（电力电子与电力传动专业论文）基于直接转矩控制的减摇鳍电伺服系统仿真研究.pdf

哈尔滨丁程大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n v e n t i o n a ls e l v os y s t e mo ff i ns t a b i l i z e r su s e dt ob ee l e c t r i c i t y l i q u i d s e r v os y s t e m b e c a u s et h ee l e c t r i c i t y l i q u i ds e r v os y s t e mh a sl i m i t a t i o n ss u c ha s h i g hp r i c e ，l o wp r e c i s i o na n dd i s c o m m o d i o u sm a i n t e n a n c e ，l o t so fw o r kh a sb e e n d o n et oi n v e s t i g a t em o r ee f f i c i e n ta n dc h e a p e rs e l w os y s t e m w i t ht h ep r e v a l e n c e o fp o w e r - e l e c t r o n i c sm c l u f i q u ea n dm i c r o c o n t r o lt e c h n i q u ei nr e c e n t y e a r s ， e l e c t r i c a ls e r v os y s t e m ，w h i c hh a ss i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，c o n v e n i e n tc o n t r o l ，h i g h r e l i a b i l i t ya n dl o wp r i c e ，h a sd e v e l o p e di n c r e a s i n g l ys oi ti sl i k e l yt ob e c o m ea n e wk i n do ff i ns t a b i l i z e r s s e r v o s y s t e m r e p l a c i n g t h ec o n v e n t i o n a l e l e c t r i c i t y l i q u i ds e r v os y s t e mw i t he l e c t r i c a ls e r v os y s t e m ，t h ec o s ti sr e d u c e d g r e a t l nt h ec o n f i g u r a t i o ni ss i m p l i f i e da n dt h em a i n t e n a n c ei sc o n v e n i e n t a l lt h e f o r e n a m e da d v a n t a g e sf a c i l i t a t et h eu s eo ff i ns t a b i l i z e r so nt h em e d i u ma n d p i n t - s i z es h i p s b a s e do nt h et e c h n i q u eo fa s y n c h r o n o u sm o t o rd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，t h i s p a p e ri n v e s t i g a t e dt h es y s t e ms t r u c t u r ea n dc o n t r o ll a wo ff i ns t a b i l i z e r ss e r v o s y s t e m ，o fw h i c hc o r ew a st h ea s y n c h r o n o u sm o t o rd i r e c tt o r q u ec o n t r o lt e c h n i q u e ， a n di m p r o v e do nt h eq u o n d a ms y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ff i n s t a b i l i z e r s w i t ht h es o f t w a r eo fm a t l a b 6 5 s i m u l i n k 5 0 。t h ef i ns t a b i l i z e r s e l e c t r i c a ls e r v os y s t e mc o m p o n e n t sw e r em o d e l e d ，h e i g h t s ( 2 6 8 m ，3 7 5 m ，4 2 6 m ) a n da n g l e s ( 4 5 。