安柏楠， 周臘吾，2， 嚴(yán)小敏， 趙健康， 鄧 雄

(1. 湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

電纜絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的SVM-DTC控制策略

安柏楠1， 周臘吾1，2， 嚴(yán)小敏1， 趙健康1， 鄧 雄1

(1. 湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

電纜絞車是船舶系統(tǒng)重要的組成部分之一，通常選用效率高、維修性能好的永磁同步電機(jī)(PMSM)作為船舶電纜絞車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。面對(duì)復(fù)雜的海洋環(huán)境，電纜絞車需要在收放電纜時(shí)保證電纜的張力不變，進(jìn)行恒張力控制。同時(shí)針對(duì)負(fù)載時(shí)變、突變、非線性的特點(diǎn)，本文提出了自適應(yīng)模糊PID控制器和空間矢量調(diào)制下的直接轉(zhuǎn)矩控制策略對(duì)電纜絞車進(jìn)行控制。利用Matlab/Simulink軟件對(duì)此控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，采用基于自適應(yīng)模糊PID的空間矢量脈寬直接轉(zhuǎn)矩控制(SVM-DTC)下的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在保持直接轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，具有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)特性，可以有效地減小電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動(dòng)，適用于船舶電纜絞車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

電纜絞車； 永磁同步電機(jī)； 恒張力控制； 自適應(yīng)模糊PID； 空間矢量脈寬直接轉(zhuǎn)矩控制

1 引言

隨著船舶岸電技術(shù)的普及應(yīng)用,大型船舶在港口靠岸時(shí),通過(guò)岸電電源來(lái)滿足船舶照明等的用電需求。而岸電系統(tǒng)與船舶上受電裝置間需通過(guò)電纜進(jìn)行連接，通常采用定速永磁同步電動(dòng)機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)作為電纜絞車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電纜雙向快速收放[1]。同時(shí)海上收放電纜有別于陸上電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，其重要一點(diǎn)在于電纜收放過(guò)程中張力不斷變化，并呈現(xiàn)出非線性、時(shí)變和飽和性等的特征。為減少電纜所受的沖擊力，實(shí)現(xiàn)電纜的快速、平穩(wěn)收放，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)負(fù)載跟蹤性能較強(qiáng)，調(diào)節(jié)時(shí)間短，對(duì)電纜實(shí)現(xiàn)恒張力控制。

文獻(xiàn)[2-4]給出了多種對(duì)于PMSM的控制方式，其中直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈實(shí)現(xiàn)直接控制，較矢量控制更為直接有效，但缺點(diǎn)是其控制精度不高而造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。文獻(xiàn)[5]引入了雙模糊控制來(lái)改善直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題,使磁鏈軌跡圓度更好，但其缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢。文獻(xiàn)[6]采用基于自抗擾控制的空間矢量調(diào)制方式，對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈偏差進(jìn)行補(bǔ)償，但需要較為精確的控制模型。文獻(xiàn)[7]直接以轉(zhuǎn)矩為最終目標(biāo)選擇最優(yōu)電壓矢量進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制，省去了對(duì)磁鏈環(huán)的控制。本文結(jié)合實(shí)際提出了一種基于自適應(yīng)模糊PID控制的空間矢量脈寬直接轉(zhuǎn)矩控制(SVM-DTC)策略來(lái)驅(qū)動(dòng)電纜絞車實(shí)現(xiàn)電纜恒張力控制，通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)在負(fù)載變化的情況下，該控制系統(tǒng)是否可以穩(wěn)定控制驅(qū)動(dòng)電機(jī),進(jìn)行恒張力控制。

2 電纜絞車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電纜絞車裝置是船舶與岸電快速連接技術(shù)的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)的電纜卷筒裝置相比，電纜卷盤具有安裝空間小、排纜可靠、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。其主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、減速箱、電纜-環(huán)箱、電纜卷盤及電纜緩沖機(jī)構(gòu)等部件組成,其裝置模型圖如圖1所示。

