電纜絞車驅動電機的SVM-DTC控制策略

安柏楠， 周臘吾，2， 嚴小敏， 趙健康， 鄧 雄

(1. 湖南大學電氣與信息工程學院， 湖南 長沙 410082； 2. 長沙理工大學電氣與信息工程學院， 湖南 長沙 410114)

電纜絞車驅動電機的SVM-DTC控制策略

安柏楠1， 周臘吾1，2， 嚴小敏1， 趙健康1， 鄧 雄1

(1. 湖南大學電氣與信息工程學院， 湖南 長沙 410082； 2. 長沙理工大學電氣與信息工程學院， 湖南 長沙 410114)

電纜絞車是船舶系統(tǒng)重要的組成部分之一，通常選用效率高、維修性能好的永磁同步電機(PMSM)作為船舶電纜絞車的驅動電機。面對復雜的海洋環(huán)境，電纜絞車需要在收放電纜時保證電纜的張力不變，進行恒張力控制。同時針對負載時變、突變、非線性的特點，本文提出了自適應模糊PID控制器和空間矢量調制下的直接轉矩控制策略對電纜絞車進行控制。利用Matlab/Simulink軟件對此控制策略進行驗證，結果表明，采用基于自適應模糊PID的空間矢量脈寬直接轉矩控制(SVM-DTC)下的驅動電機，在保持直接轉矩控制優(yōu)點的同時，具有優(yōu)良的動靜態(tài)特性，可以有效地減小電磁轉矩和磁鏈的脈動，適用于船舶電纜絞車驅動系統(tǒng)。

電纜絞車； 永磁同步電機； 恒張力控制； 自適應模糊PID； 空間矢量脈寬直接轉矩控制

1 引言

隨著船舶岸電技術的普及應用,大型船舶在港口靠岸時,通過岸電電源來滿足船舶照明等的用電需求。而岸電系統(tǒng)與船舶上受電裝置間需通過電纜進行連接，通常采用定速永磁同步電動機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)作為電纜絞車進行驅動，來實現電纜雙向快速收放[1]。同時海上收放電纜有別于陸上電機驅動負載，其重要一點在于電纜收放過程中張力不斷變化，并呈現出非線性、時變和飽和性等的特征。為減少電纜所受的沖擊力，實現電纜的快速、平穩(wěn)收放，要求驅動電機對負載跟蹤性能較強，調節(jié)時間短，對電纜實現恒張力控制。

文獻[2-4]給出了多種對于PMSM的控制方式，其中直接轉矩控制對轉矩和磁鏈實現直接控制，較矢量控制更為直接有效，但缺點是其控制精度不高而造成轉矩脈動較大。文獻[5]引入了雙模糊控制來改善直接轉矩控制轉矩脈動大的問題,使磁鏈軌跡圓度更好，但其缺點是動態(tài)響應速度較慢。文獻[6]采用基于自抗擾控制的空間矢量調制方式，對轉矩和磁鏈偏差進行補償，但需要較為精確的控制模型。文獻[7]直接以轉矩為最終目標選擇最優(yōu)電壓矢量進行直接轉矩控制，省去了對磁鏈環(huán)的控制。本文結合實際提出了一種基于自適應模糊PID控制的空間矢量脈寬直接轉矩控制(SVM-DTC)策略來驅動電纜絞車實現電纜恒張力控制，通過仿真及實驗，檢測在負載變化的情況下，該控制系統(tǒng)是否可以穩(wěn)定控制驅動電機,進行恒張力控制。

2 電纜絞車驅動系統(tǒng)

電纜絞車裝置是船舶與岸電快速連接技術的關鍵。與傳統(tǒng)的電纜卷筒裝置相比，電纜卷盤具有安裝空間小、排纜可靠、成本低廉等優(yōu)點。其主要由驅動機構、減速箱、電纜-環(huán)箱、電纜卷盤及電纜緩沖機構等部件組成,其裝置模型圖如圖1所示。

