船舶電力推進永磁同步電機SVM-DTC控制系統(tǒng)優(yōu)化

李云鵬，趙宏革，李世霖，孫軍浩，馮 楊

（大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116000）

船舶電力推進永磁同步電機SVM-DTC控制系統(tǒng)優(yōu)化

李云鵬，趙宏革，李世霖，孫軍浩，馮 楊

（大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116000）

針對船舶電力推進永磁同步電機（PMSM）直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)存在較大轉(zhuǎn)矩脈動問題，論文提出了一種基于雙PI的空間矢量調(diào)制(SVM-DTC)直接轉(zhuǎn)矩控制新策略。該控制策略通過空間矢量調(diào)制合成電壓矢量，代替?zhèn)鹘y(tǒng)開關表與滯環(huán)比較器，采用兩個PI調(diào)節(jié)器分別對電壓矢量角度與幅值進行控制，在保持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的基礎上，顯著地減小轉(zhuǎn)矩脈動，具有較強的魯棒性，改善了船舶電力推進系統(tǒng)中永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)性能與動態(tài)性能，優(yōu)化效果明顯。仿真結(jié)果證實了該控制策略的有效性。

船舶電力推進 直接轉(zhuǎn)矩控制 空間矢量調(diào)制 PI調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)矩脈動

0 引言

直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，簡稱DTC)是 20世紀 80年代 Takahashi、Noguchi和Depenbrock[1, 2]提出的高性能交流電機控制策略，采用定子磁鏈定向和空間矢量概念，通過檢測定子電壓、電流、直接在定子坐標系下觀測電機的磁鏈、轉(zhuǎn)矩、并將此觀測值與給定磁鏈、轉(zhuǎn)矩相比較差值經(jīng)滯環(huán)控制器得到應控制信號，再綜合當前磁鏈狀態(tài)來選擇相應電壓空間矢量，實施直接對電機轉(zhuǎn)矩的控制。由于擁有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應快、對電機參數(shù)魯棒性強等優(yōu)點，DTC在交流電機傳動領域流行起來。但由于直接轉(zhuǎn)矩控制技術采用定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩的bang-bang控制，必然導致電機在運行中存在轉(zhuǎn)矩脈動，尤其在大容量大轉(zhuǎn)動慣量系統(tǒng)中運行時，轉(zhuǎn)矩脈動更為明顯，這限制了直接轉(zhuǎn)矩控制在船舶電力推進系統(tǒng)中的運用[3]。對此，國內(nèi)外學者提出了許多改進方法，例如：文獻[4]、[5]通過從開關表中獲取有效電壓矢量的占空比來改變電壓矢量長度，該策略能夠顯著減小轉(zhuǎn)矩脈動，但獲取占空比的計算過于復雜且高度依賴電機參數(shù)，失去了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制魯棒性強的優(yōu)點。文獻[6]、[7]各自提出了基于空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制的不同策略，其理論上能產(chǎn)生無限個連續(xù)的電壓矢量，有效減小轉(zhuǎn)矩脈動，控制結(jié)構(gòu)與矢量控制相似，但以上策略在通過空間矢量調(diào)制技術合成期望的電壓矢量之前需要進行旋轉(zhuǎn)坐標變換，這大大增加了系統(tǒng)的復雜程度。文獻[8]、[9]在三電平逆變器的基礎上改用五級滯環(huán)比較器，構(gòu)造更為精細的開關表，在一定程度上減小了轉(zhuǎn)矩脈動，但其開關表過于復雜。文獻[10]、[11]引入模糊控制的方法，對磁鏈的空間位置、轉(zhuǎn)矩和磁鏈差值進行模糊分級，優(yōu)化電壓矢量的選擇，但該策略在大容量、大轉(zhuǎn)動慣量系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩脈動優(yōu)化效果不佳。為此，本文提出了一種新策略，對船舶電力推進永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進行優(yōu)化分析。

1 傳統(tǒng)DTC電壓矢量選擇策略

如圖1所示，在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中，如果定子磁鏈矢量位于某個區(qū)域內(nèi)，幾個固定的電壓矢量（V1,V2,V3,V4,V5,V6,V7（V0））中的一個會被選擇，這取決于磁鏈與轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的輸出。由于電壓矢量有限，傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制策略并不能精確地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩與磁鏈，由此帶來轉(zhuǎn)矩脈動過大的負面效果。

