基于SVM的船舶推进电机直接转矩控制仿真研究

李兴友;李彦

【摘 要】The structure and characteristics of ship electric propulsion system are introduced. The principle of direct torque control(DTC) based on space vector modulation(SVM) is analyzed. The compute method of expect voltage vector and ship-airscrew model are introduced, and the simulation model of ship electric propulsion system DTC in

Matlab/Simulink environment is constructed. The simulation results indicate that the performance of the propulsion system is improved with the application of DTC based on SVM.%介绍了船舶电力推进系统的结构和特点；分析了基于空间矢量调制(SVM)直接转矩控制(DTC)的原理；介绍求取预期电压矢量的方法以及船舶的船-桨模型；在Matlab/Simulink搭建了船舶电力推进DTC仿真模型.仿真结果表明基于SVM的DTC可以提高船舶电力推进系统的性能. 【期刊名称】《现代电子技术》 【年(卷),期】2012(035)007 【总页数】4页(P122-125)

【关键词】船舶;电力推进;空间矢量调制;预期电压;直接转矩控制;仿真 【作 者】李兴友;李彦

【作者单位】江苏科技大学电子信息学院,江苏镇江212003;江苏科技大学电子信息学院,江苏镇江212003

【正文语种】中 文 【中图分类】TN710-34 0 引 言

随着电力电子技术、电子科技和交流调速理论的不断发展成熟，船舶全电力推进系统取得了迅速发展，并越来越多地运用到各类船舶中，尤其是工程类船舶。如挖泥船、科考船和勘测类船舶等。这些类型的船舶的显著特点是需要提供较高的机动性来提高船舶作业时的效率和灵活性，但同时也必须保证其安全可靠性。

此问题在船舶电力推进系统中具体表现为：船舶的速度和转矩输出响应快，能快速地达到特定工况的速度和转矩需求；同时由于船舶电站容量有限，推进系统是船舶的主要负载源，当在转矩输出时会对船舶电网造成冲击，影响电站乃至船舶的安全。因此选择合适的推进电机驱动控制方案至关重要。

直接转矩控制(DTC)和矢量控制(VC)是应用较广泛的电机控制方案。DTC于1985年由德国鲁尔大学Depenbrok教授提出异步电动机直接转矩控制方法，实现了在定子坐标系内对电动机磁链、转矩的直接观测和控制。直接转矩控制省去了复杂的坐标变换，使得控制简单，转矩响应快，动态性能好。 1 电力推进系统组成结构

船舶电力推进系统通常由推进电机、变频驱动单元、螺旋桨和配电系统组成。目前，电力推进电机主要有直流电动机、交流同步和异步电动机。直流电动机转速调整范围宽广平滑，而且在转速范围内能够提供满转矩、过载起动和制动转矩大。但是直流电机有换向器和电刷，大功率直流电机体积大而价格贵，运行时会产生电火花。交流电动机输出功率及调速范围比直流电动机大得多、结构简单、价格低廉、运行可靠、体积小。在水面船舶电力推进中，交流电机占主导地位。

2 电力推进DTC原理 2.1 交流异步电机数学模型[1]

采用空间矢量分析方法如图1所示，通过坐标变换在定子静止α-β坐标系下描述异步电动机的方程和模型。空间矢量在α轴上的投影称为α分量，在β轴上的投影称为β分量。下列表达式中，u为电压，i为电流，Ψ为磁链，ω为负载角，L为电感，T为电磁转矩，p为微分算子符。 图1 空间矢量分析

在α-β坐标系，异步电机的电压电流方程如式(1)： (1)

磁链方程如式(2)： (2)

电磁转矩如式(3)： (3)

2.2 直接转矩控制系统组成

基于SVPWM的电机直接转矩控制系统如图2所示。由速度调节器、转矩调节器、预期电压矢量估算、电压源型逆变器、定子磁链和电磁转矩估计器等组成。 图2 基于SVM的直接转矩控制原理图

与传统直接转矩控制相比，基于SVPWM的电机直接转矩控制没有用磁链和转矩滞环控制器以及固定的电压空间矢量的开关表。预期电压矢量是由基本电压空间矢量通过矢量合成得到，在一个控制周期有多个电压矢量作用。这样根据定子磁链的磁链偏差实时计算获得任意大小和方向的预期电压矢量，求得的预期电压矢量很好

