船舶吊艙推進電機控制策略發(fā)展綜述

姚文龍，涂志平，池榮虎，張均東

(1. 青島科技大學 自動化與電子工程學院，山東 青島 266042；2. 青島遠洋船員職業(yè)學院 機電系，山東 青島 266071；3. 大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

船舶吊艙推進電機控制策略發(fā)展綜述

姚文龍1，涂志平2，池榮虎1，張均東3

(1. 青島科技大學 自動化與電子工程學院，山東 青島 266042；2. 青島遠洋船員職業(yè)學院 機電系，山東 青島 266071；3. 大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

隨著船舶節(jié)能減排要求的提高，吊艙推進系統(tǒng)因其具有常規(guī)電力推進無法比擬的優(yōu)點而成為目前國內(nèi)外造船界的研究熱點。本文對船舶吊艙推進電機的類型及特點進行分析，歸納和總結(jié)了國內(nèi)外在船舶吊艙推進電機的結(jié)構(gòu)、類型、負載特性以及電機控制等方面的研究及應用現(xiàn)狀，并對推進電機的控制策略進行分析。在此基礎(chǔ)上，對未來船舶吊艙推進電機控制策略的發(fā)展做了展望，并對基于無模型自適應控制的船舶吊艙推進電機控制系統(tǒng)進行研究。

船舶吊艙；推進電機；螺旋槳負載；電機控制；矢量控制；直接轉(zhuǎn)矩控制

本文首先對吊艙推進電機的形式、結(jié)構(gòu)、負載特性以及控制系統(tǒng)等進行分析研究，然后對推進電機的控制策略進行探討，最后討論了先進控制理論在船舶吊艙推進電機控制系統(tǒng)中應用的主要發(fā)展方向。

1 吊艙推進電機的研究與應用現(xiàn)狀

吊艙推進電機被廣泛應用在船舶電力推進系統(tǒng)中，它能夠360°旋轉(zhuǎn)，可以完成對船舶的航向及航速控制，其安全可靠性對船舶的安全運營起到至關(guān)重要的作用，因此，吊艙推進電機系統(tǒng)是船舶電力推進領(lǐng)域需要重點研究的技術(shù)。

早期階段直流電機為船舶電力推進系統(tǒng)的主要形式，直流電機具有扭矩波動平滑、啟動性能較好等優(yōu)點，但是由于其結(jié)構(gòu)復雜、體積大、維護困難等缺點，使其在吊艙推進系統(tǒng)中的應用受到了限制。近年來隨著人類社會的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，交流電機迅速應用到吊艙推進系統(tǒng)中，并取得了諸多進展。

當前，各國正在使用和處于研究當中的推進電機主要有直流電機、感應電機、永磁電機以及高溫超導電機等。其中，永磁電機由于其體積比常規(guī)電機小很多而成為吊艙推進電機的理想選擇，對永磁同步電機的應用研究成為當前吊艙推進控制系統(tǒng)研究的熱點。

1.1 永磁推進電機

永磁推進電機主要由永磁電機本體、電源模塊、控制模塊組成。與常規(guī)推進電機相比，永磁推進電機具有轉(zhuǎn)動慣量小、體積小、重量輕、噪聲低等優(yōu)勢。根據(jù)其轉(zhuǎn)子型式，分為表面式磁路結(jié)構(gòu)、切向式磁路結(jié)構(gòu)、橫向磁通磁路結(jié)構(gòu)以及徑向式氣隙磁場結(jié)構(gòu)等。