圖1 電纜絞車裝置模型Fig.1 Cable winch device model

船用電纜卷盤分為體積小、維修簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩輸出近似恒定的磁滯式電纜卷盤，同步性能好、電纜張力小的彈力式電纜卷盤，變轉(zhuǎn)矩輸出的力矩電機(jī)式電纜卷盤，重錘式電纜卷盤等。針對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境，要求電纜卷盤通用性強(qiáng)，適應(yīng)能力好，排纜可靠。在大型船舶中，要求驅(qū)動(dòng)電纜能夠進(jìn)行快速柔性連接，同時(shí)也應(yīng)該具有安全的特性，保持電纜恒定張力，并能夠維持最佳電纜長(zhǎng)度，防止電纜出現(xiàn)松弛下垂或拉伸緊張情況。本文對(duì)比多種永磁同步電機(jī)控制方案，最終選擇了利用自適應(yīng)模糊構(gòu)建PID的SVM-DTC控制策略，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，達(dá)到控制電纜收放恒張力的目的。

3 自適應(yīng)模糊PID的SVM-DTC原理

3.1 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝永磁體進(jìn)行勵(lì)磁，同時(shí)靜止的定子側(cè)通入電流也產(chǎn)生磁場(chǎng)，兩者共同作用合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。隱極式轉(zhuǎn)子主要由合金鋼整體鍛件而成，可認(rèn)為交、直軸上自感相等。在電機(jī)參數(shù)計(jì)算時(shí)，將以a、b、c為坐標(biāo)軸的三相靜止坐標(biāo)系經(jīng)過(guò)Clarke變換，轉(zhuǎn)化成以α、β為坐標(biāo)軸的兩相靜止坐標(biāo)系來(lái)描述電機(jī)參數(shù)[8]，如圖2所示。

圖2 電機(jī)不同坐標(biāo)系下的矢量圖Fig.2 Vector diagram of motor in different coordinate systems

圖2中，ψs、ψf分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈；δ為ψs、ψf之間的夾角,用式(1)～式(4)分別表示隱極式PMSM參數(shù)：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，us為定子電壓；is為定子電流；Tem為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；P為極對(duì)數(shù)；ψs為定子磁鏈；ψ為ψs幅值大小；θ為定子磁鏈角度；Rs為電樞等效電阻；α、β分別表示定子的α、β軸分量；a、b、c分別表示定子的a、b、c軸分量。

3.2 恒張力控制分析

當(dāng)電纜絞車運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程為：

(5)

(6)

式中，TF為驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載電纜的轉(zhuǎn)矩；T0為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩；J為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度；TD為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。通常電纜張力較大，與之相比T0可忽略不計(jì)，在電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)負(fù)載可以表示為：

(7)

(8)

式中，F(xiàn)為電纜張力大??；D為電纜卷直徑。由式(7)和式(8)可知，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電纜絞車穩(wěn)速運(yùn)行時(shí)，電纜的線速度和張力恒定。但在實(shí)際工程中，卷盤的卷徑和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不斷變換，勢(shì)必造成電纜張力的變化。因此為保持電纜張力恒定，要求電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩能迅速且準(zhǔn)確地跟蹤電纜張力變化，這時(shí)需考慮式(6)中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩TD的補(bǔ)償作用，即

(9)

(10)

式中，JP為電纜卷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；JM為儲(chǔ)纜筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；R為電纜卷半徑；r為儲(chǔ)纜筒半徑；ρ為電纜的密度；b為電纜寬度。令D=2R，d=2r，則

(11)

聯(lián)立式(9)～式(11)得：

(12)

式中，v為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子線速度。

分析可知，掌握電纜絞車卷筒直徑D和速度變化率dv/dt等動(dòng)態(tài)變量，就可以在收放電纜過(guò)程中得出所需要的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，來(lái)控制收、放電纜過(guò)程中電纜的張力不變?？梢?jiàn)對(duì)船舶電纜恒張力控制，就是對(duì)電纜絞車驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。

3.3 自適應(yīng)模糊PID調(diào)節(jié)器

PID控制器簡(jiǎn)單易行且較為有效，其參數(shù)往往固定不變，無(wú)法適應(yīng)系統(tǒng)的變化，但若結(jié)合模糊控制對(duì)于系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好的特點(diǎn)[9]，就可以組成自適應(yīng)模糊控制，針對(duì)負(fù)載的變化快速調(diào)整電機(jī)，保持電纜絞車快速穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3為二維自適應(yīng)模糊控制器的原理圖。將參考轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速間差值E=n*-n作為誤差，將差值以及差值變化率Ec=Ei-Ei-1作為兩個(gè)輸入，同時(shí)采用三個(gè)輸出端口，將修正的ΔKp、ΔKi、ΔKd作為輸出。給定原始參數(shù)為Kp0、Ki0、Kd0，控制器輸出為T*。通過(guò)P、I、D數(shù)值合理的選定對(duì)控制器進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，使輸出滿足預(yù)定期望。

