吊艙式推進(jìn)器中的伺服電機(jī)控制

苗壯++武俊峰++王顯博

摘要：吊艙式推進(jìn)器是二十一世紀(jì)后研發(fā)出來的新型推進(jìn)裝置，既能減輕載荷又可以提高艦船總體性能。本文主要研究推進(jìn)器中的永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制問題，結(jié)合SVPWM空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)和模糊PI原理設(shè)計(jì)的控制器，在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的穩(wěn)定性方面有很大提升。SVPWM原理能明顯減小逆變器輸出電流的諧波成分及電機(jī)的諧波損耗，降低脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且其控制簡單，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便，電壓利用率高。模糊控制器可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性，特別適用于非線性、時(shí)變的系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：模糊PI控制；SVPWM原理；永磁同步電機(jī)

DOI：10.15938/j.jhust.2015.03.010

中圖分類號(hào)：TP273+.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2683 （2015）03-0051- 05

O 引 言

國外對吊艙式推進(jìn)器技術(shù)的研究起步較早、較深入，在大多數(shù)國家的軍隊(duì)尤其是海軍中對這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)投入了大量人力和財(cái)力的研究，并在推進(jìn)效率、噪聲消除、操作性能等方面有很大進(jìn)步，在海軍艦艇中的應(yīng)用極其廣泛.

永磁同步電動(dòng)機(jī)與感應(yīng)式異步電機(jī)相比不需要無功勵(lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，減小定子電流和電阻損耗，效率比同規(guī)格的異步電動(dòng)機(jī)提高了2% -8%.而且永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率一般在25%- 120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)的節(jié)能效果更為顯著.因此本文將永磁同步電機(jī)代替異步電動(dòng)機(jī)作為推進(jìn)器的動(dòng)力機(jī)，

要想使推進(jìn)器獲得更好的性能應(yīng)主要從兩方面下手：先進(jìn)變頻技術(shù)和合適的控制方式.與傳統(tǒng)的變頻控制相比矢量控制可以明顯減小逆變器輸出電流的諧波成分及電機(jī)的諧波損耗，降低脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并且其控制簡單，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便，電壓利用率高.SVP-WM矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上模擬直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)律，磁場定向坐標(biāo)通過矢量變換，將三相交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使這兩個(gè)分量相互垂直，彼此獨(dú)立，然后分別調(diào)節(jié)，以獲得像直流電動(dòng)機(jī)一樣良好的動(dòng)態(tài)特性.因此矢量控制的關(guān)鍵在于對定子電流幅值和空間位置（頻率和相位）的控制，矢量控制的目的是改善轉(zhuǎn)矩控制性能，最終的實(shí)施是對id，iq的控制.由于定子側(cè)的物理量都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算都不方便.需借助復(fù)雜的坐標(biāo)變換進(jìn)行矢量控制.

本文通過Simulink搭建SVPWM變流模塊和模糊PI控制器的，對永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行仿真，驗(yàn)證該方式的控制效果.

1 電機(jī)數(shù)學(xué)模型及SVPWM技術(shù)

1.1 電機(jī)模型

電機(jī)定子的電壓方程式：

其中： 為三相繞組相電壓； 為每相繞組電阻； 為三相繞組相電流； 為三相繞組的磁通； 為微分算子.

1.2

SVPWM原理

SVPWM實(shí)際上是對三相電壓源逆變器功率器件的一種特殊的開關(guān)觸發(fā)方式的組合，這種開關(guān)觸發(fā)順序組合將在電機(jī)定子線圈中產(chǎn)生相差為120。的波形失真較小的正弦波電流.

圖1中 是6個(gè)功率開關(guān)，a、b、c代表3個(gè)橋臂的開關(guān)狀態(tài)，規(guī)定當(dāng)上橋臂為“開”狀態(tài)時(shí)，開關(guān)狀態(tài)為1；當(dāng)下橋臂為“開”狀態(tài)時(shí)，開關(guān)狀態(tài)為0.這6個(gè)開關(guān)器件組合起來共有000、001、010、011、100、101、110、111，8種的開關(guān)狀態(tài).其中000、111這兩種開關(guān)狀態(tài)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中都不會(huì)產(chǎn)生有效的電流.因此稱其為零矢量，

另外6種開關(guān)狀態(tài)分別是6個(gè)有效矢量.它們將3600的電壓空間分為6個(gè)扇區(qū)，每扇區(qū)600，如圖2所示.利用這6個(gè)基本有效矢量，可以合成3600內(nèi)的任何矢量.

當(dāng)要合成某一矢量時(shí)先將這一矢量分解到離它最近的兩個(gè)基本矢量，用這兩個(gè)基本矢量去表示，如圖3所示，而每個(gè)基本矢量的作用大小就利用作用時(shí)間 和 去代表，計(jì)算公式如下，用基本電壓矢量按照不同的時(shí)間比例去合成所需要的電壓矢量，從而保證生成電壓波形近似于正弦波，

圖中 和 代表兩個(gè)相鄰的基本電壓空間矢量， 是輸出的參考相電壓矢量，其幅值代表相電壓的幅值，其旋轉(zhuǎn)角速度是輸出正弦電壓的角頻率，通過坐標(biāo)分解，用兩個(gè)基礎(chǔ)向量的矢量和表示. 的作用時(shí)間.

