電力推進(jìn)系統(tǒng)控制策略仿真

柯常國(guó)，還 芳，王 勁

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電力推進(jìn)系統(tǒng)控制策略仿真

柯常國(guó)，還 芳，王 勁

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文從交流異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，運(yùn)用Matlab/Simulink仿真軟件，以矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）為重點(diǎn)建立仿真模型，針對(duì)這兩種方式進(jìn)行仿真分析研究，并對(duì)這兩種控制方式進(jìn)行對(duì)比仿真試驗(yàn)。

電力推進(jìn) 矢量控制 直接轉(zhuǎn)矩控制

0 引言

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)、螺旋槳和變速控制系統(tǒng)三部分組成。驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)常用的有兩種：同步電動(dòng)機(jī)和鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用最為廣泛的是鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，變速控制系統(tǒng)通常采用變頻調(diào)速方式對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制[1]。

1 矢量控制仿真模型

借助于Matlab強(qiáng)大的仿真建模能力，建立一個(gè)基于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)的仿真模型。其基本思想是：將交流感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的功能單元模塊化，在Matlab/Simulink中建立獨(dú)立的功能模塊：交流異步電機(jī)模塊、矢量控制模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊、轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊等，這些功能模塊進(jìn)行有機(jī)整合，即可搭建出異步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)的仿真模型?？刂葡到y(tǒng)中，速度環(huán)采用 PI 控制，電流環(huán)采用滯環(huán)電流控制，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的控制算法，采用電流型逆變器滯環(huán)電流控制，在保證勵(lì)磁電流分量為常量的情況下，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)從理論上來(lái)說(shuō)是沒(méi)有延時(shí)的。整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

在整個(gè)控制系統(tǒng)的仿真模型中，交流異步電機(jī)模塊是最重要的部分，反映的是交流異步電機(jī)的本質(zhì)屬性。根據(jù)、0靜止坐標(biāo)系中的狀態(tài)方程式（1），選擇、、、作為狀態(tài)變量，輸入為、、0、、0，輸出為、、、、、、、、、。利用 Simulink 的擴(kuò)展工具S函數(shù)，搭建出交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型。

2 直接轉(zhuǎn)矩仿真模型

采用Matlab仿真軟件建立鼠籠型異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制數(shù)值仿真模型。其基本思想是：將交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的功能單元模塊化，在 Matlab/Simulink中建立各自獨(dú)立的功能模塊：交流異步電機(jī)模塊、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較模塊、磁鏈滯環(huán)比較模塊、轉(zhuǎn)速控制器模塊、定子磁鏈及電磁轉(zhuǎn)矩估計(jì)模塊、開(kāi)關(guān)量查找表模塊等。把這些功能模塊進(jìn)行有機(jī)整合，即可搭建出異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型。其仿真模型如圖2所示。

3 矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩仿真比較

作為當(dāng)前兩種主要的高性能交流電機(jī)變頻調(diào)速傳動(dòng)控制方式，在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，近些年來(lái)，這兩種控制方案被不斷的完善，應(yīng)用產(chǎn)品的性能日益優(yōu)化。但對(duì)兩者的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用局限性業(yè)內(nèi)有許多不同意見(jiàn)。

圖1 交流異步電機(jī)矢量控制仿真模型

圖2 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型

在某些商家的市場(chǎng)推廣宣傳中，出現(xiàn)這樣一種提法：“VVVF是變頻調(diào)速第一代技術(shù)，矢量控制是第二代技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制是第三代技術(shù)”。雖然從研發(fā)的順序看，矢量控制在1972年就被西門(mén)子公司的伯拉斯切克（F.Blaschke）提出來(lái)，直接轉(zhuǎn)矩是在1985年才由德國(guó)魯爾大學(xué)的狄普布洛克（M.Depenbrock）和日本的塔卡哈什（I.Takahashi）相繼提出，比矢量控制出現(xiàn)整整晚了十三年。不同于矢量控制，它在很大程度上解決了矢量控制中計(jì)算控制復(fù)雜、特性容易受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響的問(wèn)題，但是這并不表明直接轉(zhuǎn)矩控制比矢量控制更先進(jìn)[2-3]。

本文針對(duì)兩種控制策略對(duì)起動(dòng)、調(diào)速、負(fù)載響應(yīng)等動(dòng)靜態(tài)性能，搭建仿真模型如圖3進(jìn)行仿真比較。

圖3 比較試驗(yàn)仿真模型

3.1起動(dòng)特性

給定額定轉(zhuǎn)速，空載起動(dòng)，仿真起動(dòng)運(yùn)行特性?？疾祀姶呸D(zhuǎn)矩響應(yīng)特性以及轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性。

圖4為矢量控制（VC）以及直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子三相電流的響應(yīng)特性曲線(xiàn)。從仿真曲線(xiàn)看，兩種控制方式在響應(yīng)速度上基本上差不多，但直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)速響應(yīng)以及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)超調(diào)明顯比矢量控制的大，而且達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前振蕩也大。

圖4 起動(dòng)試驗(yàn)

