算 法复杂、在线运行速度慢等等缺陷。所以，高性能异步电动机控制方法仍然是国 内外学者研究热点。 1 3 论文的研究内容及主要工作 本文选用异步电机作为船舶的主推进电机，采用直接转矩控制技术，引入智 能控制策略，以解决传统直接转矩控制中转矩脉动大的问题。最后将智能控制算 法引入到无速度传感器技术中，进行系统转速辨识。本文主要研究内容如下： 第一章阐述了异步电机调速技术的发展概况，重点介绍了直接转矩控制的现 状和发展，指出其优越性和存在的问题，并由此引入智能控制方法，介绍了智能 控制在直接转矩控制中的应用。最后提出本论文主要研究内容。 第二章从异步电机数学模型出发，分析和研究异步电机直接转矩控制基本原 理，得出异步电机直接转矩控制系统的基本结构，最后对电力推进船舶的船桨系 6 智能控制在船舶推进电机d t c 技术中的应用研究 统进行了建模分析，为后续研究打下理论基础。 第三章根据第二章分析的直接转矩控制的基本原理，在m a t a l b s i m u l i n k 仿真 环境中搭建了异步电机传统直接转矩控制系统的仿真模型。 第四章在分析了传统直接转矩控制方式存在转矩脉动大等问题的基础上，为 了获得更好的动态性能，提出了基于模糊控制策略的直接转矩控制的改进方案。 首先建立模糊控制器代替传统直接转矩控制系统中的滞环比较器，以提高系统性 能，并建立系统仿真模型。然后，为了解决传统直接转矩控制中开关频率不固定 等缺点，研究了基于空间矢量脉宽调制算法的直接转矩控制方法，并将模糊控制 策略引入其中去判断期望空问电压矢量的电角度，同时建立系统仿真模型。 第五章介绍了无速度传感器技术的发展，并将智能控制策略引入到模型参考自 适应系统中，分别建立了基于自适应线性神经网络和模糊神经网络的转速辨识模 型，较为准确的在线辨识电机转速。 第六章是仿真实验运行结果与分析。分别将第三、四、五章所建立的各个系统 的仿真模型在m a t l a b s i m u l i n k 中运行，并根据得到的仿真结果进行了分析与比较。 仿真结果验证了本文提出的模糊、神经网络等智能控制策略在异步电机直接转矩 控制应用中的正确性和有效性。 在结论部分对全文进行总结，并对下一步工作做出安排。 7 第2 章异步电机的直接转矩控制与船舶模型分析 第2 章异步电机直接转矩控制的基本原理与船舶模型分析 直接转矩控制是继矢量控制之后发展起来的一种高性能的交流变频调速技 术。它直接将定子磁链和电磁转矩作为控制量，这种对电磁转矩的直接控制更为 简捷和快速，进一步提高了系统的动态响应能力。本章简要介绍了直接转矩控制 的基本思想，推导出了异步电机数学模型，并详细介绍了直接转矩控制系统的各 组成部分及其基本原理，为异步电机直接转矩控制系统的建立提供理论基础，最 后，分析了电力推进船舶的船桨系统。 2 1 直接转矩控制的基本思想2 0 1 在电机定子三相轴系中，异步电机的电磁转矩z 可表示为： z = 玎t f 。f ( 2 1 ) p2 玎口 s z l lj 式中，单，为定子磁链空间矢量，乏为定子电流空间矢量，”，为电机的极对数。 由电动机力学分析可得电动机运动方程为： 瓦母丢等 泣扪 式中，0 ) ，为转子角速度，t 和，分别为电机的负载转矩和转动惯量。 通常，电气传动系统的目的都是控制和调节电动机的转速，由公式( 2 2 ) 可 看出控制和调节电机转速的关键是如何有效的控制和调节电机的转矩。 定子磁链和转子磁链空间矢量可表示为： t f 。= l 。t + l 。f ， ( 2 3 ) 甲，= l 。+ l ，f ， ( 2 4 ) 式中，7 r 为转子电流空间矢量，上。、，、，分别为定、转子电感及其互感。 由式( 2 4 ) ，可得： i2 亡( 币r l m - s ) q 5 ) 将式( 2 5 ) 代入式( 2 3 ) ，可将定子电流空间矢量表示为： 8 智能控制在船舶推进电机d t c 技术中的应用研究 乏土c r l , 一去圣， ( 2 6 ) 式中，o = 1 一圪l ，l ，为漏感系数，c s l ，= l 。