圖1 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制電壓矢量選擇方案

2 SVM-DTC電壓矢量選擇策略

相對于傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制只能選擇有限個不連續(xù)的電壓空間矢量，基于空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制（SVM-DTC）可以合成任意個電壓空間矢量，實現(xiàn)電壓矢量平穩(wěn)切換，有效減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動[12]。

參考電壓與磁鏈位置關系如圖2所示，其中Ψs、Ψr分別為定子和轉(zhuǎn)子磁鏈；Ψsref為定子磁鏈的參考值，在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中為定子磁鏈給定值；δ為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈夾角，即轉(zhuǎn)矩角；θs、θr分別為定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈與 α軸夾角；ΔΨ、Δδ分別為參考電壓作用ΔT時間后的定子磁鏈的增量和轉(zhuǎn)矩角的增量；usref為參考電壓?？臻g電壓矢量調(diào)制模塊利用計算出的參考電壓值，判斷出參考電壓矢量所在扇區(qū)，由參考電壓所在扇區(qū)相鄰的兩個有效電壓空間矢量和零電壓矢量合成新的電壓空間矢量，替換傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中的電壓矢量開關表。圖3所示為SVM-DTC系統(tǒng)框圖。

圖2 參考電壓與磁鏈的空間位置關系

圖3 SVM-DTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 雙PI SVM-DTC優(yōu)化控制策略

在SVM-DTC系統(tǒng)基礎上，本文提出了一種改進策略，雙PI SVM-DTC系統(tǒng)框圖如圖4所示，系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器、電壓矢量角度PI調(diào)節(jié)器、電壓矢量幅值PI調(diào)節(jié)器、磁鏈和轉(zhuǎn)矩估算、參考電壓計算、空間電壓矢量調(diào)制和逆變器模塊構(gòu)成。電機的電磁轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈值和角度通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計算模塊計算出；由轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器得出電機的給定轉(zhuǎn)矩Te*，轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器計算出電機負載角的增量 Δδ，并通過電壓矢量角度 PI調(diào)節(jié)器生成φ、電壓矢量幅值PI調(diào)節(jié)器生成m；然后經(jīng)過空間電壓矢量調(diào)制模塊的出對應的逆變器開關信號，控制電機運行。

3.1 電壓矢量角度確定

假設定子磁鏈角已知，在圖5所示位置。若要磁鏈和轉(zhuǎn)矩同時增大，應選擇位于區(qū)域 [Ⅰθ +10°，θ +80°]范圍內(nèi)的候選電壓矢量。為了避免磁鏈或轉(zhuǎn)矩的突然變化，[θ，θ +10°)和(θ +80°，θ +90°]范圍內(nèi)的區(qū)域不被考慮[13]。當轉(zhuǎn)矩誤差大時，應選擇θ +80°附近的電壓矢量；當轉(zhuǎn)矩誤差小時，應選擇θ +10°附近的電壓矢量。若要磁鏈減小，轉(zhuǎn)矩增加，則應選擇區(qū)域 Ⅱ[θ +100°，θ+170°]范圍內(nèi)的候選電壓矢量。當轉(zhuǎn)矩誤差大時，應選擇θ +100°附近的電壓矢量；當轉(zhuǎn)矩誤差小時，應選擇θ +170°附近的電壓矢量。位于Ⅲ，Ⅳ區(qū)域候選電壓矢量的選擇以此類推。由此，相對于定子磁鏈位置的電壓矢量角度增量可表示為：

圖4 雙PI SVM-DTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5雙PI SVM-DTC電壓矢量選擇方案

這里kp1ki1、εT、εΨ和Δφ分別表示比例系數(shù)、積分系數(shù)、轉(zhuǎn)矩誤差、定子磁鏈誤差和電壓矢量角度PI調(diào)節(jié)器輸出值。對Δφ限幅后應使其滿足|Δφ|[10°∈ ，80°]。電機剛啟動時，為了加快建立定子磁鏈，在定子磁鏈首次不小于給定磁鏈之前，重新 Δφ對進行限幅，滿足|Δφ|[10°∈ ，60°]；待定子磁鏈建立完成后恢復|Δφ|[10°∈ ，80°]。

最終，電壓矢量角度可表示成：

3.2 電壓矢量幅值確定

電壓矢量角度與幅值都能夠?qū)D(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，本文采用電壓矢量幅值PI調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)電壓矢量幅值，計算中為了確保電壓矢量為非負值，對電壓矢量幅值PI調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果加絕對值，即

