張麗春

（江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

基于PI-PLL的船舶電力推進SVM-DTC系統(tǒng)仿真研究

張麗春

（江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

針對船舶電力推進直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）系統(tǒng)定子磁鏈的觀測值并不準確的問題，文中引入空間矢量脈寬調(diào)劑技術(shù)（SVPWM）來降低電流及轉(zhuǎn)矩的脈動，并且固定了開關(guān)頻率。同時采用基于PI鎖相環(huán)的定子磁鏈觀測器代替常用的電壓-電流模型的方法，結(jié)合直接轉(zhuǎn)矩控制、空間矢量脈寬調(diào)劑技術(shù)以及船槳模型，建立基于PI-PLL磁鏈觀測器的SVM-DTC系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明，定子磁鏈觀測的精度大幅提高，系統(tǒng)的性能有所改善。

船舶電力推進；DTC；空間矢量脈寬調(diào)劑技術(shù)；PI鎖相環(huán)；磁鏈觀測器

在船舶電力推進SVM-DTC系統(tǒng)中，定子磁鏈是至關(guān)重要的參數(shù)。對于基于空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的船舶電力推進直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，定子磁鏈的誤差將會影響電磁轉(zhuǎn)矩、參考電壓和逆變作用時間的計算，從而影響生成的PWM脈沖，影響系統(tǒng)的控制效果。

針對定子磁鏈的觀測精度和響應速度，國內(nèi)外學者主要在兩方面研究改進［1］：

由于傳統(tǒng)電壓-電流模型受定子電阻的影響，所以可以通過在線辨識定子電阻的方法，提高定子磁鏈觀測的準確性。但是這樣增加了系統(tǒng)的復雜性。

由于電壓-電流模型采用純積分器方法實現(xiàn)，會使積分結(jié)果偏移甚至飽和從而影響觀測精度，所以有學者提出用一階低通濾波器代替原始純積分環(huán)節(jié)，但是濾波器的引入使定子磁鏈的幅值和相位都受影響，尤其在低速時影響更為嚴重。

為了解決這些問題，查閱相關(guān)文獻，其中給出了一種基于鎖相環(huán)的定子磁鏈觀測模型，結(jié)構(gòu)簡單且具有較好的零飄抑制作用，觀測結(jié)果幾乎沒有延遲，對輸入電壓噪聲抑制作用較強。但是這種磁鏈觀測器用除法器作為速度跟蹤調(diào)節(jié)器，存在些不穩(wěn)定因素，尤其在低速時磁鏈觀測器響應較慢。因此，文中將基于PI-PLL的磁鏈觀測器應用于船舶電力推進SVM-DTC系統(tǒng)中取代傳統(tǒng)的U-I磁鏈觀測模型，觀察新的磁鏈觀測器的精度以及對系統(tǒng)速度、轉(zhuǎn)矩和電流的影響。

1 船舶電力推進直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理

船舶電力推進傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制原理如圖1所示，該系統(tǒng)通過3S/2S坐標變換將檢測到的三相定子電流和電壓轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標系中，并用磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩觀測器來觀測定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩以及磁鏈所在的扇區(qū)N，將其觀測值分別與給定值ψ和T作比較得到磁鏈控制信號FC和轉(zhuǎn)矩控制信號TC，結(jié)和扇區(qū)N選擇相應的電壓矢量，使其產(chǎn)生PWM脈沖信號來實現(xiàn)逆變器開關(guān)器件的開通與關(guān)斷，并驅(qū)動電機運行，系統(tǒng)實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩和磁鏈的直接控制［2］。

圖1 船舶電力推進直接轉(zhuǎn)矩控制原結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Base structure of direct torque control

2 空間矢量脈寬調(diào)劑技術(shù)（SVM）的實現(xiàn)

通?？梢詫崿F(xiàn)空間矢量脈寬調(diào)劑技術(shù)分為3個步驟：首先，計算參考電壓矢量的所在區(qū)域位置，其次，選擇兩個相鄰的非零矢量和一個零矢量通過矢量合成參考電壓矢量；最后，計算出3個基本電壓矢量的作用時間，并根據(jù)此生成相應的驅(qū)動逆變器的PWM脈沖信號。