，9 0 1 ，1 3 5 ) o f o c e a nw a v ew e r es i m u l a t e d m o r e o v e r , p r o b l e m si n t h es i m u l a t i o n sw e r ed i s c u s s e da n ds o l u t i o n s w e r eb 矗b r e d a n da tl a s t a c o n c l u s i o nw a s p u tf o r w a r dt o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 an e wk i n do fe l e c t r i c a ls e r v os y s t e mo ff i ns t a b i l i z e r sb a s e do n a s y n c h r o n o u sm o t o rd i r e c tt o r q u ec o n t r o lw a sp r o p o s e da n ds i m u l a t e di n t h i s p a p e r n l es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ef i ns t a b i l i z e r s w h i c hu s e dt h e e l e c t r i c a ls e r v os y s t e mt h a tb a s e do na s y n c h r o n o u sm o t o rd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ， c o u l df o l l o wt h ec h a n g e ds i g n a lo ff i ns t a b i l i z e r sa n g l ew i t hs p e e d yr e s p o n s ea n d l i t t l e d y n a m i ce r r o r c o m p a r e dw i t h t h ec o n v e n t i o n a ls e r v os y s t e mo ff m s t a b i l i z e r s ，e l e c t r i c a ls e r v os y s t e mh a dt h ea d v a n t a g e so fs m a l l e rv o l u m e ，l i g h t e r w e i g h t ，l o w e rp r i c e ，m o r ec o n v e n i e n tc o n t r o la n dh i g h e ir e l i a b i l i t y s oi tc o u l d f u l f i l lv a r i o u so p e r a t i o n so f f i ns t a b i l i z e r s 1 1 1 ee l e c t r i c a ls e r v os y s t e mo ff i ns t a b i l i z e r st h a tb a s e do na s y n c h r o n o u s m o t o rd i r e c tt o r q u ec o n t r o lp r o p o s e di nt h i sp a p e ri sw o r t ht ob er e f e r e n c e di nt h e f i e l do ft h ef i ns t a b i l i z e r ss e r v os y s t e mi m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：f i ns t a b i l i z e r s ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；s e r v os y s t e m ；s i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指 导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据 和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除 文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 船舶减摇技术的发展与现状 船舶在海上航行时，由于受到海浪、海风及海流等因素影响，不可避免 地会产生各种摇荡，其中以横摇最为显著，影响也最大。剧烈的摇荡对船舶 的适航性、安全性、设备的正常工作、货物的固定和乘员的舒适性都会产生 很大的影响。对于军舰来说，剧烈的摇荡会影响舰载飞机的正常起降，延误 战机，还会使火炮无法精确命中目标，以至于在战争中处于被动地位。因此， 有效地减小船舶横摇十分必要。 一直以来，人们都在寻求减小船舶摇荡的方法，因此研制出了许多减小 船舶摇荡的装置。横摇减摇作为一门技术已经有近一百年的历史，在这期间 据查德惠克统计，先后出现了约三百五十个各种类型的减摇装置，而实际应 用的约有1 5 2 0 种不同形式的减摇装置i l 】。目前，广泛应用于船舶的横摇减 摇装置主要有以下几种1 2 】： 1 舭龙骨 舭龙骨是沿着船长安装在船的舭部，来增加横摇阻尼以达到减摇目的的 被动式减摇装置。