圖3 自適應(yīng)模糊PID電纜絞車框圖Fig.3 Fuzzy self-adjusting PID for cable winch

根據(jù)P、I、D選定數(shù)值以及專家經(jīng)驗(yàn)得到Kp、Ki、Kd模糊規(guī)則，如表1～表3所示。

表1 Kp模糊規(guī)則表Tab.1 Kp fuzzy control rule table

表2 Ki模糊規(guī)則表Tab.2 Ki fuzzy control rule table

表3 Kd模糊規(guī)則表Tab.3 Kd fuzzy control rule table

調(diào)節(jié)器根據(jù)負(fù)載以及轉(zhuǎn)速的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，得出最終校正參數(shù)為：

(13)

3.4 電壓空間矢量控制

為得到可控穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，需要獲得近似圓形磁場(chǎng)。逆變器通常采用PWM、SPWM、DPWM、SVPWM等調(diào)制方式，各種方式特點(diǎn)不同，應(yīng)用于不同環(huán)境當(dāng)中，但因SVPWM具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、精度高等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此被大量用于目前電機(jī)驅(qū)動(dòng)上。

為了使電機(jī)運(yùn)行時(shí)的磁鏈盡可能逼近理想的圓形磁鏈，減少電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，SVPWM將永磁同步電機(jī)和由IGBT構(gòu)成的三相橋式逆變器作為一個(gè)整體，控制逆變器橋臂通斷來(lái)產(chǎn)生脈寬調(diào)制波[10]。三相橋臂共有8種不同的開(kāi)通關(guān)斷形式，圖4為空間矢量分布圖。任意時(shí)間內(nèi)每個(gè)扇區(qū)內(nèi)輸出電壓U都可以平行地投影到相鄰的兩個(gè)基本電壓矢量上[11]，這樣可以得到每個(gè)矢量的作用時(shí)間，從而在空間內(nèi)進(jìn)行矢量合成對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。

圖4 電壓控制下的空間矢量分布圖Fig.4 Basic switching voltage vectors and sectors

倘若永磁同步電機(jī)由傳統(tǒng)的逆變器進(jìn)行控制和供電，檢測(cè)其磁鏈的軌跡將呈現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)的正六邊形磁場(chǎng)。這是因?yàn)樵谀孀兤髅總€(gè)控制周期Ts內(nèi)其工作狀態(tài)間斷變化，按開(kāi)關(guān)方向依次形成6個(gè)不同的電壓空間矢量，對(duì)應(yīng)只出現(xiàn)6種工作狀態(tài)。為了使電機(jī)的磁鏈軌跡更接近圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，則需要改變逆變器的控制形式，在每個(gè)扇區(qū)中依次產(chǎn)生盡可能多的不同的電壓空間矢量，對(duì)應(yīng)更多工作形式，其構(gòu)成如圖5所示。

圖5 SVPWM構(gòu)成原理圖Fig.5 SVPWM principle diagram

4 自適應(yīng)模糊PID的SVM-DTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

采用SVPWM來(lái)進(jìn)行控制時(shí)，依舊保持定子磁鏈幅值不變，控制轉(zhuǎn)矩角來(lái)控制電磁轉(zhuǎn)矩[12]，其計(jì)算的關(guān)鍵就是預(yù)期電壓矢量uα和uβ的大小[13]。在α、β坐標(biāo)系中易得到：

(14)

式中，p為微分算子?？紤]式(14)并結(jié)合圖(2)得：

(15)

式中，uα、uβ為電壓在定子α、β軸上的分量；ψref為定子參考磁鏈；Δθ為負(fù)載角增量；Ts為采樣時(shí)間。SVM-DTC控制下的PMSM的原理如圖6所示。將uα、uβ、Udc和Ts同時(shí)輸入到SVPWM模塊當(dāng)中，輸出三相逆變器的控制信號(hào)pluse。

