基于無速度傳感器的船舶交流推進(jìn)電機(jī)模糊直接轉(zhuǎn)矩控制策略

郭隆軍，俞萬能，田慶元，于洪亮，張文斌

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基于無速度傳感器的船舶交流推進(jìn)電機(jī)模糊直接轉(zhuǎn)矩控制策略

郭隆軍，俞萬能，田慶元，于洪亮，張文斌

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361021）

基于直接轉(zhuǎn)矩控制的普通電力推進(jìn)船在低速航行時(shí)，船舶推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生明顯的周期性振動(dòng)，為改善此問題，本文將模糊控制邏輯引入到推進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中；同時(shí)針對(duì)電力推進(jìn)船上速度傳感器存在的維修、安裝不方便等問題，引入無速度傳感器技術(shù)。通過Matlab對(duì)改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明改進(jìn)后推進(jìn)電機(jī)能夠有效的減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，辨識(shí)后的轉(zhuǎn)速能有效的跟蹤系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

直接轉(zhuǎn)矩控制 模糊邏輯 無速度傳感器

0 引言

在船舶上，電力推進(jìn)相比于直接推進(jìn)方式具有結(jié)構(gòu)緊湊、快速起停和噪音小等優(yōu)點(diǎn)[1]。電力推進(jìn)船根據(jù)電流的不同分為直流、交流以及直流交流相結(jié)合電力推進(jìn)，由于直流推進(jìn)電機(jī)構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜、調(diào)速范圍小、體積較大、價(jià)格貴、輸出功率小等缺點(diǎn)，逐步被交流推進(jìn)電機(jī)所取代[2-3]。在船舶上加設(shè)速度傳感器會(huì)使船舶造價(jià)提高、日常檢修困難，增加整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度，而且還受潮濕、高溫、振動(dòng)等現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制，故無速度傳感器得以應(yīng)用[4]。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是直接將推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩作為被控量來調(diào)節(jié)船舶的航速，因其良好的控制效果在近年來得到快速的發(fā)展[5]。但存在船舶在海域航行時(shí)轉(zhuǎn)矩會(huì)出現(xiàn)明顯的周期性振動(dòng)的缺點(diǎn)[6]，特別是當(dāng)船舶在靠港時(shí)，船舶航速較低，轉(zhuǎn)矩振動(dòng)更加嚴(yán)重[7-11]。為改善此問題，國內(nèi)外學(xué)者提出不同解決方法。文獻(xiàn)[12]采用多位滯環(huán)比較器，文獻(xiàn)[13]應(yīng)用預(yù)測(cè)電壓矢量法，有的文獻(xiàn)提出占空比控制技術(shù)，都獲得了同時(shí)減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)的優(yōu)良性能。

本文以船舶三相異步交流推進(jìn)電機(jī)作為研究對(duì)象，將模糊控制邏輯引用到船舶調(diào)速控制上，以此來改善船舶調(diào)速性能。并采用模型參考自適應(yīng)（MRAS）來對(duì)推進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行識(shí)別。仿真結(jié)果表明這種調(diào)速控制方法用于電力推進(jìn)電機(jī)上能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，速度傳感器能夠很好地進(jìn)行轉(zhuǎn)速辨識(shí)，對(duì)電力推進(jìn)船的正常航行有一定的理論研究意義與工程應(yīng)用價(jià)值。

1 模糊直接轉(zhuǎn)矩控制原理

在推進(jìn)電機(jī)定子靜止坐標(biāo)系下，將電機(jī)定子電流、電壓的測(cè)量值進(jìn)行坐標(biāo)變換，由交流電機(jī)的基本理論可以推導(dǎo)出在兩相靜止坐標(biāo)系下推進(jìn)電機(jī)的定子磁鏈值以及轉(zhuǎn)矩大小。對(duì)磁鏈進(jìn)行矢量分解得到磁鏈的幅值和在此時(shí)刻的扇區(qū)位置。將由矢量分解得到的磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩分別與推進(jìn)電機(jī)的給定值相減得到兩者的偏差量。兩個(gè)偏差量和扇區(qū)位置作為三個(gè)變量一起輸入到模糊控制器中。在控制器內(nèi)部經(jīng)過變量模糊化、邏輯判斷、對(duì)模糊變量解模糊化后得到逆變器的開關(guān)狀態(tài)，以此來調(diào)整定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度。電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)屬于相互耦合的關(guān)系，根據(jù)電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)的關(guān)系可以知改變定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度可以減小或增大與電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相對(duì)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制船舶推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模糊直接轉(zhuǎn)矩控制總體結(jié)構(gòu)圖

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.1 選取模糊量

圖2 的隸屬度函數(shù)

圖3 的隸屬度函數(shù)

經(jīng)過解模糊之后，將逆變器的開關(guān)狀態(tài)作為輸出。把三個(gè)開關(guān)量輸出全部表示為一個(gè)清晰的數(shù)字量輸出，考慮到輸出變量為離散值，不用對(duì)其模糊子集進(jìn)行細(xì)化，其論域?yàn)閧0,1,2,3,4,5,6,7}。輸出隸屬函數(shù)如圖5所示。

圖4 的隸屬度函數(shù)圖

圖5 開關(guān)量的隸屬函數(shù)