早在1 9 世纪，帆船时代就已经开始使用舭龙骨来减小船舶 的横摇。因为舭龙骨最简单，又有一定的减摇效果( 一般可减小横摇3 0 左 右) ，因此，目前绝大多数船舶上都装有舭龙骨。 2 ，减摇水舱 减摇水舱从减摇原理上可分为被动式减摇水舱、可控被动式减摇水舱和 主动式减摇水舱三种，而从结构上可以分为u 形减摇水舱、平面槽形减摇水 舱等。减摇水舱在货船、客船和工作船上都得到了成功的应用。 1 ) 被动式减摇水舱 被动式减摇水舱是当船舶横摇时，在水舱的水道内运动的水产生往复运 动，使两舷水舱内的水上下波动，产生抵抗横摇的稳定力矩。关于减摇水舱 的研究可以追溯到1 8 6 0 年。1 9 1 1 年，德国人佛拉姆成功地提出了被动式u 型减摇水舱。设计得好的被动式减摇水舱可以使横摇幅值减小一半左右。 2 ) 可控被动式减摇水舱 可控被动式减摇水舱是对被动式减摇水舱的一个重要改进。它通过人为 地控制水的流动，使其在各种情况下都能产生满意的效果。可控被动式减摇 水舱的两舷液体的流动是根据船舶的横摇情况而受控的，控制作用一般是由 哈尔滨工程大学硕士学位论文 两水舱之间的节流阀来实现。 3 ) 主动式减摇水舱 主动式减摇水舱是在两舷之间加入了一个水泵，它可以根据船舶的横摇 情况把一个水舱的水转移到另一个水舱。由于主动式减摇水舱需要很大的功 率来驱动水泵工作，故一般很少采用。 哈尔滨工程大学目前也正在进行减摇水舱的研究和试验，并取得了一定 的成果，有望在不远的将来得到实际应用。 3 减摇鳍 减摇鳍是一种最常用的主动式减摇装型引。通过控制鳍的运动，可以使 鳍产生对抗横摇的稳定力矩，以达到减少船舶横摇的目的。 减摇鳍是目前各种减摇装置中减摇效果最佳的一种。最好的减摇效果可 以达到9 0 以上。例如，1 9 8 5 年英国“玛丽皇后”号在大风浪条件下进行了 减摇性能实验。当减摇鳍工作时，船的横摇角平均在2 左右：而减摇鳍不工 作时，横摇角高达2 5 ，可见减摇鳍的减摇效果是很好的。 减摇鳍的最早专利是在1 8 8 9 年由j o h n i t h o m e y c r o r 获得的。1 9 2 3 年日本的元良信太郎设计了第一套实用的减摇鳍，经装船实验得到了良好的 减摇效果。1 9 3 5 年英国的布朗( b r o w n ) 兄弟公司设计的减摇鳍成功地应用 到一艘2 2 0 0 吨的海峡渡轮，从此减摇鳍得到了广泛的应用。目前，许多国家 海军的中高速舰船、许多商船和其它船舶都装有减摇鳍。 在国内，对减摇鳍的研究从6 0 年代开始，哈尔滨工程大学和上海船舶设 备研究所等单位进行了大量的研究、设计工作，并在各类船舶上得到了成功 的应用【4 】。 1 2 课题的来源和意义 减摇鳍是目前应用最广泛、最有效的一种主动式减摇装置，因此对减摇 鳍的研究具有广泛的意义。哈尔滨工程大学在开发研制减摇鳍方面取得了显 著的成绩。目前，减摇鳍的转鳍驱动系统采用的多是电一液伺服系统，这是因 为电一液伺服系统容易实现功率、输出转矩、动态特性和结构要求的统一。具 体地讲，电液伺服系统具有以下优点【5 】： ( 1 ) 电一液伺服系统产生的力矩大： ( 2 ) 电一液伺服系统的体积力矩比小； ( 3 ) 液压元件的时间常数小，因此动态品质比较好： ( 4 ) 随着电- 液伺服阀的广泛应用，电信号转换为液压信号更为方便，使 电一液伺服系统结构更简单； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 5 ) 电液伺服系统的适应面广，即可应用于大功率系统，也可应用于一 些中小功率系统。 虽然电液伺服系统具有以上优点，但无论是阀控式转鳍液压系统还是泵 控式转鳍液压系统，都存在着结构复杂、加工精度高、质量大、成本高、技 术难度大等缺点。具体地讲，电液伺服系统具有以下缺点1 5 l ： ( 1 ) 电一液伺服系统对工作环境有一定要求，既要避免污物对液压油的污 染，以免损坏元件，又要避免漏油污染其它元件： ( 2 ) 液压元件对制造公差要求严格，因此液压元件的价格较高； ( 3 ) 液压系统能源的获得不如电伺服系统方便： ( 4 ) 液压系统的高压脉动会产生很大的机械冲击； ( 5 ) 液压油的体积弹性模数、粘度在很大程度上受温度的影响，从而影 响了系统的控制精度； ( 6 ) 系统容易发热，功率消耗大； ( 7 ) 系统复杂、操纵维护困难。 近几十年来，随着电力电子技术、计算机技术和控制技术的大力发展， 交流伺服系统得到了迅速的发展，因其具有结构简单、控制方便、价格低且 可靠性高等特点，使其在工农业生产中的应用也越来越广泛，逐渐成为自动 化领域中运动控制的主流。交流伺服系统由于采用电动机作为执行元件，因 而具有以下优点： ( 1 ) 电动机种类繁多，可选择性强； ( 2 ) 适用于各种工作条件和场合，且寿命长； ( 3 ) 控制手段多，易于控制，运行可靠； ( 4 ) 有宽广的转矩、转速、功率； ( 5 ) 可以立即启动，转矩平稳，振动小： ( 6 ) 可以二象限运行，也可以四象限运行，运行效率高。 与电一液伺服系统相比。电伺服系统具有体积小、重量轻、价格便宜、控 制简单、运行可靠、维修调试方便等特点。本课题就是在这种背景下提出的。 将减摇鳍伺服系统从传统的电液伺服系统改进为电伺服系统可以大大降低 减摇鳍的生产成本，并简化系统构成，增强系统性能，使其在调试、维修、 使用上更加简便，从而促进减摇鳍在一些中小型船舶上的应用。因此，本课 题具有十分重要的现实意义。 