船舶電力推進直接轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速復合控制

張桂臣，馬捷

(上海交通大學 海洋工程國家實驗室，上海 200030)

綜合全電力推進(IFEP)是現(xiàn)代船舶電力推進研究方向之一［1］，IFEP系統(tǒng)在海洋工程船、客船、特種用途船等船上的廣泛應(yīng)用一直是研究的熱點［2］.推進電機是IFEP的核心設(shè)備與研究重點之一［3-5］，并且其控制技術(shù)是船舶電力推進的關(guān)鍵技術(shù)［6-7］.目前，船舶電力推進領(lǐng)域的理論研究、實驗研究與仿真驗證都非常重視并取得較多研究成果［3-10］.然而，IFEP為MIMO非線性復雜系統(tǒng)，推進電機與螺旋槳之間相互影響嚴重且難以精確地描述［11］.文獻［6-9］用兩臺異步電動機對拖試驗模擬船舶電力推進的功能，其主要控制目標為推進電機的轉(zhuǎn)速，但其控制策略中沒有利用螺旋槳的動態(tài)性能.頻繁操縱推進電機時，尤其是遭遇惡劣海況情況下，這將導致推進系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率的嚴重振蕩.

本課題采用SIEMENS最新技術(shù)SIMOTION，由統(tǒng)一的工程開發(fā)軟件SCOUT和多種硬件平臺SINAMICS，建立全新的船舶電力推進Siemens-Schottel-Propulsion(SSP)半實物仿真系統(tǒng).重點分析電力推進的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與功率動態(tài)特性，并應(yīng)用于推進電機直接轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的復合控制，獲得精確和平滑的功率與轉(zhuǎn)矩控制，最小的轉(zhuǎn)速脈動，意味著更少的機械磨損、導致更低的維護成本.

1 SIMOTION船舶電力推進系統(tǒng)設(shè)計

SIEMENS SIMOTION控制系統(tǒng)及異步電動機組成吊艙式SSP電力推進半實物仿真系統(tǒng)［12］，如圖1所示，該系統(tǒng)能實現(xiàn)船舶電力推進的運動控制、邏輯和運算功能，提供測試和驗證平臺.在SIMOTION電力推進系統(tǒng)仿真平臺上可進行推進電機操縱及其復合控制試驗.

圖1中的主要部件如下:

1)SCOUT是電力推進控制系統(tǒng)的軟件平臺，提供統(tǒng)一的功能導向的自動化控制及其編程.

2)WinCC Flexible是創(chuàng)建和編輯SSP操作界面HMI的工程軟件.

3)SITOP:24VDC電源模塊.

4)D425:電力推進系統(tǒng)的運動控制核心(CPU).

5)SINAMICS雙軸電機模塊VECTOR:一個軸驅(qū)動吊艙推進電機，實現(xiàn)復合控制;另一個軸驅(qū)動回轉(zhuǎn)電機，進行定位控制.

6)SINAMICS單軸電機模塊VECTOR:控制與推進電機對拖的負載電動機，模擬螺旋槳，它采用的是轉(zhuǎn)矩控制.

7)模塊SMC10處理編碼器信號，將SSP的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、位置值經(jīng)DRIVE-CliQ實時傳給控制單元.

8)電抗器與電源濾波器消除諧波干擾.

9)推進器由SSP、回轉(zhuǎn)電機、推進電機和負載電機組成.

圖1 SIMOTION船舶電力推進仿真系統(tǒng)Fig.1 Simulation of the marine electric propulsion system based on SIMOTION

2 船舶電力推進系統(tǒng)的動態(tài)特性

SSP的推進電機由SINAMICS電機模塊驅(qū)動，推進電機的轉(zhuǎn)子軸直接驅(qū)動螺旋槳.由螺旋槳的推力Fp、轉(zhuǎn)矩Tp和功率Pp表達式［11］，得出SSP轉(zhuǎn)速:

式中:n1、n2和n3為SSP轉(zhuǎn)速的不同表達形式.海水密度ρ=1 025 kg/m3，KT、KF分別是無因次的轉(zhuǎn)矩系數(shù)、推力系數(shù)，D是螺旋槳直徑.

由式(1)～(3)得推進電機復合控制轉(zhuǎn)速為

式(4)復合轉(zhuǎn)速Σ n包含了SSP的推進特性.