在分別獲取了電壓矢量角度與幅值后，極坐標下電壓矢量最終表示為：

3.3 轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈估算

在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩脈動與定子磁鏈脈動是衡量直接轉(zhuǎn)矩控制策略性能優(yōu)劣的兩個主要指標，在應用于船舶電力推進直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩脈動顯得尤為重要，本文采用 u-i模型估算電機的定子磁鏈值，其在α-β坐標系下可表示為：

這里iα，iβ，uα，uβ分別為定子電流和定子電壓在α、β軸上的分量；Rs為定子電阻；Ψsα，Ψsβ分別為定子磁鏈在α、β軸上的分量。

兩相靜止坐標系下，永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩方程為：

上式中 iα、iβ分別為兩相坐標系下的定子電流，np為極對數(shù)。

轉(zhuǎn)矩脈動與定子磁鏈脈動估算式為：

這里 Tref、Te、Ψs、Ψsref分別表示電機處于某種狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩估算值、轉(zhuǎn)矩參考值、定子磁鏈估算值和定子磁鏈參考值。

4 仿真驗證

本文所提出雙PI SVM-DTC優(yōu)化控制策略將在Matlab/Simulink環(huán)境下進行對比驗證。為了方便，傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩策略、基于空間電壓矢量直接轉(zhuǎn)矩控制策略和雙 PI直接轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略將分別用“傳統(tǒng)DTC”、“SVM-DTC”和“SVM-DTC1”表示。

仿真所用永磁同步電機和系統(tǒng)參數(shù)如下：極對數(shù)為8，額定功率4.088 MW，額定電壓660 V，定子電阻0.001502 Ω，定子電感為0.0004767 H，轉(zhuǎn)動慣量1200 kg?m2，給定定子磁鏈幅值3.6Wb，直流母線電壓931 V，額定轉(zhuǎn)速為150 r/min。

圖6、圖7所示為電機運行于額定轉(zhuǎn)速時三種控制策略的定子磁鏈波形與電磁轉(zhuǎn)矩波形圖。

圖6恒轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩下傳統(tǒng) DTC、SVM-DTC、SVM-DTC1定子磁鏈波形

圖7 傳統(tǒng) DTC、SVM-DTC、SVM-DTC1在額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩波形

從圖5、圖6可以看出，電機額定轉(zhuǎn)速運行時，SVM-DTC和SVM-DTC1的轉(zhuǎn)矩脈動和定子磁鏈脈動與傳統(tǒng) DTC相比都大幅的減小，SVM-DTC1具有最小的轉(zhuǎn)矩脈動。雖然三種方案中，SVM-DTC擁有最小的定子磁鏈脈動，但在使用直接轉(zhuǎn)矩控制技術的電力傳動系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩脈動減小更為重要，因此在三種直接轉(zhuǎn)矩控制方案中，本文提出的方案具有最優(yōu)的穩(wěn)態(tài)性能。

圖8 恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩下SVM-DTC1的轉(zhuǎn)矩波形

圖8為恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩下SVM-DTC1的轉(zhuǎn)矩波形。仿真時間為7 s，轉(zhuǎn)速給定值為150 r/min，仿真起始時，電機帶2×104Nm的負載轉(zhuǎn)矩啟動，在2.0 s時，將負載轉(zhuǎn)矩突增至3×104Nm，在4.0 s時，將負載轉(zhuǎn)矩突減至2×104Nm。由此可見，新的優(yōu)化控制策略在恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩工況下可以得到應用。

圖9為電力推進直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速下SVM-DTC1的轉(zhuǎn)速波形，轉(zhuǎn)速按照船舶車鐘設定，即 Start（起動）→Half（半速前進，75 r/min）→Full（全速前進，150 r/min）→半速前進（Half）模擬船舶運動[15]。圖10為對應轉(zhuǎn)矩波形圖，負載轉(zhuǎn)矩給定值為2×104Nm。推進電機在0 s時啟動（Start），電磁轉(zhuǎn)矩突增，啟動時車鐘推到半速（Half），經(jīng)過0.5 s，電機啟動完畢，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在75 r/min，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在2×104Nm；車鐘在3 s推至全速前進（Full），3.5 s時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在150 r/min，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在2×104Nm；在5 s車鐘推至半速前進（Half），轉(zhuǎn)矩突降，減速過程中轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在1×104Nm，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在75 r/min時，轉(zhuǎn)矩突增并穩(wěn)定在2×104Nm。由此可見，本文提出的雙PI SVM-DTC策略在于電力推進系統(tǒng)變速航行工況中依然可以得到應用，系統(tǒng)動態(tài)性能得到了優(yōu)化。