1 3 课题相关技术的发展与现状 哈尔滨工程大学硕士学位论文 交流电气传动在1 9 世纪诞生，在以后的发展中被广泛地应用于工农业生 产、国防、科技及社会等各个方面。2 0 世纪6 0 年代以后，由于生产发展和 节能的需要，促使世界各国逐渐重视交流电气传动技术的研究与开发，尤其 是2 0 世纪7 0 年代以后，电力电子器件、脉宽调制( p w m ) 技术、现代控制 技术、微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展为交流电气传动的 发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。从此，电气传动领域面貌焕然 一新，各种类型的交流电动机传动系统在各个领域内得到广泛应用，其在电 气传动领域中占据了统治地位已是公认的事实。 1 9 7 1 年，由德国西门子公司的f b l a s c h k e 提出的矢量控制理论峥1 第一次 使交流电机控制理论获得了质的飞跃。矢量控制技术模仿直流电动机的控制， 用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的完全解耦。然而，在实际中由于 转子磁链难于准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，以及在模拟直 流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难于 达到理论分析的结果。 直接转矩控制思想于1 9 7 7 年由a b p i u n k e t t 在i e e e 杂志上首先提出， 1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授首次取得实际应用的成功，接着 1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围【7 j 。直接转矩控制技术用空间矢量的分析方 法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向， 借助于离散的两点式调节( b a n d b a n d 控制) 产生p w m 信号，直接对逆变 器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态响应。不同于矢量变换技 术，直接转矩控制有着自己的特点，它在很大程度上解决了矢量控制中计算 控制复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难于达到理论分析的 结果等一些重大问题。 直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想、简洁明了的系统 结构和优良的静、动态性能受到了普遍的关注和得到了迅速的发展。在国外， 德国和日本在这方面的研究居于世界领先地位。德国与a b b 公司合作，成 功地将直接转矩控制技术应用于电力牵引系统中，目前使用该技术的电车和 电力机车就超过了1 0 0 0 辆，如奥地利联邦铁路的1 8 2 2 型电力机车、瑞士联 邦铁路的4 6 0 型电力机车和穿越英吉利海峡的高速列车8 1 等等。日本利用直 接转矩控制技术已研制成功了1 5 k w 装置样机，其转矩响应频率高达2 k h z ， 冲击转矩瞬时值可达额定转矩的2 0 倍 7 】 9 】。目前，德国、同本都竞相发展 此项技术，美国、意大利、韩国和法国也紧紧跟进。而我国在此项领域的研 究和应用仍处于初步阶段，尚有不少控制性能和应用问题有待解决，以清华 大学的李永东教授和南京航空航天大学的胡育文教授为主的研究队伍在这方 面的研究比较深入，在低频和死区控制方面提出了卓有成效的解决方法。为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 掌握这一先进技术，提高我国电力牵引交流传动与控制的水平，铁道部株洲 电力机车研究所进行了多年的研究，生产出了采用该技术的d j 2 型交流电力 机车【”1 。另外，国防科技大学研制的“绿色环保”电动汽车】和北京八达 岭磁悬浮旅游观光实验线1 2 1 也都采用了直接转矩控制技术。可以看出，直接 转矩控制技术有着十分广阔的发展前景。 十多年来，直接转矩控制技术不断得到完善和发展，特别是随着各种智 能控制理论的引入，又涌现了许多基于模糊控制和人工神经网络的直接转矩 控制系统，控制性能得到进一步的改善和提高。当前，对直接转矩控制技术 的研究主要侧重以下几个方面： ( i ) 无速度传感器直接转矩控制系统的研究； ( 2 ) 中小功率i g b t 变频器全速与控制方案的研究； ( 3 ) 应用现代控制理论，对直接转矩控制技术的缺点进行改进； ( 4 ) 采用三点式逆变器的特大功率调速系统的研究； ( 5 ) 磁链调节器和转矩调节器的细化改进； ( 6 ) 智能开关状态选择器的研究； ( 7 ) 电压矢量选择方式的改进； ( 8 ) 改善低速性能的研究。 1 4 论文完成的主要工作 论文对基于异步电动机直接转矩控制的减摇鳍电伺服系统进行了分析研 究，主要工作有以下几个方面： ( 1 ) 结合异步电动机定子坐标系对直接转矩控制系统的结构、原理进行 了分析研究； ( 2 ) 结合减摇鳍的特点利用直接转矩控制技术设计了基于异步电动机直 接转矩控制的减摇鳍电伺服系统，并运用m a t l a b 6 0 s i m u l i n k 5 0 仿真软件建立了各组成部分的仿真模型： ( 3 ) 对减摇鳍电伺服系统及各个组成部分、对有义波高分别为2 6 8 m 、 3 7 5 m 、4 2 6 m 和遭遇角分别为4 5 、9 0 、1 3 5 。