為了知道用哪兩個(gè)基礎(chǔ)矢量來分解 就必須先知道該矢量位于第幾扇區(qū)，值，Xu為控制量論域的幅值.n為偏差變量模糊子集最大值，m為偏差變化率變量模糊子集最大值，l為控制量模糊子集最大值.

為中間變量，按照上述公式計(jì)算出 .將 分解到 坐標(biāo)系中得到 和 設(shè)扇區(qū)變量為SEC.

當(dāng) 時(shí)a=l，否則a=0；

當(dāng) 時(shí)b=l，否則b=0；

當(dāng) 時(shí)c=l，否則c=0；

計(jì)算扇區(qū)公式為：SEC=a+2b +4c共有8種組合方式，但由于a，b，c不能同時(shí)為1或0，所以只有6種組合.

2 模糊PI控制原理

模糊控制系統(tǒng)通常由模糊控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象和檢測裝置等部分組成，如圖4所示，

圖4模糊邏輯控制系統(tǒng)原理圖

模糊自適應(yīng)PI控制器是建立在PI控制基礎(chǔ)上的，控制器的輸入量是系統(tǒng)偏差E，經(jīng)過模糊規(guī)則分析推理，查詢模糊矩陣表來調(diào)整參數(shù)從而提高提高系統(tǒng)綜合性能.

模糊PI控制器的設(shè)計(jì)通常按以下步驟進(jìn)行：

1）確定輸入輸出變量

由結(jié)構(gòu)圖易知此系統(tǒng)為一個(gè)多輸人多輸出的系統(tǒng)，輸入變量為偏差E和偏差變化率EC，輸出為PI控制器的比例系數(shù)Kp和積分Ki，這類控制器的一般形式為：

在此系統(tǒng)中X1為偏差量E、X2為偏差變化率EC，模糊推理的輸出信號(hào) 為控制器的Kp和Ki參數(shù).

2）量化因子和比例因子的確定

計(jì)算公式為：

其中：XE為偏差論域幅值，Xc為偏差變換率論域幅

圖5模糊自適應(yīng)PI控制器結(jié)構(gòu)圖

在本文中的PMSM矢量控制系統(tǒng)中：

3）輸入輸出變量的模糊化處理

偏差量E的量化論域?yàn)镋=[-50，50]，語言值集合為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}.偏差變化率EC的量化論域?yàn)閇-2e +005，2e +005]，論域的語言集合為 .

設(shè) 的基礎(chǔ)論域?yàn)?，論域上的語言集合為 .設(shè)K，的基礎(chǔ)論域?yàn)閧1，3.5，6}，語言集合為 .

為了節(jié)省CPU的運(yùn)算時(shí)間，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，節(jié)省系統(tǒng)存儲(chǔ)空間的開銷，通常離線進(jìn)行模糊矩陣計(jì)算和輸出U的計(jì)算.因此將實(shí)際的Ki和Kp控制策略歸納為控制規(guī)則表.

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其仿真

通過電流傳感器測量逆變器輸出的定子電流，經(jīng)過坐標(biāo)變換將三相電流轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流分量id、iq，并將其作為電流環(huán)的負(fù)反饋送與給定量進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差.將檢測到的電機(jī)實(shí)際速度作為速度環(huán)的負(fù)反饋量，并與給定速度進(jìn)行比對產(chǎn)生速度的偏差.速度偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器，輸出用于轉(zhuǎn)矩控制的電流的q軸參考分量 和 ，（等于零）與電流反饋量 的偏差進(jìn)過電流PI調(diào)節(jié)器，分別送出dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的定子相電壓矢量的分量Vd、vq，在通過Park逆變換轉(zhuǎn)換成 坐標(biāo)系的定子相電壓矢量 .

其中：PMSM的額定轉(zhuǎn)矩為0.8 N.m，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，最大母線電壓300 V.給定設(shè)置為200，仿真時(shí)間0.06 s，仿真結(jié)果見下圖.

由圖10轉(zhuǎn)速曲線計(jì)算得出，系統(tǒng)的超調(diào)量為0.5%，調(diào)整時(shí)間0.004 s，穩(wěn)態(tài)誤差與震蕩都很小.滿足推進(jìn)器的控制要求.

為了檢測系統(tǒng)在變速運(yùn)行時(shí)效果，給定一個(gè)幅值為200 rad/s，頻率為50 Hz的信號(hào)，仿真結(jié)果11、12、13圖.

如圖11所示，驗(yàn)證設(shè)定值連續(xù)高頻變化時(shí)的響應(yīng)效果.表明在即使受到一定干擾也能夠?qū)﹄姍C(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確控制.

除了電機(jī)轉(zhuǎn)速之外，如圖12和圖13所示，列出了電機(jī)轉(zhuǎn)矩和三相電流的波形曲線.從其它角度再次驗(yàn)證了控制方式的魯棒性.

4 結(jié) 論

綜合上述分析，可以得出結(jié)論：應(yīng)用了模糊PI算法與SVPWM技術(shù)的控制系統(tǒng)，使得永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)速能夠快速的達(dá)到預(yù)定速度且系統(tǒng)超調(diào)及穩(wěn)態(tài)誤差都非常小，達(dá)到了非常高的控制精度.