國外對于高效永磁同步推進電機的研究設計已有近40年的歷史。早在1978年，法國CEM公司就獲得了18.5 kW以下的高效永磁電機發(fā)明專利，其效率比感應電機高2%～8%，功率因數(shù)提高0.005～0.15，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為1.6～2.2。1986年初，德國Siemens公司研制出1 100 kW，230 r/min的六相永磁同步電動機，并做了對比航行試驗，使得系統(tǒng)效率特別是在低速工況下的效率大大提高。而后又研制出1 700 ～5 000 kW，150 r/min的PERMASYN永磁推進電機，其轉(zhuǎn)子采用多極表面式磁路結(jié)構(gòu)。近年來西門子與肖特爾公司聯(lián)合研制出5～30 MW SSP推進電機，該電機利用了Schottel雙螺旋槳設計思想，利用2個螺旋槳均擔負載，使系統(tǒng)效率提高20%，目前，SSP推進電機已安裝于中遠集團“泰安口”和“康盛口”，2011年中遠集團“祥云口”采用了SSP6型推進電機系統(tǒng)。1986年德國磁電機公司與瑞士BBC公司為瑞典潛艇設計了1臺1 500 kW永磁同步電動機[4]，其速度范圍可達0～180 r/min。1987年法國熱蒙-施奈德（Jeumont-Schneider）公司研制成功1臺400 kW，500 r/min永磁推進電機，后續(xù)相繼設計了1 800 kW以及3 300 kW的永磁推進電機，已裝備智利海軍“蝎子”號潛艇。1990年加拿大M.A.Rahman教授研制成功25 hp四極異步起動永磁同步電動機[5]，該機包括徑向磁路結(jié)構(gòu)、弧形排列永磁體結(jié)構(gòu)和弧形永磁體磁路結(jié)構(gòu)等3種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，效率可達到94%。1997年英國Rolls-Royce公司研制出16～24 MW，180 r/min的永磁橫向磁通電動機，目前已裝備于皇家海軍艦船永磁推進系統(tǒng)[6]。1994年美國卡曼（Kaman）公司研制了1臺3 000 hp永磁電動機，并于1999年研制成功1臺18.375 MW，100 r/min的大功率永磁推進電機，該機總效率可達95%[7]。另外，俄羅斯電氣物理裝置研究所已研制采用切向式磁路結(jié)構(gòu)的永磁推進電機，其功率可達4 100 kW，并投入實艇使用[8]。

由于吊艙推進器在國外尤其是歐洲的盛行，使得他們對吊艙推進電機的研究高度重視，目前發(fā)達國家對大型永磁同步電機的研究比較充分，在理論研究、實際應用和生產(chǎn)工藝等方面都取得了很多的研究成果并積累了大量的工程經(jīng)驗。相比較而言，中國在吊艙推進領(lǐng)域的起步比較晚，國內(nèi)對永磁同步推進電機的研究還較少，只有中船重工712研究所、沈陽工業(yè)大學等幾所高校和研究所開展了這方面的研究。1980年，沈陽工業(yè)大學率先開展永磁電動機研制，并研發(fā)出我國第1臺4kW四極稀土鉆永磁同步電動機和第1臺1.1kW六極欽鐵硼永磁同步電動機；1987年，沈陽工業(yè)大學研制出3kW四極永磁同步電動機，其功率因數(shù)比Y系列電機高0.12，效率比Y系列電動機高3.8%；1998年該校又研發(fā)了高效高起動轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機，該機不僅在額定負載時效率和功率因數(shù)高，而且在輕載時效率高于89%，功率因數(shù)高于0.83[9]。2013年7月中船重工712研究所研制成功國內(nèi)首套3 MW級永磁同步推進電機，這標志著我國具備了船舶大容量中壓電力推進系統(tǒng)制造能力，但是，目前我國還不具有完全獨立設計和研發(fā)制造船舶吊艙推進電機的能力，與國外綜合全電力推進方案相比還存在著很大的差距。

1.2 高溫超導同步電機

目前世界各國在研究船舶吊艙永磁同步電機的同時，還大力研究新型船舶推進電機，包括高溫超導同步電機等。高溫超導電機定子冷卻方式與傳統(tǒng)電機的定子冷卻方式相同，如強迫空氣冷卻和水內(nèi)冷技術(shù)等。轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)保證了線圈處于超導狀態(tài)，是整個電機的關(guān)鍵技術(shù)之一。