的海浪共九种情况进 行了仿真，得到了较满意的仿真结果； ( 4 ) 对仿真中遇到的问题进行了分析并给出了解决方法。 堕釜鎏三堡奎主至圭兰垡笙兰 一一 2 1 前言 第2 章减摇鳍的工作原理 本论文主要研究的是减摇鳍伺服系统，因此我们，必须对减摇鳍有一个基 本的了解。本章主要叙述了减摇鳍的一些理论基础，包括工程上常用的船舶 横摇运动线性数学模型c o n o l l y 横摇方程，并根据模型给出了某船舶的传递 函数；减摇鳍的对抗横摇原理和升力公式：传统的减摇鳍控制方法按力 矩控制等。本章的内容是进行减摇鳍研究的理论基础。 2 2 船舶横摇运动的数学模型 船舶在水中的运动是非常复杂的，有许多不确定因素，因此从严格意义 上说船舶横摇运动的模型是非线性的【1 叭。但是，当船舶的横摇运动角度较小 时，可以应用线性横摇理论来分析船舶的横摇运动。目前，在实际工程设计 中广泛采用的船舶横摇运动数学模型是c o n o l l y 横摇方程i l ，c o n o l l y 模型 对大多数船舶的水动力设计和性能估算有较高的精度，而且方程简单，使用 方便。依照c o n o l l y 横摇方程，船舶线性横摇的数学模型可以表示为： ( + l ) + 2 玑+ d h 痧= 一( 蔹+ 2 n , 扫2 + d h a i )( 2 1 ) 式中：厶船舶横摇转动惯量； 厶船舶附加转动惯量； 2 n 船舶横摇阻尼系数； d 船舶排水量； h 船舶横稳心高； 口船舶横摇角。 而叭m 分别为： = c 1s i n 以r 口22 9 0 2s i n m e tj ( 2 2 1 其中d 。- 、a 。：分别为对于波倾角的最大有义波倾角和对于波倾角速度的与波倾 角加速度的最大有义波倾角；c o 。为遭遇频率。 哈尔滨工程火学硕士学位论文 实验证明，式( 2 1 ) 中等号右边三项横摇力矩中的矗：和2 n o , ：项数值比 d h a ，项要小得多，所以在一般应用中，仅考虑d h a 。对船舶横摇的作用，于是 式( 2 1 ) 的横摇方程可以写成： ( l + a ) + 2 0 乒+ d = 一d h 0 6( 2 3 ) 对式( 2 3 ) 作拉氏变换，并记初始条件为庐( o ) = ( o ) = 方( o ) = 0 ，得船舶横摇的 传递函数为： 帅) 2 器2 移丽1 而 ( 2 4 ) 式中 ( 2 5 ) “2 而蒜( 2 - 6 ) 可见，船舶的固有横摇周期为： 瓦- 2 万烨( 2 - 7 ) 考虑某船舶的参数为：排水最9 = 1 4 5 7 2 6 t ，横稳心高h = 1 1 5 m ，横摇周期 t 0 2 9 s ，无因次阻尼2 0 2 6 5 ，利用( 2 4 ) 的数学形式，则得到下式【1 5 ： 帅) 3 器2 丽丽面1 而丽 ( 2 - 8 ) 也可化为以海浪扰动力矩如，为输入的传递函数形式【l6 】： 哪) 2 蒜2 再2 而9 0 8 丽4 x 1 0 - 7 ( 2 - 9 ) 2 3 减摇鳍的减摇原理 望尊詈譬给出船舶受到海浪作用后的线性横摇方程模型为式( 2 3 ) ，式中 冀兰童鎏晷堂浪的扰动力矩。如果有一个减摇装置，在它的作甭苄生二木 对抗海浪扰动力矩的控制力矩恐，则式( 2 3 ) 也可以写成： ( + ) + 2 帆+ 肼= 一疋一d h a ( 2 - l o ) 堕尘鋈三堡查主要圭兰簦鎏三一 _ _ _ _ i _ i _ _ l _ _ _ - _ _ o 。j ：= 、 如果使疋：d h 则上式右边等于零，于是船舶就会停止横摇。这也就是减 摇鳍的减摇原理，即力矩对抗原理。 减摇鳍形状类似水平( 升降) 舵，是翼展很小的机翼，每两个为一副， 由两舷伸出船体，安装于水线以下一定深度处，可以绕轴运动，如图2 0 1 为 不可收放式减摇鳍的结构示意图。当船舶在风浪中航行产生横摇运动时，减 摇鳍在控制系统的控制下，按照一定的控制规律做相应的转动，使两个鳍打 相反的鳍角，在水流的作用下产生一个横摇的力矩来对抗海浪扰动力矩而减 小船舶横摇，减摇鳍减摇原理如图2 2 所示。 卜；9、g 。义l 1 陶2 2 减播鳍原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 减摇鳍转动时，设转动鳝角为嘶，此时单鳍上产生的升力为： l = 去p 4 g 矿2 ( 2 - 1 1 ) 式中：a f 鳍的投影面积； c 鳍升力系数： p 海水密度： y 来流速度。 升力作用线垂直于水流相对速度与鳍的轴线。由于鳍的布置左右对称， 而当一舷的鳍产生的升力向上，则另一舷的鳍产生的升力向下，如图2 ，2 。这 样，左右舷鳍产生的升力相对横摇轴的力矩为： k o = 2 l l zc o s 5 l 通常由于可很小，式( 2 - 1 2 ) 可近似写成： 丘“2 l l s ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 式中：印鳍轴轴线与鳍中心至船舶重心连线间的夹角； f ，升力力臂。 由于减摇鳍的鳍角m 是受控制系统控制的，鳍产生的升力也是受控制 系统控制的。因此，设计减摇鳍运动控制器可以控制鳍产生稳定力矩疋来抵 消海浪扰动d h a ，达到减少船舶横摇的目的。 