地综合了电磁转矩和定子磁链的控制信息。 2.3 预期参考电压计算

当定子磁链被控制保持幅值Ψs不变，转矩的增量ΔTe就仅决定于负载角的增量Δδ[2]。如图3所示，定子磁链在轴系中相位为θs。为能产生转矩增量ΔTe，Ψs的旋转速度应大于Ψr，使其产生负载角增量Δδ。为此定子磁链矢量运动到新位置Ψsref，其相位为θsref=θs+Δδ，其幅值Ψsref=Ψ*。 图3 定子坐标系中负载角增量 Ψs的变化满足定子电压方程(4)： (4)

Ψs=Ψsejθs (5)

由此可得预期电压矢量如式(6)： (6)

预期电压矢量的幅值和相位如式(7)： (7)

2.4 空间矢量调制[3]

电压型逆变器只有8个基本电压矢量，滞环控制器在一个控制周期只能从中选择一个电压矢量作用逆变器，其调节作用不够平滑致使转矩输出脉动大。空间矢量调制的思想是利用这8个基本电压矢量，在一个控制周期中选择相邻的两个非零矢量和一个零矢量,并计算出各自的作用时间来合成任意大小方向的预期电压矢量，其原理如图4所示。

图4 矢量合成原理

假设预期电压矢量在第一扇区，u1,u2和u0为作用的基本第一矢量，t1,t2和t0分别为一个周期内基本电压矢量的作用时间。则其作用时间可表示如式(8)： (8)

矢量作用时间t1,t2和t0可由表1求得，其中X,Y,Z分别表示如式(9)[4]：

(9)表1 矢量作用时间N123456t1ZY-Z-XX-Yt2Y-XXZ-Y-Z 当然，需要对t1和t2做如式(10)的修正[5]: (10)

2.5 电机-螺旋桨模型

为得到船舶的螺旋桨转矩与电机转速之间的关系，需要分析电机-螺旋桨模型。本文简化处理，是满载船舶在静水中航行时的关系，可表示为[2]： MP=Kn2 (11) (12)

当电机处于额定状态运行时，式(11),式(12)相等，可近似求得系数K。其中P为电机功率，Ω为机械角速度，n为额定转速。 3 仿真结果分析

3.1 电力推进DTC系统仿真图

如图5为电力推进DTC系统Matlab/simulink仿真图。图中主要包括三大块，分别为预期电压矢量求取、PWM波形产生和船-桨模型。

3.2 仿真结果分析

电机参数选择：P=50 kW,V=380 V,np=2,Rs=0.3 Ω,Rr=0.816 Ω,Ls=0.002 H,Lr=0.002 H,Lm=0.069 H,J=0.089 kg·m2。根据仿真图，设定仿真时间为0.3 s，当速度给定分别于0 s,0.1 s和0.2 s达到200,400和600时,对应的速度响应曲线如图6(a)所示，转矩响应曲线如图6(b)所示，定子三相电流曲线如图6(c)所示，磁链圆轨迹如图6(d)所示，磁链幅值曲线如图6(e)所示。

从以上曲线可知，此电力推进DTC系统的速度响应非常快，在很短时间跟随到给定速度。同时转矩也有很好的跟随性，能在较短时间内达到系统需要的负载转矩，并且转矩输出的脉动小。在转矩稳定后，定子三相电流的频率和幅值保持恒定，电流的脉动小。从磁链圆可知，基于SVM的DTC系统磁链能保持圆形轨迹旋转，展开后其磁链脉动保持在很小范围内。 图5 电力推进DTC仿真图 图6 仿真结果 4 结 论

本文利用Matlab/Simulink工具箱对船舶电力推进系统直接转矩控制系统进行仿真研究，从仿真结果可知，基于SVM的DTC系统的转速和转矩输出响应快，同时转矩输出的脉动和电流脉动较小。这些特点适应工程船舶对机动性和安全性的要求，所以将之应用于船舶电力推进系统中，将提高船舶电力推进的性能。 参 考 文 献

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