美國在高溫超導電機的研究和開發(fā)上處于世界領(lǐng)先地位。2004年，美國超導公司率先研發(fā)出5 MW高溫超導同步電機[10]。德國西門子公司于2004年研制出4 MW高溫超導電機，目前已經(jīng)進行了實船試驗。英國CONVERTEAM公司與德國Zenergy公司研發(fā)出8 MW超導風力發(fā)電機。日本研發(fā)出10 MW級高溫超導風力發(fā)電機。韓國在此領(lǐng)域也取得了較大的進展，并有不同容量的樣機問世[11]。

近年來，國家863計劃對高溫超導電機加大了支持力度，其中，2012年中船重工712所研制的兆瓦級高溫超導電機實現(xiàn)滿負荷穩(wěn)定運行，標志著我國在兆瓦級高溫超導電機的研制方面走在了世界前列。當前，船舶吊艙的體積以及噪聲已成為其發(fā)展的瓶頸，高溫超導電機可能成為船舶吊艙用推進電機的最終發(fā)展方向。

2 船舶吊艙推進電機負載分析

船舶在海上航行，需要克服航行時的阻力包括海水和風力阻力等，因此吊艙推進電機需要產(chǎn)生相應的推力來維持船舶運動。由于螺旋槳與吊艙推進電機直接相連，因此兩者的非線性動力學特性一致。對于螺旋槳負載的研究，主要是對吊艙螺旋槳的推力特性和扭矩特性進行分析。吊艙螺旋槳推力特性主要反映為螺旋槳的推力Fp和扭矩Tp以及敞水效率等隨船舶轉(zhuǎn)速和進速比的變化關(guān)系。螺旋槳扭矩特性指的是螺旋槳的扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，包括自由航行特性、拋錨特性以及反轉(zhuǎn)特性等。

目前，吊艙推進電機負載的研究工作很大部分集中在對船舶正車啟動和啟動后倒車以及惡劣海況和機動航行等工況進行分析。Damir和Qyvind等對螺旋槳在多種復雜工況下的負載特性進行研究，并應用瓦格寧根實驗圖譜（Wageningen B-Serew Series），建立了適合控制系統(tǒng)設計和試驗的仿真模型，通過敞水試驗得到動態(tài)特性[12]。美國海軍對吊艙推進器敞水性能以及船舶吊艙推進器與船體間的作用力等性能進行研究，由此進行推進器敞水性能、伴流系數(shù)以及推力減額等負載特性參數(shù)的預報。美國國家可再生實驗室Steurer等為了模擬風力發(fā)電螺旋槳負載而建立了風電實驗平臺，通過應用電機達到了實驗目的，該平臺中的負載模擬系統(tǒng)為吊艙推進電機負載研究提供了理論依據(jù)[13]。

在國內(nèi)，哈爾濱工程大學、大連海事大學、武漢理工大學、上海海事大學以及中遠海集團技術(shù)研發(fā)中心等科研單位都已建設了吊艙推進實驗室。其中，大連海事大學給出了關(guān)于推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的螺旋槳特性計算方法，滿足了船舶電力推進驅(qū)動全工況范圍的仿真需要[14]。哈爾濱工程大學建立了艦船電力推進仿真系統(tǒng)，其負載電機采用直流電機，通過控制電機的電樞電流來動態(tài)實現(xiàn)螺旋槳負載特性[15]。武漢理工大學為了逼真地模擬螺旋槳負載，采用Chebyshev多項式擬合Nordstrom系列試驗圖譜，并可根據(jù)不同槳型靈活修正[16]。上海海事大學的半實物吊艙式電力推進系統(tǒng)利用交流異步電機、變頻器以及相應負載控制系統(tǒng)，進行吊艙推進電機負載特性的研究[17]。中遠集團技術(shù)中心利用西門子最新驅(qū)動技術(shù)建立了吊艙推進電機實驗室，實現(xiàn)了SSP推進系統(tǒng)的半實物仿真及控制算法的模擬實驗[18]。另外，文獻[19]利用Matlab軟件對船槳數(shù)學模型進行仿真研究，分析分級啟動時螺旋槳轉(zhuǎn)矩變化以及在倒車時最大負轉(zhuǎn)矩的情況，為推進電機及其控制系統(tǒng)的設計提供依據(jù)。文獻[20]以螺旋槳負載特性的半實物仿真平臺為研究對象，從螺旋槳的四象限模型出發(fā)，建立了船舶吊艙推進的運動模型和風浪流干擾模型，對拖式吊艙推進器負載進行研究。