2 4 减摇鳍的控制规律 减摇鳝减摇效果的好坏，不但与鳍的水动力特性有关，而且与控制系统 的性能有关。减摇鳍的对抗力矩是如何选择的? 它符合什么样的控制规律才 能使减摇效果最好昵? 这是本节要讨论的问题。 由式( 2 1 0 ) 可知，船舶横摇时有三种力矩( 恢复力矩d h f ) ，阻尼力矩2 帆参 和惯性力矩( + l ) 歹) 与外加力矩( 海浪扰动力矩d h a ，和控制力矩砭) 相 平衡。于是可知，如果要抵消海浪扰动力矩d h a ，则控制力矩也必须包括： ( 1 ) 与成比例控制的删： ( 2 ) 与成比例控制的彤； 堕釜鎏三堡奎主鎏圭兰皇笙兰 一 ( 3 ) 与方成比例控制的c 。 单纯以横摇角矿、横摇角速度、横摇角加速度方控制时，其减摇效果 不佳，图2 3 画出了各种控制方式单独作用下的船舶横摇响应，按横摇角速 度控制在谐振区有很好的减摇效果，而按横摇角和横摇角加速度控制基本没 有减摇作用，所以它们一般不单独使用。 尹硪播墙 r i 【l 按一控耐 。 l l i r j r 舻融舭 辩竺 蕊 却( 1 a ， 图2 3 各种控制方式的船舶横摇响应 因此，可以将以上三种控制方法综合起来使用。按照横摇角、横摇角 速度参、横摇角加速度的综合控制亦称“按力矩控制”，也叫“对抗控制”。 此时，减摇鳍产生的控制力矩为： 琏= 一庐+ b e + c ( 2 - 1 4 ) 代入船舶横摇方程式( 2 - 1 0 ) 整理得： ( l + l + c ) 妒+ ( 2 u + 动+ ( d h + 爿) 庐= 一d h a l( 2 - 1 5 ) 可见，按力矩控制减摇装置的作用相当于增大了船舶转动惯量( 由厶+ 厶 增加为厶+ 计c ) ，增大了船舶横摇阻尼( 由2 帆增加为2 虬+ 占) ，增大了船 舶稳性( 由d h 增加为d h + a ) 。只要合理地选择a 、b 、c 三个参数，就可以 使减摇鳍达到最佳的减摇效果。 如果所选的参数a 、b 、c 满足下式： 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 丛：l ：f d h2 帆 i x + a l x 式中f 为一常数，则式( 2 - 1 5 ) 变为： ( l + ) + 2 玑+ d h c j = 一d h c t i ( 1 + f ) ( 2 1 6 ) f 2 1 7 ) 比较式( 2 1 7 ) 和( 2 3 ) ，可知减摇鳍按力矩控制的作用相当于把海浪扰动力 缶 i d h ac 减小了1 + f - f 音。于是船舶在各个遭遇频率妣下的横摇角都减小了1 + f 倍。按力矩控制是一种很好的减摇鳍控制方法，目前减摇鳍控制系统大多采 用这种控制。 2 5 本章小结 本章主要叙述了减摇鳍的一些理论基础，包括船舶横摇运动的c o n 0 1 1 v 线性方程、减摇鳍的减摇原理、减摇鳍的各种控制方法等。本章的内容是柘 为研究减摇鳍伺服系统的理论基础。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 前言 第3 章直接转矩控制技术 本章旨在介绍异步电动机直接转矩控制技术的基本理论、基本组成和控 制原理。首先在分析异步电动机定子静止d 彬坐标系下数学模型的基础上提 出了直接转矩控制技术的控制思想。然后详细介绍了直接转矩控制系统的理 论基础和主要组成部分以及工作原理。最后，介绍了异步电动机直接转矩控 制低速运行时的控制方法，包括磁链圆形运行轨迹和磁链三点式调节。本章 的内容是减摇鳍电伺服系统的主要技术基础和构成部分。 3 2 直接转矩控制技术的特点 直接转矩控制技术，德语称之为d s r i 】( d i r e k t es e l b s t r e g e l u n g ) ，英 语称之为d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) ，又可称为d s c ( d i r e c ts e l f - c o n t r 0 1 ) ， 是近十几年来发展起来的一种新型的具有高性能的交流传动技术。目前，直 接转矩技术的磁链轨迹控制方案多采用德国的d e p e n b r o c k 教授提出的六边 形方案i l7 1 和日本的t a k a h a s h i 教授提出的圆形方案【1 8 】。 实际应用表明，采用直接转矩控制的异步电动机传动系统，电机磁场接 近圆形，谐波小，损耗低，噪声及温升比一般逆变器驱动的电机小得多。直 接转矩控制系统的主要特点有： ( 1 ) 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控 制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机做比 较、等效、转化；既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解 耦而简化交流电动机的数学模型。