2.2 建立模糊控制規(guī)則

模糊規(guī)則是依據(jù)兩個(gè)方面制定的，一個(gè)是已有的一些經(jīng)驗(yàn)，另一個(gè)是理論分析逆變器開關(guān)狀態(tài)。下面分析當(dāng)磁鏈處于某一扇區(qū)時(shí)，不同地電壓矢量對(duì)推進(jìn)電機(jī)磁鏈與轉(zhuǎn)矩的影響，下圖6所示的是電壓空間矢量圖及扇區(qū)位置。當(dāng)磁鏈在下圖所示的位置時(shí)，、、使磁鏈幅值增大，、、使磁鏈幅值減少。同時(shí)、、增大轉(zhuǎn)矩，、、減小轉(zhuǎn)矩，、不改變轉(zhuǎn)矩大小。若磁鏈在此位置需要減小磁鏈幅值，并使轉(zhuǎn)矩減小，可以選擇、。在實(shí)際控制中，有些電壓矢量的控制效果是類似的，因此我們要選擇最優(yōu)的電壓矢量。根據(jù)以上的分析方法可以推得定子磁鏈在另外十一個(gè)區(qū)間的情況，最終可得到180條規(guī)則的模糊規(guī)則。具體規(guī)則如表1所示。

圖6 空間電壓矢量圖

2.3 模糊規(guī)則推理

本文采用Mamdani型乘法推理?？刂浦胁捎玫哪：评硪?guī)則語言為：ifandandthen。開關(guān)量輸出的隸屬函數(shù)為:、、和分別為、、和的隸屬度；“”為 “取小”算子；max表示當(dāng)取隸屬度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)輸出。

3 電機(jī)轉(zhuǎn)速估算方法

無速度傳感器的發(fā)展來自于對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性的要求及船舶的特殊環(huán)境的限制。不依賴于硬件而是直接根據(jù)所檢測(cè)的電流值、電壓值等來計(jì)算出船舶推進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

模型參考自適應(yīng)(MRAS)是以一個(gè)模型為標(biāo)準(zhǔn)，通過調(diào)節(jié)另一模型來調(diào)整的參數(shù)的一種自適應(yīng)控制。本文將含轉(zhuǎn)速的電流模型作為可調(diào)模型，不含轉(zhuǎn)速的電壓模型作為參考模型，輸出的轉(zhuǎn)子磁鏈誤差作為比例積分自適應(yīng)率的輸入，誤差為零時(shí)證明估計(jì)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速一致。

異步電機(jī)在坐標(biāo)系下電壓模型

u?, u——定子電壓在坐標(biāo)系下軸和軸的分量，V；

式中，

廣義誤差為:

將得到的廣義誤差輸入到PI調(diào)節(jié)器中，實(shí)現(xiàn)估計(jì)轉(zhuǎn)速逼近實(shí)際轉(zhuǎn)速

4 仿真對(duì)比

本文根據(jù)船用推進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在Matlab/Smulink對(duì)加入模糊控制邏輯的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并與原來未加入模糊控制邏輯的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

仿真所用到的參數(shù)為Matlab/Smulink自帶的電機(jī)參數(shù)，具體如下：P=150 kW，=460 V，=50 Hz，=0.01485，=0.009295 Ω，=0.003027 H，=0.003027 H，=0.01046 H，=2，=3.1，在異步電機(jī)空載條件下，0～0.5 s轉(zhuǎn)速設(shè)為200 r/min.0.5～1 s轉(zhuǎn)速設(shè)定為500 r/min。在相同條件下，分別對(duì)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7為2種系統(tǒng)的定子磁鏈軌跡曲線，同時(shí)在2種控制系統(tǒng)中取0.5～0.8 s時(shí)間段的定子磁鏈值進(jìn)行對(duì)比。傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中磁鏈脈動(dòng)為0.018 Wb，而模糊直接轉(zhuǎn)矩控制定子磁鏈脈動(dòng)為0.01 Wb，因此基于模糊控制下的定子磁鏈脈動(dòng)更小。

(a)基于模糊控制下轉(zhuǎn)矩仿真曲線

(b)傳統(tǒng)控制下轉(zhuǎn)矩仿真曲線

(a)實(shí)際轉(zhuǎn)速與估算轉(zhuǎn)速曲線

(b)局部放大圖

圖9 實(shí)際轉(zhuǎn)速與估算轉(zhuǎn)速曲線

圖8為2種系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩曲線。與定子磁鏈比較方法相同，取0.5～0.8 s時(shí)間段的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)作為比較，傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為40，模糊直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為20。

圖9為MRAS轉(zhuǎn)速辨識(shí)得到的轉(zhuǎn)速曲線，圖9中黑色曲線表示MRAS轉(zhuǎn)速辨識(shí)曲線，紅色曲線為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線，通過圖9（a）可以看出估算轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速基本重合，將圖9（a）局部放大，截取0.2～0.4 s的轉(zhuǎn)速曲線，如圖9（b）所示，可以計(jì)算速度觀測(cè)值誤差為1%。說明了本文MRAS的轉(zhuǎn)速辨識(shí)模型能很好的進(jìn)行轉(zhuǎn)速的識(shí)別。

5 結(jié)論

本文針對(duì)電力推進(jìn)船在低航速下推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的缺點(diǎn)，引入模糊理論。Matlab/Simulink仿真結(jié)果表明加入模糊控制邏輯后推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與磁鏈脈動(dòng)比原來的更小，控制性能得到明顯提高。將基于MRAS的無速度傳感器技術(shù)應(yīng)用到船舶推進(jìn)電機(jī)中，可以很好的對(duì)推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行識(shí)別。

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Control Strategy of Fuzzy Direct Torque for Ship Propulsion Motor Based on Speed Sensorless

Guo Longjun, Yu Wanneng, Tian Qingyuan, Yu Hongliang, Zhang Wenbin

(Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China)

TM743

A

1003-4862（2017）07-0015-05

2017-03-25

國家自然科學(xué)基金（51679106），交通部應(yīng)用基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（2015329815160），福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目資助（2015Y0038/2016H6017），廈門市科技計(jì)劃項(xiàng)目（3502Z20151231）

郭隆軍(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：船舶電力推進(jìn)及其控制。