圖6 SVM-DTC控制下PMSM原理圖Fig.6 Principle diagram of SVM-DTC for PMSM

5 仿真研究及實(shí)驗(yàn)分析

5.1 仿真研究

電纜絞車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真所使用PMSM具體參數(shù)如下：直流母線電壓Udc=510V，定子電阻Rs=18.7Ω，電機(jī)直、交軸電感Ld=Lq=0.00835H， PWM調(diào)制周期Ts=0.0001s，轉(zhuǎn)子磁鏈ψf=0.175Wb，給定參考定子磁鏈ψref=0.77Wb，極對(duì)數(shù)2P=4，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J= 0.000025kg·m2。

電纜絞車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速條件下，給定恒定負(fù)載2N·m,對(duì)系統(tǒng)收放纜時(shí)的靜態(tài)性能進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示，根據(jù)圖7可得仿真試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同轉(zhuǎn)速下穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)Tab.4 Speed and torque ripple under different speeds

由表4可以得出，相比于傳統(tǒng)的DTC控制策略，SVM-DTC控制策略在電纜收放裝置中精度更高，穩(wěn)態(tài)性能更好。

5.2 實(shí)驗(yàn)分析

為測(cè)試自適應(yīng)模糊PID的SVM-DTC系統(tǒng)的效果,本文在如圖8所示的測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，

圖7 不同控制策略時(shí)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形Fig.7 Speed and torque waveforms under different load with different methods

驗(yàn)證其動(dòng)態(tài)性能。其中測(cè)試電機(jī)采用Lenze公司型號(hào)為MCS 19J20的永磁同步電機(jī)。

圖8 電纜絞車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)Fig.8 Cable winch drive motor test platform

電纜絞車系統(tǒng)負(fù)載特性T具有非線性、時(shí)變、飽和性等特點(diǎn)，采用式(16)模型來(lái)模擬收放電纜時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，模擬多種情況下系統(tǒng)的控制性能，負(fù)載轉(zhuǎn)矩T曲線如圖9所示，圖10為采用兩種控制策略的轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)波形。

(16)

圖9 電纜絞車負(fù)載特性Fig.9 Cable winch load characteristic

圖10 給定負(fù)載兩種控制策略下轉(zhuǎn)矩波形Fig.10 Torque waveforms under load characteristic with different methods

根據(jù)圖10波形以及所得數(shù)據(jù)可知實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。通過(guò)圖10及表5可知，兩種控制策略下動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度都較快，但SVM-DTC控制下的驅(qū)動(dòng)電機(jī)反應(yīng)更快且精度更高，能有效減小轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，波形更加平滑，保證了電纜恒定張力的控制，可獲得更優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)性能。將所得磁鏈繪圖，如圖11所示。可以看出，SVM-DTC控制下磁鏈軌跡更為圓滑，毛刺較少。

表5 動(dòng)態(tài)響應(yīng)轉(zhuǎn)矩對(duì)比表Tab.5 Comparison of dynamic response

圖11 給定負(fù)載兩種控制策略下磁鏈軌跡Fig.11 Flux locus under load characteristic with different methods

6 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，基于自適應(yīng)模糊PID的SVM-DTC控制策略下的電纜絞車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有良好的速度穩(wěn)定性和較高的精度。面對(duì)復(fù)雜的海洋環(huán)境，其可以滿足電纜在收、放過(guò)程中加減速的需求。驅(qū)動(dòng)電機(jī)在該控制策略下的電磁轉(zhuǎn)矩可以快速、有效地跟蹤負(fù)載轉(zhuǎn)矩變換，實(shí)現(xiàn)電纜恒張力控制。同時(shí)改進(jìn)了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方式的缺點(diǎn)，采用SVPWM調(diào)制方式，有效減少了電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，精度更高，輸出更為平滑，反應(yīng)更快。該策略適用于當(dāng)今電纜絞車系統(tǒng)，值得進(jìn)一步研究并應(yīng)用于生產(chǎn)當(dāng)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

國(guó)網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(KJ2015-068)

安柏楠 (1992-), 男, 山東籍, 碩士研究生,研究方向?yàn)殡姍C(jī)電器設(shè)計(jì)及其控制； 周臘吾 (1965-), 男, 湖南籍, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向?yàn)殡娏︱?qū)動(dòng)與伺服理論及相關(guān)技術(shù)。

TM341

A

1003-3076(2016)12-0038-07