它省掉了矢量旋转变换等复杂的 变换和计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的控 制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够作出直接和明确的 判断； ( 2 ) 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可 以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转 子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减 少了矢量控制技术中控制性能易受电动机参数变化影响的问题； ( 3 ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模 哈尔滨一样人学硕七学位论义 型和控制其各物理量，使问题变得特别简单明了： f 4 ) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。与著名的矢量控制 方法不同，直接控制转矩不是通过控制电流、磁链等量来j 铷接控制 转矩，而是把转矩直接作为被控量，强调的是转矩的直接控制效果。 其控制方式是，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值 做带滞环的比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内。因此它的 控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转 矩的实际状况，它的控制既直接又简化。对转矩的这种直接控制方 式也称之为“直接自控制”。这种“直接自控制”的思想不仅用于转 矩控制，同时也用于磁链量的控制，但是以转矩为中心来进行综合 控制的。 综上所述，直接转矩控制技术采用空问矢量的分析方法，直接在定子坐 标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两 点式调节( b a n d b a n d 控制) 产生p w m 信号，直接对逆变器的丌关状念进 行最佳控制，以获得转矩的高动念响应。它省掉了复杂的矢量变换与电动机 数学模型的简化处理，控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号 处理的物理概念明确。该控制方法的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且超 调小，是一种具有高静、动态特性的交流传动控制方法。 3 3 直接转矩控制技术的理论基础 3 3 1 直接转矩控制技术的基本思想 众所周知，电动机的转速调节是可以通过调节电动机的电磁转矩来控制 的。可见，按照这种调节方法，控制和调节电动机转速的关键是如何有效地 控制和调节电动机的转矩。 任何电动机都出定子和转子两部分组成，定子产生定子磁势矢量只，转 予产生转子磁势矢量e ，二者合成得到合成足，b 产生磁链矢量妒。出电 机统一理论可知，电动机的电磁转矩是由这些磁势矢量的相互作用而产生的， 即等于它们中任何两个矢量的矢量积： t ，= ( _ ( ex f ) = g ，f ：f rs i n 4 f ，f r ) = ( _ ( 只足) = c 。只疋s i n 么( e ，足) = g ，( f r b ) = c 。f es i n 么( f ，b ) 式中，只、一、r 分别为矢量e 、f r 、艮的模，么( e ，e ) 、 ( 3 - 1 ) z t f s ，f a 、z 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( f r ，分别是矢量之间的夹角。要控制电动机的转矩，可以通过控制两磁势 矢量的幅值和两磁势矢量之间的夹角来实现。 直接转矩控制就是在异步电动机定子坐标系下用交流量计算转矩的控制 量。但是，由于这些矢量在坐标系下的各个分量都是交流量，故难以直接进 行计算和控制。由式( 3 1 ) 可知，转矩等于磁势矢量b 和艮的矢量积，而b 比例于定子电流矢量毛，如比例于磁链矢量v 。，因而转矩控制可以转化为对 矗、的模和其夹角的控制，而定子电流矢量矗的模可直接检测得到，磁链 矢量的模可从电机的磁链模型中得到。在异步电动机定子坐标系中求得 转矩的控制量后，可设置转矩调节器形成转矩闭环控制系统。另外，从电机 合理运行角度出发，设置磁链调节器形成磁链闭环控制系统，以实现控制磁 链幅值为恒定的目的。通过转矩调节器和磁链调节器的配合控制，可以获得 较好的动、静态特性。 3 3 2 异步电动机定子坐标系下的数学模型和观测模型 1 异步电动机定子坐标系下的数学模型 在直接转矩控制中，采用空间矢量的分析方法，在定子静止a - p 坐标系 下描述异步电动机的方程和模型。定子坐标系的分布如图3 1 所示，空间矢 量在a 轴上的投影称为a 分量，在轴上的投影称为口分量。 图3 1 定子坐标系示意图 在定子口胡坐标系下的异步电动机电压方程为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 u 日q u j f 0 0 磁链方程为 z 船 l s b l r l r r 上 妒s 口 vs 8 掣f 口 vr a ( 3 2 ) ( 3 3 ) 以上式中：下标“、分别代表a 分量和卢分量；下标s 、，分别代表定子分 量和转子分量；下标m 代表定、转子之间相互关联的量；o ) r 为转子电角速度： p 为微分算子。 2 转矩观测模型 直接转矩控制是以定子磁链矢量为基准，并维持其幅值为恒定，因此按 式( 3 - 1 ) 中第二式计算异步电动机的电磁转矩： 乃= c ：只es i n z ( f ，b ) = s i n z ( y ，) ( 3 4 ) 式中坳为电动机极对数。由于s i n ( v 。