一三乙肛，为定子瞬态电感。 将式( 2 6 ) 代入式( 2 1 ) ，可得： z = 南卟币。鸭去荦，陋， ( 2 7 ) 式中，6 ，是定子磁链和转子磁链之间的空间夹角。 式( 2 7 ) 表明，电磁转矩决定于定子磁链矢量和转子磁链矢量的幅值和它们 之间的夹角。若i 圣一和i 早，i 保持不变，则由式( 2 7 ) 可得： 器码瓦l m 纠c i i 肥i c o s 6 。 8 ， 通常在稳态情况下，6 ，的值较小，显然6 ，对电磁转矩的调节和控制作用是明 显的。 由式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) ，可得： i - = 毗1 ，- ，专吩 将式( 2 9 ) 代入转子电压矢量方程式( 2 1 2 ) ，可得： ( 2 9 ) z 华+ ( 三一t ，j c ) 早，：导中， ( 2 1 0 ) a to o l 式中，r ，为转子电阻，t = l ，r ，为转子时间常数。 电机稳态运行时，定子磁链幅值保持额定值，以便充分利用电机铁磁材料， 转子磁链幅值由转子电流决定，而转子电流则取决于负载。式( 2 1 0 ) 表明在定子 磁链矢量作用下，转子磁链矢量的动态响应具有一阶滞后性，且转子时问常数通 常较大，即转子磁链矢量与定子磁链矢量相比，变化速度相对要慢一些。所以在 动态控制中，只要控制的响应时间比转子时间常数快得多，那么在这短暂的过程 中就可以认为转子磁链矢量是不变的，进而只要保持定子磁链的幅值不变，通过 改变6 。，就可以迅速的改变和控制电磁转矩，这就是异步电机直接转矩控制的实质。 9 第2 章异步电机的直接转矩控制与船舶模犁分析 2 2 异步电机的数学模型 异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，为了方便建模与理论 分析，常作如下假设： 1 忽略空间谐波，电机定、转子的三相绕组表面光滑，在空问对称分布，各 相电流所产生的磁势在气隙空间中成正弦分布。 2 忽略铁芯涡流、饱和及磁滞损耗的影响，假设各绕组的自感和互感都是恒 定的。 3 不考虑频率和温度变化对电机参数的影响。 b 图2 1 异步电机a 1 3 静止坐标系 f i g 2 1t h e ”bs t a t i o n a r yr e f e r e n c ef r a m eo fi n d u c t i o nm o t o r 由于实际中异步电机的电压和电流均是在静止坐标系中测量得到的，为此， 本文选择在两相静止”b 坐标系( 如图2 1 所示) 中建立电机模型，并且规定将旋 转空间矢量在仅轴上的投影称为q 分量，在正交的p 轴上的投影称为p 分量。 异步电机等效电路图如图2 2 所示，k 、l ，分别为定子和转子的漏感，己为 励磁电流，其它参数定义同前文所示，并有l ，= k + 。，厶= 乞，+ l m 。 l o 智能控制在船舶推进电机d t c 技术中的应用研究 图2 2 异步电机等效电路 f i g 2 2t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fi n d u c t i o nm o t o r 由电路分析可得： ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 根据式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 所示定子和转子磁链方程，将定、转子电压和电流 分解成静止两相q p 坐标系的分量，写成矩阵形式如式( 2 1 3 ) 所示。 甲。 心 i l o 甲。厶 甲巾jlo 0 l 。0 l ，0l 。 0 l ，0 l ，。