3.2轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

額定轉(zhuǎn)速下對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行改變，仿真電磁轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。轉(zhuǎn)速給定*=1450 rpm，負(fù)載轉(zhuǎn)矩=50 N.m時(shí)，起動(dòng)系統(tǒng)，＝0.03 s時(shí)，改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩=100 N.m，＝0.08 s時(shí)，改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩=100 N.m，考察轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性以及轉(zhuǎn)速、定子三相電流的變化情況。

從理論分析來(lái)說(shuō)，采用直接轉(zhuǎn)矩控制的交流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比矢量控制快得多的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，直接轉(zhuǎn)矩控制直接由電機(jī)的電流、電壓計(jì)算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用砰－砰控制來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器的PWM控制，其著眼點(diǎn)是電壓控制，而矢量控制基于電流控制，把定子電流按磁場(chǎng)坐標(biāo)軸分解為轉(zhuǎn)矩分量和磁場(chǎng)分量，故其著眼點(diǎn)是電流控制，對(duì)交流電機(jī)來(lái)說(shuō)，要想獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，在磁鏈一定的情況下要求電流的快速響應(yīng)，而電流的快速響應(yīng)由電壓的響應(yīng)速度決定。矢量控制系統(tǒng)的輸出電壓是由電流調(diào)節(jié)器輸出產(chǎn)生，存在電流調(diào)節(jié)的時(shí)間滯后，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。直接轉(zhuǎn)矩控制沒(méi)有電流控制環(huán)路，砰－砰控制產(chǎn)生輸出電壓，沒(méi)有電流限制，電壓可以出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，獲得較大的d/d，產(chǎn)生較快的電流相應(yīng)，使得直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比矢量控制快3～4倍。

圖5 電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性曲線(xiàn)

從仿真情況看，圖5為矢量控制（VC）以及直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性曲線(xiàn)對(duì)比。從圖中可以看出，響應(yīng)速度差別不明顯，DTC稍快，但是振蕩明顯。從定子三相電流來(lái)看，VC電流在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)反應(yīng)強(qiáng)烈，而DTC則較為平滑。因?yàn)閂C采取了轉(zhuǎn)矩限制，而DTC采取電流限制措施，因此，相比DTC而言，VC的轉(zhuǎn)矩限制在一定范圍之內(nèi)，而起動(dòng)電流卻比DTC的大。

3.3調(diào)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下對(duì)給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行改變，仿真電磁轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定=100 N.m，*=1450 rpm起動(dòng)系統(tǒng)，＝0.04 s時(shí)，改變轉(zhuǎn)速給定*=725 rpm，＝0.07 s時(shí)，改變轉(zhuǎn)速給定*=1450 rpm，考察轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性以及電磁轉(zhuǎn)矩、定子三相電流的變化情況。圖6為矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性曲線(xiàn)對(duì)比。

圖6 調(diào)速試驗(yàn)

圖7 VC系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性曲線(xiàn)

圖8 DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性曲線(xiàn)

圖7為矢量控制(VC)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性曲線(xiàn)，圖8為直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性曲線(xiàn)。從圖中可以看出，可以看到矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)都具有良好的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能，當(dāng)給定轉(zhuǎn)速變化時(shí)電機(jī)立即以相應(yīng)的最大力矩輸出來(lái)改變實(shí)際轉(zhuǎn)速?gòu)亩@得很快的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，轉(zhuǎn)速跟蹤給定的效果很好，響應(yīng)速度差別不明顯，DTC稍快，但是振蕩明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從交流異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，運(yùn)用Matlab/Simulink仿真軟件，以矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）為重點(diǎn)建立仿真模型，針對(duì)這兩種方式進(jìn)行仿真分析研究，并對(duì)這兩種控制方式進(jìn)行對(duì)比仿真試驗(yàn)，為電力推進(jìn)系統(tǒng)工程化技術(shù)研究打下理論基礎(chǔ)。對(duì)矢量控制系統(tǒng)的進(jìn)一步研究工作主要是提高其控制的魯棒性。對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究工作集中在提高其低速性能上。無(wú)速度傳感器控制是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)共同的課題。無(wú)速度傳感器控制是交流電機(jī)調(diào)速控制的重要課題，也是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界及變頻器廠家的研究熱點(diǎn)。

[1] 陳伯時(shí)主編. 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003

[2] 王成元, 夏加寬. 電機(jī)現(xiàn)代控制技術(shù)[M] . 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006

[3] 唐浦華. 基于定子磁鏈定向的直接轉(zhuǎn)矩控制. 電氣傳動(dòng)自動(dòng)化, 2000, 22(4).

Simulation of Control Strategy of Electric Propulsion System

Ke Changguo, Huan Fang, Wang Jin

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC, Wuhan 430064, China）

Based on a mathematic model of asynchronous motor, using Matlab/Simulink simulation software, simulation model is set up on the emphases of VC and DTC, and the simulation is carried out to contrast VC with DTC.

electric propulsion; vector control(VC); direct torque control(DTC)

TM343 TP391.9

A

1003-4862（2016）04-0015-04

2015-10-16

柯常國(guó)（1976-），男，高級(jí)工程師，從事方向：船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真。