2.1 計算參考電壓矢量

參考電壓矢量在α-β坐標系的分解如圖2所示。

圖2 參考電壓矢量坐標Fig.2 The coordinate of reference voltage vector

由公式（1）計算參考電壓矢量：

由式（2）計算參考電壓矢量的幅值和相位：

2.2 相鄰電壓矢量的選擇和作用時間計算

文中以參考電壓矢量在第一扇區(qū)為例，u1、u2和u0作為基本電壓矢量，t1、t2和t0則分別表示一個周期內(nèi)基本矢量的作用時間［3］。其作用時間可用公式（3）表示：

3 基于PI鎖相環(huán)的定子磁鏈觀測器

3.1 基于鎖相環(huán)的電壓-電流模型定子磁鏈觀測器

分析基于鎖相環(huán)的電壓-電流模型定子磁鏈觀測器，可以得到在d-q坐標系下的定子電壓方程：

上圖中usα、usβ是異步電機在兩相靜止坐標系下α-β的定子電壓，d為與定子磁鏈方向相同的坐標軸，q軸超前d軸。

同時可以得到觀測器的輸出為：

3.2 基于PI鎖相環(huán)的定子磁鏈觀測器

基于PI鎖相環(huán)的磁鏈觀測器結(jié)構(gòu)如圖4所示，由圖可知，定子磁鏈的幅值并未參與到閉環(huán)反饋中，所以觀測器的穩(wěn)定性相比之下就有所提高了［4］。

圖3 基于PI鎖相環(huán)定子磁鏈觀測器Fig.3 Stator flux observer based on PI PLL controller

根據(jù)小信號分析方法來證明基于PI鎖相環(huán)的定子磁鏈觀測器的穩(wěn)定性和有效性，假設(shè)觀測器已經(jīng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)，且電壓輸入擾動Δθe很小，所以sinΔθe=Δθe，cosΔθe=1。施加擾動后的觀測值用“∧”標注。由此可得圖5中的ud、uq分量為：

因此在穩(wěn)態(tài)時輸入擾動Δθe，變換式子可得：

由此分析可以得到閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程為：

由式（11）可知，影響PI鎖相環(huán)定子磁鏈觀測器的性能只與參數(shù)KP、KI有關(guān)，只要合理設(shè)置參數(shù)KP、KI就能得到預期的效果。

由此可以得到其穩(wěn)定條件為：

4 船槳數(shù)學模型

船體和螺旋槳之間有非常強的耦合關(guān)系，因此將船體與螺旋槳作為一個整體考慮。根據(jù)船舶運動原理，螺旋槳的推力和阻力矩可以通過推力系數(shù)和扭矩系數(shù)計算出來。

可用公式（11）計算螺旋槳的推力：

可用公式（12）螺旋槳的阻力矩：

上式中，Kp為螺旋槳的推力系數(shù)，Km為螺旋槳的扭矩系數(shù)，它們都可以用進速比J來表示，ρ是海水密度（kg/m3），D是螺旋槳盤面直徑（m）。n是螺旋槳槳軸轉(zhuǎn)速（rpm）。

船舶在穩(wěn)定航行狀態(tài)時，總阻力R基本上與航速Vs的平方成正比，并且可以表示為：

式中，Kr是阻力系數(shù)，Vs是船速。船速可以由公式（14）求得：

上式中m為船舶的質(zhì)量，t為推力減額系數(shù)。

5 仿真結(jié)果分析

本文仿真所用的仿真的異步電動機參數(shù)為［6］：P=50 kW、 V=380 V、Rs=0.3 Ω、Rr=0.816Ω、Ls=0.002 H、Lr=0.002 H、Lm= 0.069 H、J=0.089 kg.m^2、頻率50 Hz、極對數(shù)Pn=2，螺旋槳直徑D=0.35 m，船舶質(zhì)量M=2.6 t，阻力系數(shù)Kr=0.1，海水密度ρ=1025 kg/m3。

5.1 空間矢量調(diào)制的DTC系統(tǒng)仿真

由以上的模型可以搭建基于空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的直接轉(zhuǎn)矩控制（SVM-DTC）系統(tǒng)，其中定子磁鏈估計然采用電壓電流模型，其總體仿真模型如圖4所示。