圖9 恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速下SVM-DTC1的轉(zhuǎn)速波形

圖10 恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速下SVM-DTC1的轉(zhuǎn)矩波形

5 結(jié)語

理論分析及仿真實驗表明，雙PI SVM-DTC優(yōu)化控制策略可以應用在永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，且具有有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動的調(diào)節(jié)作用，改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)響應性能。特別在具有大容量和大轉(zhuǎn)動慣量的船舶電力推進系統(tǒng)中，雙PI SVM-DTC優(yōu)化控制策略與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）和基于空間矢量調(diào)制的傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制(SVM-DTC)策略相比，轉(zhuǎn)矩脈動最小，優(yōu)化控制效果明顯，有重要的理論和現(xiàn)實意義。

[1] Takahashi I, Noguchi T. A New Quick-Response and High-Efficiency Control Strategy of an Induction Motor[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1986, 22(5): 820 - 827.

[2] M.Depenbrock. Direct self-control (DSC) of inverter-fed induction machine[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1988, 3(4): 420-429.

[3] 趙宏革. 基于船舶電力推進系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制技術研究[D]. 大連: 大連海事大學, 2011.

[4] Shyu K K, Lin J K, Pham V T, et al. Global Minimum Torque Ripple Design for Direct Torque Control of Induction Motor Drives[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 57(9): 3148-3156.

[5] G. Abad, M. A. Rodriguez and J. Poza.Two-level VSC based predictive direct torque control of the doubly fed induction machine with reduced torque and flux ripples at low constant switching frequency[J]. IEEE Trans. Power Electron, 2008, 23(3): 1050–1061.

[6] 楊影, 陳鑫, 涂小衛(wèi), 等. 占空比調(diào)制的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制[J]. 電機與控制學報, 2014(4):66-71.

[7] Zhu H, Xiao X, Li Y. Torque Ripple Reduction of the Torque Predictive Control Scheme for Permanent-Magnet Synchronous Motors[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(2): 871-877.

[8] 高儒, 葛興來. 基于間接定子量的永磁同步電動機三電平直接轉(zhuǎn)矩控制[J]. 微特電機,2015,02: 39-43.

[9] Zhang Y, Zhu J, Zhao Z, et al. An Improved Direct Torque Control for Three-Level Inverter-Fed Induction Motor Sensorless Drive[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(3): 1-1.

[10] 周賢娟, 馮梅琳, 韓樹人. 基于模糊控制的異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究[J]. 江西理工大學學報, 2014, (3): 51-55.

[11] 徐艷平, 雷亞洲, 馬靈芝, 等. 基于模糊參數(shù)優(yōu)化的 PMSM 反推直接轉(zhuǎn)矩控制[J]. 電氣傳動, 2015, 45(12): 12-16.

[12] 李彥, 唐智星. 船舶電力推進DTC系統(tǒng)低速性能的改善研究[J]. 科學技術與工程, 2013, 13(7): 1773-1778.

[13] Foo G, Rahman M F. Sensorless Direct Torque and Flux-Controlled IPM Synchronous Motor Drive at Very Low Speed Without Signal Injection[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 57(1): 395-403.

[14] 趙欣欣. 船舶車鐘系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D]. 大連: 大連海事大學, 2013.

Optimization of SVM-DTC for Permanent Magnetic Motor in Ship Electric Propulsion

Li Yunpeng, Zhao Hongge, Li Shilin, Sun Junhao, Feng Yang
(School of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

In order to reduce the torque ripple that exists in direct torque control of permanent magnet synchronous in ship electric propulsion, a new direct torque control plan based on space vector modulation is proposed. This plan mainly uses two PI regulators to control the angle and amplitude of the voltage vector respectively, synthesized by space vector modulation. With simple structure and stronger robust, the proposed plan optimization effect is obvious, which reduces torque ripple significantly and improves steady performance and dynamic of the permanent magnet synchronous motor in ship power system. The simulation result verifies the feasibility and validity of the plan.

marine electric propulsion; direct torque control; space vector modulation; PI regulator; torque ripple

U665.13

A

1003-4862（2017）02-0025-05

2016-08-12

李云鵬（1989-），男，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail：glofindal@qq.com

趙宏革（1967-），男，博士，教授，研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail：zhaohg@dlmu.edu.cn