0l ， s a 舶 m ，8 ( 2 1 3 ) 由式( 2 1 1 ) 、 ( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 可推导出异步电动机在两相静止a p 坐标 系中的电压方程为： 愕 r ；- t - p ls 0 p l m 0 o p l 。 一三。0 3 ， r s + p ls 0 p l m l m r r r + p lr l r r p l m l r ， r r + p lr 式中p 表示的是微分算子。 异步电机的电磁转矩可以表示为定子磁链和定子电流的形式： t g 昙( 甲m t p 一甲，p k ) z “ z 姐 z m z 甩 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) = 一等妒 + + 1 l 足 币一出 一叫 盟出 攻 1 r 。l i | 第2 章异步电机的直接转矩控制与船舶模型分析 将式( 2 1 3 ) 中的定子磁链代入式( 2 1 5 ) ，得到电磁转矩的另一种表达方式： 疋= 扣乙( k 如k ) ( 2 1 6 ) 2 3 逆变器的数学模型及定子电压空间矢量 i 专础l i 1 一 i ，1 。u dl z 图2 3 理想的电压型逆变器 f i g 2 3t h em o d e lo fi d e a lv o l t a g ei n v e r t e r a b c 本文采用的是电压型逆变器，如图2 3 所示，由三组开关( s 爿、s 爿、s 疗、s 占、 s r 、s r ) 组成。由于同一桥臂的两个丌关不能同时导通，所以三组开关共有8 种 可能的丌关组合。这里规定导通为“1 ”，关闭为“0 ”，则8 种可能的开关组合状 态( s 爿s 曰s f ) 为( 0 0 0 ) 、( 10 0 ) 、( 11 0 ) 、( 0 1 0 ) 、( 0 11 ) 、( 0 0 1 ) 、 ( 10 1 ) 和( 1 11 ) ，对应于逆变器的8 种丌关状态。开关状态( 0 0 0 ) ( 1 11 ) 对应 的电压状态为零电压状态，其余6 种开关状态对应的电压状态为工作电压状态。 表2 1 逆变器的开关状态 t a b 2 1t h es w i t c h i n gs t a t eo fi n v e r t e r t 作状态零状态 状态 123 4 567o 开 s 一 1l00 0 l 1 o 关 s b 0 1110 o l 0 组 s f oo0l111o 1 2 智能控制在船舶推进电机d t c 技术中的应用研究 对外部负载来说，逆变器输出7 种不同的电压状态。这里把开关状态进行编号， 使之与逆变器实际工作顺序相一致，如表2 1 所示。 jl 五3 ( o l o ) 五：( 11 0 ) ? _ -、7 乱( o o o ) 。饯。 图2 4 电压空间矢量图 f i g 2 4v o l t a g es p a c ev e c t o rd i a g r a m 由图2 3 分析，逆变器各相电压的数学表达式为： 1 甜。= u d ( 2 s j 甜6 ：1 _ u d ( 一以 j 甜。：= 1 ( 一s 爿 ) 一s 曰一s c ) + 2 s 疗一s f ) ( 2 1 7 ) 一s 口+ 2 s r ) 其中”。、t 。分别表示异步电机三相定子负载绕组的相电压。 根据p a r k 变换的定义，若电机三相负载的定子绕组接成星形，则逆变器输出电 压空间矢量历。( f ) 的p a r k 矢量变换表达式可表示为： ， u so ) = 詈 “。+ 甜6 p 应州3 + 甜。p 7 4 叫3 = 甜。p ) + j u bo ) ( 2 18 ) j 用玩，玩，历：厅，来表示8 种开关组合状态下的定子电压矢量。根据式( 2 1 8 ) 可以求出这8 个电压空间矢量在0 【1 3 坐标系上的幅值和位置。