圖1 電纜絞車裝置模型Fig.1 Cable winch device model

船用電纜卷盤分為體積小、維修簡單、轉矩輸出近似恒定的磁滯式電纜卷盤，同步性能好、電纜張力小的彈力式電纜卷盤，變轉矩輸出的力矩電機式電纜卷盤，重錘式電纜卷盤等。針對復雜海洋環(huán)境，要求電纜卷盤通用性強，適應能力好，排纜可靠。在大型船舶中，要求驅動電纜能夠進行快速柔性連接，同時也應該具有安全的特性，保持電纜恒定張力，并能夠維持最佳電纜長度，防止電纜出現松弛下垂或拉伸緊張情況。本文對比多種永磁同步電機控制方案，最終選擇了利用自適應模糊構建PID的SVM-DTC控制策略，進一步提高了系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，達到控制電纜收放恒張力的目的。

3 自適應模糊PID的SVM-DTC原理

3.1 永磁同步電機數學模型

永磁同步電機轉子上安裝永磁體進行勵磁，同時靜止的定子側通入電流也產生磁場，兩者共同作用合成旋轉磁場。隱極式轉子主要由合金鋼整體鍛件而成，可認為交、直軸上自感相等。在電機參數計算時，將以a、b、c為坐標軸的三相靜止坐標系經過Clarke變換，轉化成以α、β為坐標軸的兩相靜止坐標系來描述電機參數[8]，如圖2所示。

圖2 電機不同坐標系下的矢量圖Fig.2 Vector diagram of motor in different coordinate systems

圖2中，ψs、ψf分別為定、轉子磁鏈；δ為ψs、ψf之間的夾角,用式(1)～式(4)分別表示隱極式PMSM參數：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，us為定子電壓；is為定子電流；Tem為驅動電機的電磁轉矩；P為極對數；ψs為定子磁鏈；ψ為ψs幅值大?。沪葹槎ㄗ哟沛溄嵌?；Rs為電樞等效電阻；α、β分別表示定子的α、β軸分量；a、b、c分別表示定子的a、b、c軸分量。

3.2 恒張力控制分析

當電纜絞車運行時，驅動電機運動方程為：

(5)

(6)

式中，TF為驅動電機負載電纜的轉矩；T0為驅動電機的空載轉矩；J為驅動電機轉動慣量；ω為驅動電機轉子角速度；TD為驅動電機的動態(tài)轉矩。通常電纜張力較大，與之相比T0可忽略不計，在電機平穩(wěn)運行過程中，驅動負載可以表示為：

(7)

(8)

式中，F為電纜張力大??；D為電纜卷直徑。由式(7)和式(8)可知，在電機驅動電纜絞車穩(wěn)速運行時，電纜的線速度和張力恒定。但在實際工程中，卷盤的卷徑和轉動慣量不斷變換，勢必造成電纜張力的變化。因此為保持電纜張力恒定，要求電機電磁轉矩能迅速且準確地跟蹤電纜張力變化，這時需考慮式(6)中動態(tài)轉矩TD的補償作用，即

(9)

(10)

式中，JP為電纜卷轉動慣量；JM為儲纜筒轉動慣量；R為電纜卷半徑；r為儲纜筒半徑；ρ為電纜的密度；b為電纜寬度。令D=2R，d=2r，則

(11)

聯立式(9)～式(11)得：

(12)

式中，v為驅動電機轉子線速度。

分析可知，掌握電纜絞車卷筒直徑D和速度變化率dv/dt等動態(tài)變量，就可以在收放電纜過程中得出所需要的動態(tài)轉矩補償，通過調整驅動電機的電磁轉矩，來控制收、放電纜過程中電纜的張力不變。可見對船舶電纜恒張力控制，就是對電纜絞車驅動電機轉矩進行控制。

3.3 自適應模糊PID調節(jié)器

PID控制器簡單易行且較為有效，其參數往往固定不變，無法適應系統(tǒng)的變化，但若結合模糊控制對于系統(tǒng)適應性強、魯棒性好的特點[9]，就可以組成自適應模糊控制，針對負載的變化快速調整電機，保持電纜絞車快速穩(wěn)定運行。

圖3為二維自適應模糊控制器的原理圖。將參考轉速與實際轉速間差值E=n*-n作為誤差，將差值以及差值變化率Ec=Ei-Ei-1作為兩個輸入，同時采用三個輸出端口，將修正的ΔKp、ΔKi、ΔKd作為輸出。給定原始參數為Kp0、Ki0、Kd0，控制器輸出為T*。通過P、I、D數值合理的選定對控制器進行參數調整，使輸出滿足預定期望。