5.2 基于PI-PLL磁鏈觀測器的SVM-DTC系統(tǒng)仿真

采用與5.1節(jié)中同樣的仿真模型，只是把圖4中的磁鏈觀測器由基本的U-I模型換成現(xiàn)在的基于PI-PLL磁鏈觀測器。

圖4 基于SVPWM的DTC系統(tǒng)模型Fig.4 Model of DTC system based on SVPWM

5.3 結(jié)果對比分析

圖5是仿真結(jié)果，基于U-I模型SVM-DTC系統(tǒng)的船舶電力推進所得到的仿真波形在上，而基于PI-PLL的SVM-DTC系統(tǒng)仿真波形在下給定電機的負載轉(zhuǎn)矩保持為100 N.M，系統(tǒng)速度給定值在時間［0 0.5 1.0］s時分別為［200 400 600］m/s。得到如圖5仿真波形：

通過對比基于U-I磁鏈估計的SVM-DTC系統(tǒng)特性曲線，由圖5的定子磁鏈曲線可知，基于PI鎖相原理的定子磁鏈觀測器所觀測的磁鏈值更接近于給定值，圓形軌跡脈動小，軌跡平滑。對比定子磁鏈幅值曲線，磁鏈觀測值的誤差范圍可以控制在1.5%以內(nèi)，所以基于PI鎖相原理的定子磁鏈觀測器能很好的估計磁鏈，跟蹤給定磁鏈值。對比轉(zhuǎn)矩響應曲線，可以看出定子磁鏈的值對電磁轉(zhuǎn)矩的影響比較明顯，磁鏈觀測值越接近實際給定值，電磁轉(zhuǎn)矩的脈動范圍越小，轉(zhuǎn)矩曲線更加平滑穩(wěn)定。兩種模型中，轉(zhuǎn)矩的響應都非?？欤@也體現(xiàn)出直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)響應快的優(yōu)勢。通過兩種磁鏈觀測模型下定子電流的曲線相比，由圖6可知，基于PI鎖相原理的SVM-DTC系統(tǒng)電流曲線的線徑更小，所以電流脈動更小。當轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定時，電流波形也能很好的保持正弦狀，相比之下畸變較小。

圖5 定子磁鏈形幅值曲線Fig.5 The breadth curve of stator flux

圖6 定子A相電流曲線Fig.6 The curve of A phase current

6 結(jié) 論

分析表明，在SVM-DTC船舶系統(tǒng)中，相對于傳統(tǒng)的U-I磁鏈估計模型，基于PI鎖相原理的磁鏈觀測精度有所提高，以致系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和電流脈動相對減小。

［1］ZHANG Zhi-feng，TANG Ren-yuan.Novel direct control based on space vecotr modulation with adaptive stator flux observer for induction motors［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2010，46（8）:3133-3136.

［2］LI Yan，TANG Zhi-xing，LI Xin-you.Research on DTC technology of ship electric propulsion based on DRNN-MRAS speed estimation［C］.The 2nd International Conference on Electronics，Communications and Control（ICECC 2012），16-18 October 2012:1208-1212.

［3］曾允文.變頻調(diào)速SVPWM技術(shù)的原理算法與應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［4］高金文，溫旭輝，陳靜薇，等.新型鎖相環(huán)定子磁鏈觀測器［J］.中國電機工程學報，2007，27（18）:140-142.

［5］李殿璞.船舶運動與建模［M］.2版.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［6］李興友.船基于SVM的船舶推進電機直接轉(zhuǎn)矩控制仿真研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇科技大學碩士學位論文，2012.

SVM-DTC system simulation study based on PI-PLL propulsion ship power

ZHANG Li-chun
（Department of Electronic and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjang 212003，China）

Stator flux observation system is not accurate question for Marine Electric Propulsion Direct Torque Control（DTC），This paper introduces technology space vector pulse width modulation （SVPWM）to reduce the current and torque ripple and fixed switching frequency.While using PI-PLL stator flux observer instead of common voltage-current model，combining direct torque control，space vector pulse width adjustment technology and oars model established based on PI-PLL Flux Observer SVM-DTC system simulation model，simulation results show that the accuracy of the stator flux observed a substantial increase in system performance has improved.

marine electric propulsion；DTC；SVPWM；PI phase-locked loop；flux observer

TN315

A

1674－6236（2016）04-0148-04

2015-04-07 稿件編號：201504047

張麗春（1990—），女，江西上饒人，碩士研究生。研究方向：船舶電力、電力電子。