如图2 4 所示，可以得 到6 个工作电压矢量的组合状态：历1 ( 1 0 0 ) 、u 2 ( 1 1 0 ) 、u 3 ( 0 1 0 ) 、u 4 ( 0 1 1 ) 、u 5 ( 0 0 1 ) 、 第2 章异步电机的直接转矩控制与船舶模型分析 z 7 6 ( 1 0 1 ) ，其幅值均为昙u d ，在空间的位置互差6 0 。；2 个零电压矢量开关组合状态 j u o ( o o o ) 、u 7 ( 1 1 1 ) 。 2 4 电压空间矢量对定子磁链和电磁转矩的影晌及调节 i v i i i 占3 谚 凝一：、撼 v 图2 5 电压空间欠量及其区间分布 f i g 2 5v o l t a g es p a c ev e c t o r sa n dt h e i rd i s t r i b u t i o ns e c t o r s 直接转矩控制的关键就是如何确保定子磁链恒定并控制其旋转速度，但是由 于直接测量定子磁链较为困难，因而无法对其直接进行控制，而只能通过电压来 计算出定子磁链大小对其进行间接控制。 根据式( 2 1 1 ) 并考虑到定子电阻通常很小，如果在分析时忽略定子电阻压降 的影响，则有： 厅：盟( 2 1 9 ) 衍 可进一步表示为： a r - ，= 厅，a t ( 2 2 0 ) 式( 2 2 0 ) 表明，在定子电压矢量作用的很短时间内，定子磁链矢量的增量y 。 等于厅，和f 的乘积，、王，的方向与外加电压矢量历，的方向相同。 1 4 智能控制在船舶推进电机d t c 技术中的应用研究 显然，在控制定子磁链矢量幅值时，所选择的开关电压矢量必然要影响到定 子磁链空间矢量的旋转方向和速度，也就必然要影响到电磁转矩。对于每一个施 加的开关电压矢量都可以沿定子磁链矢量运行轨迹分解成两个分量，一个是径向 分量，直接影响到早。的幅值；另一个是切向分量，直接影响到每。的旋转方向和速 度，即影响定、转子磁链空间矢量的相对位置，从而影响电磁转矩。 如图2 5 所示，这里把空间复平面分成六个扇区，每个扇区的范围是以定子电 压空间矢量为中线，各向前后扩展了3 0 。在直接转矩控制中，对、壬，。采取滞环控制， 始终将币。的幅值控制在滞环的上下带宽内。分析图2 5 ，可以看出，若使币。的幅值 增大，应选择币。所在区间和相邻两个区间内的定子电压矢量，因为这些电压矢量 的作用方向都是由转子圆心向外：若使甲。的幅值减小，应选择另外三个电压矢量， 因为这些电压矢量的作用方向都是由外指向圆心；还可以选择零电压矢量玩和厅， 使磁链矢量的变化率为零，进而减小磁链幅值。 式( 2 7 ) 表明，当保持币。的幅值不变时，电磁转矩的变化主要取决于6 。，的变 化，也就是说可以通过改变定、转子磁链空间矢量的相对位置来控制电磁转矩。 如果所施加的开关电压矢量能使圣。快速的离开或接近早，这样就拉大或缩小了 6 使电磁转矩增大或减小；施加零开关电压矢量时，根据式( 2 2 0 ) 可知，甲。 几乎为零( 实际上由于定子电阻压降作用并没有完全停止) ，这样圣。几乎保持不 变，会使6 。，逐渐减小，进而减小电磁转矩。 电磁转矩的控制方法同定子磁链矢量控制一样，也是通过滞环比较将其控制 在一定的偏差范围内。 通过以上分析，可以得知需要同时根据定子磁链偏差和电磁转矩偏差来选择 合适的电压矢量，这个电压矢量不仅要将定子磁链幅值维持在一定的偏差范围内， 还要能按电磁转矩指令要求，控制定子磁链矢量的旋转方向和速度，达到转矩控 制的目标要求。 第2 章异步电机的商接转矩控制与船舶模型分析 2 5 直接转矩控制系统的基本结构 根据上述原理分析，可得到传统直接转矩控制系统框图，如图2 6 所示。整个 系统是一个磁链、转矩双闭环系统。系统检测电机三相定子电流和电压，经3 2 坐 标变换转换到两相静止坐标系，由此计算电机的电磁转矩瓦、定子磁链的幅值i 、壬，。l 及其所在的扇区n 。