圖3 自適應模糊PID電纜絞車框圖Fig.3 Fuzzy self-adjusting PID for cable winch

根據P、I、D選定數值以及專家經驗得到Kp、Ki、Kd模糊規(guī)則，如表1～表3所示。

表1 Kp模糊規(guī)則表Tab.1 Kp fuzzy control rule table

表2 Ki模糊規(guī)則表Tab.2 Ki fuzzy control rule table

表3 Kd模糊規(guī)則表Tab.3 Kd fuzzy control rule table

調節(jié)器根據負載以及轉速的變化進行實時調整，得出最終校正參數為：

(13)

3.4 電壓空間矢量控制

為得到可控穩(wěn)定的電磁轉矩，需要獲得近似圓形磁場。逆變器通常采用PWM、SPWM、DPWM、SVPWM等調制方式，各種方式特點不同，應用于不同環(huán)境當中，但因SVPWM具有動態(tài)響應快、精度高等顯著優(yōu)點，因此被大量用于目前電機驅動上。

為了使電機運行時的磁鏈盡可能逼近理想的圓形磁鏈，減少電磁轉矩的波動，SVPWM將永磁同步電機和由IGBT構成的三相橋式逆變器作為一個整體，控制逆變器橋臂通斷來產生脈寬調制波[10]。三相橋臂共有8種不同的開通關斷形式，圖4為空間矢量分布圖。任意時間內每個扇區(qū)內輸出電壓U都可以平行地投影到相鄰的兩個基本電壓矢量上[11]，這樣可以得到每個矢量的作用時間，從而在空間內進行矢量合成對驅動電機進行控制。

圖4 電壓控制下的空間矢量分布圖Fig.4 Basic switching voltage vectors and sectors

倘若永磁同步電機由傳統(tǒng)的逆變器進行控制和供電，檢測其磁鏈的軌跡將呈現為旋轉的正六邊形磁場。這是因為在逆變器每個控制周期Ts內其工作狀態(tài)間斷變化，按開關方向依次形成6個不同的電壓空間矢量，對應只出現6種工作狀態(tài)。為了使電機的磁鏈軌跡更接近圓形旋轉磁場，則需要改變逆變器的控制形式，在每個扇區(qū)中依次產生盡可能多的不同的電壓空間矢量，對應更多工作形式，其構成如圖5所示。

圖5 SVPWM構成原理圖Fig.5 SVPWM principle diagram

4 自適應模糊PID的SVM-DTC系統(tǒng)實現

采用SVPWM來進行控制時，依舊保持定子磁鏈幅值不變，控制轉矩角來控制電磁轉矩[12]，其計算的關鍵就是預期電壓矢量uα和uβ的大小[13]。在α、β坐標系中易得到：

(14)

式中，p為微分算子。考慮式(14)并結合圖(2)得：

(15)

式中，uα、uβ為電壓在定子α、β軸上的分量；ψref為定子參考磁鏈；Δθ為負載角增量；Ts為采樣時間。SVM-DTC控制下的PMSM的原理如圖6所示。將uα、uβ、Udc和Ts同時輸入到SVPWM模塊當中，輸出三相逆變器的控制信號pluse。

圖6 SVM-DTC控制下PMSM原理圖Fig.6 Principle diagram of SVM-DTC for PMSM

5 仿真研究及實驗分析

5.1 仿真研究

電纜絞車驅動系統(tǒng)仿真所使用PMSM具體參數如下：直流母線電壓Udc=510V，定子電阻Rs=18.7Ω，電機直、交軸電感Ld=Lq=0.00835H， PWM調制周期Ts=0.0001s，轉子磁鏈ψf=0.175Wb，給定參考定子磁鏈ψref=0.77Wb，極對數2P=4，電機轉動慣量J= 0.000025kg·m2。

電纜絞車驅動系統(tǒng)在不同轉速條件下，給定恒定負載2N·m,對系統(tǒng)收放纜時的靜態(tài)性能進行比較，結果如圖7所示，根據圖7可得仿真試驗結果如表4所示。