，) = g t 。s i n z ( f ，) ，所以有 瓦= h p 虬s i n 么( ，)( 3 - 5 ) 把、矗置于定子坐标系a 妒中，如图3 1 所示，得到 s i n z ( q y s ，) = s i n q g l 一岛) = s i n t g 】c o s 0 ：一c o s 6 ls i n 8 ： ( 3 6 ) 从而在定子坐标系中，异步电动机的电磁转矩模型可表达为： 乃= 饰( 帆。0 一雌，k )( 3 7 1 根据式( 3 7 ) 构成的转矩观测模型框图如图3 2 所示。 i 硝 l s a 脚 图3 2 异步电动机转矩观测模型框图 f 5 0 o 研p o 0 p 啡 o p o o p 0 o o 0 0 o 砟 0 o 砟o o r o 0 r o o o k b 屯b o 乙0 k o o o 厶o k 厶o 0 o 1 l i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 磁链观测模型 异步电动机定子磁链观测模型通常采用全速范围内都实用的高精度磁链 模型，称为“ 模型旧【”，也叫电动机模型。“一n 模型由定予电压、电流和转 速来获得定子磁链，所用的数学方程式如下： t ? 每氓。= u ：+ t p i 誓，= 一c 。 ( 3 8 1 妒，。= l 。一i s c t e ，) a t 妒。2j ( “。一t ，r 。) d t z ：z ：麓 b 呐 叩即+ k 品 。 式中：z = 厶偎，为转子时间常数；上产三。+ 三。，l 。为定子漏感，上。为转子 漏感。由以上三组方程构成“一n 模型，如图3 3 所示。模型中电流调节器p i 单元的作用是强迫电动机模型电流和实际的电动机电流相等。 图3 3 异步电动机定子磁链* 模型框图 堕玺鎏王登查主鎏：兰笙鎏兰一 3 3 3 逆变器的开关状态和目g k , 空_ f e - i 矢量 1 逆变器的开关状态 一台o g j 五, 型逆变器由三组、六个开关组成，其原理如图3 4 所示。每组 的上下两个开关互为反向，即一个接通，另一个则断开，于是= e l l 开关有2 a = 8 种可能的开关组合。若规定三组开关分别用、岛、& 表示，并规定每组开 关与“+ ”级接通时，该组的开关状态为“1 ”态，与“一”级接通时，该组的 开关状态为0 态。则8 种可能的开关组合状态见表3 1 。这8 组开关状态 可以分为两类：一类是6 种工作状态，即三相负载并不都接到相同的电位上； 另一类是零开关状态，即三相负载都接到了相同的电位上。 宁_ 硼 u a_ 、 。=iii 幽3 _ 4 逆变器原理图 表3 1 逆变器的开关状态 开关组工作状态零状态 0 0 1 l 100l 1oo01101 是 1 11o0 0 o1 2 电压空间矢量 在对异步电动机进行分析控制时，均需对三相进行分析控制，若引入p a r k 矢量变换会带来很多的方便。p a r k 矢量变换将三个标量( 三维) 变换为一个 矢量( 二维) 。对于图3 4 所示的逆变器，若a 、6 、c 三相负载的定子绕组接 成星形，并用以( ，& ) 表示输出的电压空间矢量，则逆变器输出的电压空 间矢量的p a r k 矢量变换表达式1 2 0 l 为( 由d b c 坐标变换为a - p 坐标) ： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 盐，! u ，( 疋，咒，疋) = 寺u d ( 咒+ 墨e 。3 + 疋e 。( 3 - 1 1 ) = u ，。+ y u ，。 那么，逆变器输出的电压空间矢量则可以用u ( 0 1 1 ) 、“( 0 0 1 ) 、珥( 1 0 1 ) 、 以( 1 0 0 ) 、珥( 1 l o ) 、“( 0 1 0 ) 、以( o o o ) 、以( 1 1 1 ) 表示，分别与表3 1 中的8 个电压状态对应。这8 个电压空间矢量在坐标系中的空间离散位置如图3 5 所示，其中以( 0 0 0 ) 和u ( 1 1 1 ) 位于中心点处。 以( 1 0 0 ) 以( 1 1 0 ) 。输入是转矩给定值与转矩反馈值 的差，输出则是调节信号p n 和硷。只有在转矩给定值变化较大时，p 调 节器才参与调节，具体的调节过程如图3 9 所示。 图3 8 转矩调节器原理图 t qnf p n - 7 厂7 | 、 寸 一；j 、： 2 岛- 一2 聊一- 4 、，：l9 坦j 1_ | hh 1i 一 t o t j t 2t 3 图3 9 转矩调节器的调节过程 当t t o 时，以和吧信号都为“1 ”态，选择正转的工作电压，转矩迅 速上升。在南时刻，转矩上升到容差上限地。，z p 信号变为“0 ”态，施加零 电压，于是定子磁链静止不动，但由于转子磁链继续旋转，所以转矩以较小 的斜率慢慢下降。t 。时刻转矩给定值从巧。突然下降到砀，此时竹，和丁q 的 容差上限都在实际转矩之下，因此p 和7 q 信号都变为“0 ”态，施加反转 的电压，使得转矩以较大的斜率下降。到如时刻，转矩到达容差下限。处， 于是丁q 信号变为“l ”态，而p 信号仍为“0 ”态，这时施加零电压，定 荨 一 一 弓i 叶 一+“ 哈尔滨工程大学硕士学位论文 子磁链静止不动，因而转矩又缓慢下降。到如时刻，转矩到达删调节器的 容差下限一s 。处，删信号变为“1 ”态，此时丁q 信号仍为“1 ”态，施加正 转的电压，则转矩又迅速增加至“时刻。“时刻时，p 信号为“1 ”态，z q 信号为“0