3 船舶吊艙推進電機控制策略應用研究

3.1 先進控制理論在吊艙推進電機控制系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀

吊艙推進器不僅需要性能良好的推進電機，還需要能實現(xiàn)船舶在不同的運行工況時能安全航行的推進控制系統(tǒng)。為了解決這一問題，需要研究吊艙推進電機主要是永磁同步電機的先進控制理論，目前永磁同步電機的基本控制方法主要有矢量控制（Vector Control，VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC）。

近年來，國內(nèi)外學者針對矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制這2種基本的永磁同步電機動態(tài)模型控制方法，提出了許多采用解耦后的線性控制和線性控制方法以提高系統(tǒng)的控制性能及魯棒性。李鵬等[31]根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學模型計算PI參數(shù)值和內(nèi)環(huán)補償量，提出了基于PI參數(shù)混合整定的矢量控制方法，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。Florent等[32]針對直接轉(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)矩脈動過大等問題，提出基于預測控制的空間電壓矢量調(diào)制方法，它根據(jù)轉(zhuǎn)矩的偏差值，通過矢量調(diào)制技術(shù)來預測定子電壓空間矢量值，有效抑制了轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動。周華偉等[33]針對電機的解耦模型，提出基于內(nèi)模的滑模電流解耦控制策略，解決了傳統(tǒng)PI矢量控制無法實現(xiàn)解耦以及電壓前饋解耦策略對參數(shù)敏感等問題。Lian和Linb[34]利用灰色預測模型的超前預測功能預測下一狀態(tài)磁鏈、轉(zhuǎn)矩和位置角，解決了永磁同步電機參數(shù)變化及滯后效應的影響。李亮亮等[35]針對永磁同步電機矢量控制PI控制器，運用ITAE最優(yōu)控制方法對其進行參數(shù)整定，提高了矢量控制的性能。Andon和Giuseppe等[36]在考慮電流控制不確定因素的情況下，提出自適應滑模電流控制方法，實現(xiàn)了模型不確定情況下的電流控制。Angelo和Bossio等[37]研究了永磁同步電機的無源控制策略，實現(xiàn)了全局穩(wěn)定性控制，但對負載參數(shù)變化較敏感。Ortega等[38]針對無源控制提出了端口受控的耗散哈密頓方法，并將其應用到永磁電機的控制中，具有魯棒性高等特點，但是計算量較大。王禮鵬等[39]基于永磁同步電機的精確數(shù)學模型，將積分反步控制作為矢量控制的速度和電流控制器，實現(xiàn)速度和電流的無靜差跟蹤。

張春朋等[40]采用反饋線性化控制對永磁電機進行完全解耦，較好地抑制參數(shù)變化和外部干擾的影響。李擎等[41]運用逆系統(tǒng)控制將電機解耦成轉(zhuǎn)速與磁鏈2個線性子系統(tǒng)，可以實現(xiàn)電機電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈的全局漸進跟蹤。孫凱等[42]將韓京清先生提出的自抗擾控制應用到永磁同步電機的矢量控制中，該方法提高了控制系統(tǒng)的魯棒性，抑制參數(shù)波動及負載擾動的影響。