表4 不同轉速下穩(wěn)態(tài)轉速和轉矩脈動Tab.4 Speed and torque ripple under different speeds

由表4可以得出，相比于傳統(tǒng)的DTC控制策略，SVM-DTC控制策略在電纜收放裝置中精度更高，穩(wěn)態(tài)性能更好。

5.2 實驗分析

為測試自適應模糊PID的SVM-DTC系統(tǒng)的效果,本文在如圖8所示的測試平臺上進行實驗分析，

圖7 不同控制策略時轉速和轉矩波形Fig.7 Speed and torque waveforms under different load with different methods

驗證其動態(tài)性能。其中測試電機采用Lenze公司型號為MCS 19J20的永磁同步電機。

圖8 電纜絞車驅動系統(tǒng)測試平臺Fig.8 Cable winch drive motor test platform

電纜絞車系統(tǒng)負載特性T具有非線性、時變、飽和性等特點，采用式(16)模型來模擬收放電纜時的動態(tài)特性，模擬多種情況下系統(tǒng)的控制性能，負載轉矩T曲線如圖9所示，圖10為采用兩種控制策略的轉矩實驗波形。

(16)

圖9 電纜絞車負載特性Fig.9 Cable winch load characteristic

圖10 給定負載兩種控制策略下轉矩波形Fig.10 Torque waveforms under load characteristic with different methods

根據圖10波形以及所得數據可知實驗結果如表5所示。通過圖10及表5可知，兩種控制策略下動態(tài)響應速度都較快，但SVM-DTC控制下的驅動電機反應更快且精度更高，能有效減小轉矩的脈動，波形更加平滑，保證了電纜恒定張力的控制，可獲得更優(yōu)秀的動態(tài)性能。將所得磁鏈繪圖，如圖11所示。可以看出，SVM-DTC控制下磁鏈軌跡更為圓滑，毛刺較少。

表5 動態(tài)響應轉矩對比表Tab.5 Comparison of dynamic response

圖11 給定負載兩種控制策略下磁鏈軌跡Fig.11 Flux locus under load characteristic with different methods

6 結論

仿真結果表明，基于自適應模糊PID的SVM-DTC控制策略下的電纜絞車驅動系統(tǒng)具有良好的速度穩(wěn)定性和較高的精度。面對復雜的海洋環(huán)境，其可以滿足電纜在收、放過程中加減速的需求。驅動電機在該控制策略下的電磁轉矩可以快速、有效地跟蹤負載轉矩變換，實現電纜恒張力控制。同時改進了傳統(tǒng)直接轉矩控制方式的缺點，采用SVPWM調制方式，有效減少了電磁轉矩波動，精度更高，輸出更為平滑，反應更快。該策略適用于當今電纜絞車系統(tǒng)，值得進一步研究并應用于生產當中。

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Study of SVM-DTC strategy on drive motor of cable winch

AN Bo-nan1， ZHOU La-wu1，2， YAN Xiao-min1， ZHAO Jian-kang1， DENG Xiong1

(1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;2. College of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

Cable winch is a crucial component of the shore power system, and permanent magnet synchronous motor (PMSM) with high efficiency and good maintainability is always used as the drive motor for ship cable winch. In order to deal with the various and complex ocean environment, it is rather important for cable winches to keep the tension constant when picking and laying cables so as to realize constant torque control. According to the particularity of cable winch load which includes time variant, sudden change, and nonlinearity, the combination of self-adapting fuzzy PID controller and direct torque control (DTC) strategy modulated by space vector is presented in this thesis to realize the control. Meanwhile, Matlab/Simulink is used to verify this control strategy. The result indicates that a drive motor controlled by SVM-DTC control strategy based on self-adapting fuzzy PID control can not only maintain the advantages of direct torque control well, but also present excellent dynamic and static characteristics at the same time, which would effectively reduce electromagnetic torque and flux linkage ripple. Therefore it is quite adaptable for the cable winch drive system.

cable winch; PMSM; tension control; self-adjusting fuzzy PID control; SVM-DTC

2016-03-28

國網公司科技項目(KJ2015-068)

安柏楠 (1992-), 男, 山東籍, 碩士研究生,研究方向為電機電器設計及其控制； 周臘吾 (1965-), 男, 湖南籍, 教授, 博士生導師, 研究方向為電力驅動與伺服理論及相關技術。

TM341

A

1003-3076(2016)12-0038-07