由式(1)、(2)得

由式(2)、(3)得

由式(1)～(3)得

于是，由式(5)、(7)得SSP的復合推力

由式(2)、(6)得SSP的復合轉(zhuǎn)矩

SSP的動態(tài)平衡式為

式中:Is為SSP的轉(zhuǎn)動慣量，Tm是推進電機轉(zhuǎn)矩，Ts是SSP的靜態(tài)摩擦轉(zhuǎn)矩，ω=2πnm和nm分別是推進電機的角速度和轉(zhuǎn)速，kω是線性摩擦系數(shù)，τm是推進電機時間常數(shù).Tsp為推進電機的轉(zhuǎn)矩指令，SIMOTION電力推進采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)，不需速度和相位角編碼器，可降低維護成本和確保高的可靠性.

Σ n、Σ F、Σ Tp的仿真結(jié)果如圖2、3所示:

圖2 n1、n2和n3的仿真結(jié)果Fig.2 The simulation result of n1，n2and n3

圖3 復合算法仿真結(jié)果Fig.3 The simulation result of the hybrid algorithm

圖2、3中的參數(shù)全部刻度化為無量綱的標準值，這樣處理方便，可在同一坐標下表示多個變量，便于比較分析不同算式之間的結(jié)果.參數(shù) KF= 0.393、ρ=1.025、D=4、KT=0.0655.圖2中的Fp、Tp和Pp由式(1)～(3)分別對應(yīng)于n1、n2和n3，n1、n2和n3之間為局部線性關(guān)系，不同范圍段的增益是變化的，表明推進動力Fp、Tp和Pp對Σ n的影響程度不同.圖3中，F(xiàn)p和 Pp、F1和 F2、Tp1和Tp2、Σ F和Σ Tp隨Σ n的變化關(guān)系，具有非線性特性.

3 推進電機的復合控制

SSP推進電機速度反饋控制算法為

式中:kp和ki是PI的增益系數(shù).其中，e=［nset(t+ 1)－Σ n(t+1)］－［nset(t)－Σ n(t)］，nset為推進電機的設(shè)定轉(zhuǎn)速.

由式(5)、(8)得推進電機的轉(zhuǎn)矩前饋控制算法為

由SSP的推力Fp、轉(zhuǎn)矩Tp和功率Pp表達式［11］可得推進電機的功率前饋控制算法為

則

式中:Tm1、Tm2和Tm3分別對應(yīng)推進電機的速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和功率控制的指令轉(zhuǎn)矩，Pm是推進電機功率.

綜合推進電機的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩-功率控制策略，由式(13)、(14)和(16)得

式中:Σ Tc為復合控制指令，權(quán)重函數(shù)α(Σ n)為

式中:k、λ和γ為大于0的常數(shù)，且滿足以下條件

α(Σ n)仿真結(jié)果如圖4所示.

圖4 α(Σ n)的仿真結(jié)果Fig.4 The simulation result of α(Σ n)

圖4中，參數(shù)k、λ和γ的不同取值，權(quán)重函數(shù)α(Σ n)曲線的形狀一致.k越大，權(quán)重函數(shù)曲線基寬變窄;λ越大，權(quán)重函數(shù)曲線越瘦，基寬變小，峰頂變尖，則選擇性好;γ越大，權(quán)重函數(shù)曲線越胖，基寬變小，峰部平坦，則穩(wěn)定性好.

4 結(jié)果分析

建立圖1所示的基于SIMOTION船舶電力推進模擬系統(tǒng)，推進電機和模擬螺旋槳電機均為三相異步電動機，可處于電動狀態(tài)，也可處于再生發(fā)電狀態(tài)，且都工作在穩(wěn)定區(qū)域.電機全負荷運行時，在線檢測結(jié)果如圖5所示.

圖5 電機在線參數(shù)檢測Fig.5 Motor parameter on-line detecting

分別以速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和功率控制的試驗結(jié)果如圖6～8所示.

圖6為推進電機轉(zhuǎn)速控制結(jié)果，圖6(b)所示的轉(zhuǎn)矩大幅度波動;圖7為推進電機轉(zhuǎn)矩控制結(jié)果，圖7(a)所示的轉(zhuǎn)速波動幅度較小;圖8為推進電機功率控制結(jié)果，圖8(a)和圖8(b)所示的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動幅度最小.顯然，轉(zhuǎn)矩控制和功率控制的效果要比轉(zhuǎn)速控制的效果好，而功率控制的效果最好.