值得指出的是，由于船舶吊艙推進系統(tǒng)是一類典型的復雜非線性系統(tǒng)，其某些參數(shù)未知、負荷及工況變動不確定，很難建立吊艙推進電機精確的數(shù)學模型，從而，以往需要已知受控系統(tǒng)階數(shù)、模型等先驗知識的基于模型的控制方法受到了挑戰(zhàn)，如自適應控制、反推控制、無源控制、內(nèi)?？刂?、預測控制、灰色控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等先進控制策略以及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、支持向量機控制、專家控制、遺傳算法等智能控制方法。這些方法對模型的依賴性較強，且數(shù)學工具較抽象，控制算法較復雜，難以工程實現(xiàn)，因此它們在處理結(jié)構(gòu)時變、參數(shù)時變、階數(shù)時變的具有較強未建模動態(tài)的吊艙推進電機系統(tǒng)的控制問題時具有一定的局限性。

在實船應用中，矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仍占主要地位，其結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好[43–44]。文獻[43]為使矢量控制系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，提出了采用基于模型的離線式整定與模糊PI在線整定相結(jié)合的混合整定法；文獻[44]提出了以電磁轉(zhuǎn)矩誤差和定子磁鏈誤差作為PI控制器輸入的矢量控制算法，并對電力推進系統(tǒng)的控制性能進行研究。這些方法使得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能得到了改善，但是在實船應用中當遭遇惡劣海況時，需要重新對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進行調(diào)整，且要使電流能很好地跟隨，需要較大的比例增益系數(shù)，這會導致超調(diào)，另外由于吊艙推進電機電流、逆變器驅(qū)動電壓較大，當速度變化較大時，將出現(xiàn)windup現(xiàn)象，這在實船應用中具有一定局限性。

3.2 無模型自適應控制在吊艙推進電機控制系統(tǒng)中的應用研究

對于復雜非線性系統(tǒng)控制問題，侯忠生教授給出了一種新的非參數(shù)動態(tài)線性化方法[45]，進而提出了無模型自適應控制理論（Model-free Adaptive Control，MFAC）[46–47]。無模型自適應控制擺脫了對系統(tǒng)數(shù)學模型的依賴及未建模動態(tài)的影響，僅用系統(tǒng)的I/O數(shù)據(jù)設計控制器，并且無模型自適應控制的計算量很小，響應速度快。目前，該方法已被應用到船舶吊艙推進電機的矢量控制系統(tǒng)中[48]，該方法無需建立推進電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，所需參數(shù)少、對參數(shù)變化的適應能力強。其算法過程描述如下：

考慮如下控制輸入準則函數(shù)

其中λ是一個正的權(quán)重因子。

由式（1）可得 J (iq(t))新的表達式如下：

其中，γt為步長序列。

μ為權(quán)重因子。

其中，ηt為步長序列。

其中ε為一個充分小的正數(shù)。

由此可以給出船舶吊艙推進電機無模型自適應矢量控制方案

經(jīng)過20余年的發(fā)展，無模型自適應控制算法已經(jīng)取得了許多理論成果，隨著MFAC理論的研究和發(fā)展，MFAC在不同領(lǐng)域中得到了廣泛應用。目前，無模型自適應控制算法常與跟蹤微分器等其他數(shù)據(jù)驅(qū)動方法相結(jié)合，以便提高其在線挖掘能力、“學習”系統(tǒng)的更多信息。

4 結(jié) 語

本文對吊艙推進電機進行系統(tǒng)研究，通過對國內(nèi)外學者發(fā)表的關(guān)于吊艙推進電機研究工作的整理、研究和分析，得出以下結(jié)論：

1）研發(fā)低成本、低噪聲以及高效緊湊的吊艙推進電機是未來吊艙推進系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。在高效緊湊方面，永磁同步電機成為無可爭議的首選，現(xiàn)有吊艙推進系統(tǒng)大都采用該形式，但永磁體易失磁且安裝維護復雜等缺點，增加了船舶日后的維護保養(yǎng)成本，因此，高溫超導電機成為目前最有競爭力以及技術(shù)含量最高的機型。