另一方面速度给定0 ) ，与电机的速度观测值0 ) ，进行比较后经过 p i 调节器输出转矩给定信号z ，再将给定转矩疋和观测转矩r e 送入转矩调节器， 得到转矩控制信号丁。磁链调节器根据给定磁链圣：和观测磁链圣。，得到磁链控 制信号a w 。最后开关状态选择单元根据磁链控制信号a r t , 、转矩控制信号丁和 磁链所在扇区n ，查询逆变器开关状态表，输出优化的开关状态来控制逆变器，从 而驱动电机正确运转。 图2 6 直接转矩控制系统基本结构框图 f i g 2 6t h eb a s i cs t r u c t u r eb l o c kd i a g r a mo fd t cs y s t e m 2 6 电力推进船舶的船一桨系统 船舶航行时船速和桨速是引起螺旋桨转矩和推力变化的两个主要因素，因此 应将船和桨作为一个整体考虑。船桨系统的水动力特性可以下列方程描述2 1 】： 1 6 智能控制在船舶推进电机d t c 技术中的应尉研究 九m 譬= p ( 1 - t ) 一r r ( 2 2 1 ) d t p = k ，p n 2 磷 ( 2 2 2 ) r ，= 亏v ； ( 2 2 3 ) 其中，a 是附连水系数，m 是船体的质量( 埏) ，y s 是船速( m s ) ，p 是桨的推力( n ) ， ，是推力减额系数，腚船体所受的阻力( n ) ，胛是桨的转速( r m i n ) ，是桨推 力系数，是进速比h 的函数，即k p = k p ( h ) ，p 是海水密度( k g m 3 ) ，p p 是桨的 直径( m ) ，湿总阻力系数。 作为推进电机负载的螺旋桨是以转矩惕( n m ) 作用到异步电动机上的， 可表示为： m p = k m p n 2 研5 ( 2 2 4 ) 其中，砌是螺旋桨的转矩系数，亦是进速比h 的函数，即翰= ( h ) ，而舸由 下式确定： 月：兰! ! 二塑( 2 2 5 ) n d r 其中w 是伴流系数，由( 2 2 2 ) 、( 2 2 4 ) 式可以看出：只要计算出推力系数和 转矩系数杨即可得到螺旋桨的推力和转矩。而这两个系数都是进速比础函数， 又都只有实验数据而无计算公式，故可将这些数据建成表格构成两个函数发生器 k 。( 日) 和翰( 日) ，并用插值法等进行曲线拟合。 船桨系统模型的输入是桨速n ，输出是桨的转矩尥。其构造过程如下：根据 式( 2 2 1 ) 计算出当前时刻的船速，再结合输入的桨速刀，由式( 2 2 5 ) 求出进速 比日，调用函数发生器k ，( 日) 和( 日) 得到蟛和砌，最后由式( 2 2 4 ) 给出输出 转矩。 1 7 第3 章异步电机直接转矩控制系统的建模与仿真研究 第3 章异步电机直接转矩控制系统的建模与仿真研究 根据第二章直接转矩控制基本理论的介绍和分析，本章主要内容就是在 m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下采用模块化的构建方法，搭建传统模式异步电机直接转 矩控制系统的仿真模型及简化的船桨模型。 3 1 系统建模与仿真软件简介 随着计算机技术的迅速发展和广泛应用，数学建模作为一种分析系统的有效 手段受到越来越多的重视。系统仿真就是利用数学模型来研究真实系统的一门科 学，尤其指利用计算机去研究数学模型行为的方法。计算机系统仿真的基本内容 包括系统、模型、算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析和验证等环节。 m a t l a b 软件及其s i m u l i n k 仿真包正为此应用而生，并能较好的完成以上计算机系统 仿真的内容。 m a t l a b 是m a t hw o r k s 公司于1 9 8 2 年推出的一套高性能数值计算和可视化软件。 它集数值分析、矩阵运算、信号处理于一体，构成了一个方便且界面友好的用户 环境。m a t l a b 的扩展功能为各个领域的应用提供了基础，由各个领域的专家学者相 继