圖6～8表明，采用功率控制策略時，由于推進電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的乘積決定了其功率大小，根據(jù)推進負荷和海況，同時控制推進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，保持功率穩(wěn)定，可獲得最佳的控制效果，圖8所示，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩變動平滑，脈動最小.功率變化時，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可都增大、都減小或一個增大而另一個減小，兩者變動的幅度也不同.因此，基于SIMOTION的船舶電力推進直接轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速復合控制的策略是理想的、靈活的.

圖6 速度控制試驗結(jié)果Fig.6 The test result of speed control

圖7 轉(zhuǎn)矩控制試驗結(jié)果Fig.7 The test result of torque control

圖8 功率控制試驗結(jié)果Fig.8 The test result of power control

5 結(jié)束語

在分析船舶電力推進SSP動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，提出了推進電機直接轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的復合控制算法，利用SIEMENS最新技術(shù)SIMOTION，建立了電力推進SSP模擬系統(tǒng).進行了船舶電力推進的速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和功率控制的試驗研究，并對這3種控制策略進行了比較分析，得出了功率控制最好的結(jié)果.下一步工作將在SIMOTION船舶電力推進模擬試驗臺上，進行摩擦轉(zhuǎn)矩與慣性矩預測估計，應(yīng)用于復合控制的前饋補償研究，進一步提高船舶電力推進的魯棒性能.

［1］APSLEY J M，GONZALEZ-VILLASENOR A，BARNES M，SMITH A C.Propulsion drive models for full electric marine propulsion systems［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2009，45(2):676-684.

［2］ERICSEN T，HINGORANI N，KHERSONSKY Y.Power electronics and future marine electrical system［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2006，42(1):155-163.

［3］王步來，顧偉，褚建新.船舶電力推進用雙三相永磁同步電動機建模［J］.哈爾濱工程大學學報，2009，30(4): 347-352.

WANG Bulai，GU Wei，CHU Jianxin.Modeling a dual three-phase permanent magnet synchronous motor for electrical propulsion of ships［J］.Journal of Harbin Engineering University，2009，30(4):347-352.

［4］張敬南.船舶電力推進六相同步電動機控制系統(tǒng)研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2009:1-112.

ZHANG Jingnan.Six-phase synchronism motor control system for the ship electric propulsion［D］.Harbin:Harbin Engineering University，2009:1-112.

［5］陶果.新型橫向磁場永磁電力推進電動機的研究［D］.北京:清華大學，2007:1-81.

TAO Guo.Studies on novel transverse flux permanent magnetic propulsion motor［D］.Beijing:Tsinghua University，2008:1-81.

［6］薛士龍.船舶電力推進仿真裝置及其關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.上海:上海海事大學，2006:9-96.

XUE Shilong.Marine electric propulsion simulator and its research on key technologies［D］.Shanghai:Shanghai Maritime University，2006:9-96.

［7］高海波.船舶電力推進系統(tǒng)的建模與仿真［D］.武漢:武漢理工大學，2008:1-180.

GAO Haibo.Modeling and simulation for marine electrical propulsion system［D］.Wuhan:Wuhan University of Technology，2008:1-180.

［8］刁利軍，沈茂盛，林文立.電力推進負載模擬系統(tǒng)原理分析和實現(xiàn)［J］.電工技術(shù)學報，2009，24(7):70-75.

DIAO Lijun，SHEN Maosheng，LIN Wenli.Principle analysis and realization of electric propulsion load simulation system［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24(7):70-75.

［9］賀慧英，沈建清.艦船電力推進負載試驗技術(shù)研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2009，30(4):383-389.

HE Huiying，SHEN Jianqing.Experimental techniques for marine electrical propulsion［J］.Journal of Harbin Engineering University，2009，30(4):383-389.

［10］趙敏.基于混沌理論的電力推進船舶電力負荷預測［D］.大連:大連海事大學，2008:1-99.

ZHAO Min.Electric propulsion ship load foercasting based on chaos theory［D］.Dalian:Dalian Maritime University，2008:1-99.

［11］SORENSEN A J，SMOGELI O N.Torque and power control of electrically driven marine propellers［J］.Control Engineering Practice，2009，17(9):1053-1064.

［12］張桂臣.復合誤差模型自適應(yīng)船舶控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究［D］.大連:大連海事大學，2009:147-159.

ZHANG Guichen.The study and application of hybrid error adaptive model for ship control systems［D］.Dalian: Dalian Maritime University，2009:147-159.