2）吊艙推進電機負載特性主要表現(xiàn)為螺旋槳動力學特性，與前期單純軟件擬合螺旋槳特性的仿真相比，采用軟件擬合與半實物仿真能夠更精確地對螺旋槳系統(tǒng)的特性進行分析，為推進電機的設計和控制提供參考依據(jù)。

3）為使推進電機更好地適應實船海況的變化，需要對推進電機的控制算法進行研究，先進控制理論可以提高系統(tǒng)的控制精度，但是對數(shù)學模型的依賴性較強并且實現(xiàn)方法較復雜，不利于實船應用?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動的無模型自適應控制只依賴于系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，方法簡單，具有較強的抗干擾性和魯棒性，是以后的研究熱點。

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Development of the control strategy for ship podded propulsion motor

YAO Wen-long1, TU Zhi-ping2, CHI Rong-hu1, ZHANG Jun-dong3
(1. School of Automation and Electrical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China;2. Department of Marine Engineering, Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, China;3. School of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

With the increasing demand of marine energy efficiency and emission reduction, the ship podded propulsion system which has great advantages over the conventional ship electric propulsion has become the research focus currently over the shipbuilding industry. In this paper, the types and characteristics of ship podded propulsion motor are analyzed. The research status and developing trends of the ship podded propulsion motor structure, type, load characteristic and motor control on domestic and overseas is summarized. Especially, the control strategies of the propulsion motor are investigated and summarized. On the base of this, some outlook on the future development of ship podded propulsion motor are discussed,and the ship podded propulsion motor control system based on the MFAC was studied.

ship podded；propulsion motor；propeller load；motor control；vector control；direct torque control

TM359；U665.12

A

1672 – 7649(2017)10 – 0001 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.001

0 引 言

船舶吊艙推進系統(tǒng)是近年發(fā)展起來的一種新型船舶電力推進裝置，受到了世界造船業(yè)的廣泛關(guān)注[1]。它主要由支架、吊艙和螺旋槳等部件構(gòu)成，其推進電機被置于一個能360°回轉(zhuǎn)的吊艙內(nèi)，推進電機兩端直接驅(qū)動螺旋槳，轉(zhuǎn)子為螺旋槳的共同軸，由于采用了可靠性更高的電氣控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)冗余度得到極大提高，可實現(xiàn)船舶的快速啟動及平穩(wěn)調(diào)速等優(yōu)良操縱性能。但是，由于船舶吊艙推進系統(tǒng)沒有傳動機構(gòu)，使得推進電機對負載的變化和擾動更加敏感，如推力紋波以及齒槽效應等非線性因素對系統(tǒng)的跟蹤精度影響都很大[2]，在這種背景下，開發(fā)一種低成本、魯棒性好，在風浪條件下有利于充分發(fā)揮動力裝置效能的推進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)已成為當前國內(nèi)外的研究熱點之一。

相比于傳統(tǒng)軸系式推進器的螺旋槳，船舶吊艙推進器螺旋槳工作于穩(wěn)流場中，且省去了中間軸承等長軸系，取消了螺旋槳支撐裝置及舵，提高了推進效率，并具有布置方便、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、振動小、噪聲低等優(yōu)點[3]。而且，船舶柴油機的故障不會導致船舶失去動力，提高了船舶的安全性。正是由于這些優(yōu)點，使吊艙推進電機成為船舶節(jié)能減排領(lǐng)域的重要研究方向。

2016 – 03 – 29；

2017 – 04 – 21

青島科技大學博士科研啟動基金資助項目(010022820)；中遠集團科技計劃資助項目(2014-1-H-005，2016-1-H-009，2017-1-H-010)；青島市市南區(qū)科技計劃資助項目(2012-5-004-ZH，2012-5-005-ZH)；山東省自然科學基金面上資助項目(Zr2017mee071)

姚文龍(1981 – )，男，博士，副教授，研究方向為船舶吊艙推進電機控制。