吊艙式推進器中的伺服電機控制

苗壯++武俊峰++王顯博

摘要：吊艙式推進器是二十一世紀后研發出來的新型推進裝置，既能減輕載荷又可以提高艦船總體性能。本文主要研究推進器中的永磁同步電機的轉速控制問題，結合SVPWM空間矢量脈寬調制技術和模糊PI原理設計的控制器，在電機轉速控制的穩定性方面有很大提升。SVPWM原理能明顯減小逆變器輸出電流的諧波成分及電機的諧波損耗，降低脈動轉矩，且其控制簡單，數字化實現方便，電壓利用率高。模糊控制器可以簡化系統設計復雜性，特別適用于非線性、時變的系統。

關鍵詞：模糊PI控制；SVPWM原理；永磁同步電機

DOI：10.15938/j.jhust.2015.03.010

中圖分類號：TP273+.4

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683 （2015）03-0051- 05

O 引 言

國外對吊艙式推進器技術的研究起步較早、較深入，在大多數國家的軍隊尤其是海軍中對這項技術已經投入了大量人力和財力的研究，并在推進效率、噪聲消除、操作性能等方面有很大進步，在海軍艦艇中的應用極其廣泛.

永磁同步電動機與感應式異步電機相比不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數，減小定子電流和電阻損耗，效率比同規格的異步電動機提高了2% -8%.而且永磁同步電動機的效率一般在25%- 120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數，使輕載運行時的節能效果更為顯著.因此本文將永磁同步電機代替異步電動機作為推進器的動力機，

要想使推進器獲得更好的性能應主要從兩方面下手：先進變頻技術和合適的控制方式.與傳統的變頻控制相比矢量控制可以明顯減小逆變器輸出電流的諧波成分及電機的諧波損耗，降低脈動轉矩，并且其控制簡單，數字化實現方便，電壓利用率高.SVP-WM矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流電動機上模擬直流電機轉矩的控制規律，磁場定向坐標通過矢量變換，將三相交流電動機的定子電流分解成勵磁電流分量和轉矩電流分量，并使這兩個分量相互垂直，彼此獨立，然后分別調節，以獲得像直流電動機一樣良好的動態特性.因此矢量控制的關鍵在于對定子電流幅值和空間位置（頻率和相位）的控制，矢量控制的目的是改善轉矩控制性能，最終的實施是對id，iq的控制.由于定子側的物理量都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉速旋轉，因此調節、控制和計算都不方便.需借助復雜的坐標變換進行矢量控制.

本文通過Simulink搭建SVPWM變流模塊和模糊PI控制器的，對永磁同步電機轉速控制進行仿真，驗證該方式的控制效果.

1 電機數學模型及SVPWM技術

1.1 電機模型

電機定子的電壓方程式：

其中： 為三相繞組相電壓； 為每相繞組電阻； 為三相繞組相電流； 為三相繞組的磁通； 為微分算子.

1.2

SVPWM原理

SVPWM實際上是對三相電壓源逆變器功率器件的一種特殊的開關觸發方式的組合，這種開關觸發順序組合將在電機定子線圈中產生相差為120。的波形失真較小的正弦波電流.

圖1中 是6個功率開關，a、b、c代表3個橋臂的開關狀態，規定當上橋臂為“開”狀態時，開關狀態為1；當下橋臂為“開”狀態時，開關狀態為0.這6個開關器件組合起來共有000、001、010、011、100、101、110、111，8種的開關狀態.其中000、111這兩種開關狀態在電機驅動中都不會產生有效的電流.因此稱其為零矢量，

另外6種開關狀態分別是6個有效矢量.它們將3600的電壓空間分為6個扇區，每扇區600，如圖2所示.利用這6個基本有效矢量，可以合成3600內的任何矢量.

當要合成某一矢量時先將這一矢量分解到離它最近的兩個基本矢量，用這兩個基本矢量去表示，如圖3所示，而每個基本矢量的作用大小就利用作用時間 和 去代表，計算公式如下，用基本電壓矢量按照不同的時間比例去合成所需要的電壓矢量，從而保證生成電壓波形近似于正弦波，

圖中 和 代表兩個相鄰的基本電壓空間矢量， 是輸出的參考相電壓矢量，其幅值代表相電壓的幅值，其旋轉角速度是輸出正弦電壓的角頻率，通過坐標分解，用兩個基礎向量的矢量和表示. 的作用時間.

為了知道用哪兩個基礎矢量來分解 就必須先知道該矢量位于第幾扇區，值，Xu為控制量論域的幅值.n為偏差變量模糊子集最大值，m為偏差變化率變量模糊子集最大值，l為控制量模糊子集最大值.

為中間變量，按照上述公式計算出 .將 分解到 坐標系中得到 和 設扇區變量為SEC.

當 時a=l，否則a=0；

當 時b=l，否則b=0；

當 時c=l，否則c=0；

計算扇區公式為：SEC=a+2b +4c共有8種組合方式，但由于a，b，c不能同時為1或0，所以只有6種組合.

2 模糊PI控制原理

模糊控制系統通常由模糊控制器、執行機構、被控對象和檢測裝置等部分組成，如圖4所示，

圖4模糊邏輯控制系統原理圖

模糊自適應PI控制器是建立在PI控制基礎上的，控制器的輸入量是系統偏差E，經過模糊規則分析推理，查詢模糊矩陣表來調整參數從而提高提高系統綜合性能.

模糊PI控制器的設計通常按以下步驟進行：

1）確定輸入輸出變量

由結構圖易知此系統為一個多輸人多輸出的系統，輸入變量為偏差E和偏差變化率EC，輸出為PI控制器的比例系數Kp和積分Ki，這類控制器的一般形式為：

在此系統中X1為偏差量E、X2為偏差變化率EC，模糊推理的輸出信號 為控制器的Kp和Ki參數.

2）量化因子和比例因子的確定

計算公式為：

其中：XE為偏差論域幅值，Xc為偏差變換率論域幅

圖5模糊自適應PI控制器結構圖

在本文中的PMSM矢量控制系統中：

3）輸入輸出變量的模糊化處理

偏差量E的量化論域為E=[-50，50]，語言值集合為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}.偏差變化率EC的量化論域為[-2e +005，2e +005]，論域的語言集合為 .

設 的基礎論域為 ，論域上的語言集合為 .設K，的基礎論域為{1，3.5，6}，語言集合為 .

為了節省CPU的運算時間，增強系統的實時性，節省系統存儲空間的開銷，通常離線進行模糊矩陣計算和輸出U的計算.因此將實際的Ki和Kp控制策略歸納為控制規則表.

3 控制系統設計及其仿真

通過電流傳感器測量逆變器輸出的定子電流，經過坐標變換將三相電流轉化為旋轉坐標系中的直流分量id、iq，并將其作為電流環的負反饋送與給定量進行比較產生偏差.將檢測到的電機實際速度作為速度環的負反饋量，并與給定速度進行比對產生速度的偏差.速度偏差經過速度PI調節器，輸出用于轉矩控制的電流的q軸參考分量 和 ，（等于零）與電流反饋量 的偏差進過電流PI調節器，分別送出dq0旋轉坐標系的定子相電壓矢量的分量Vd、vq，在通過Park逆變換轉換成 坐標系的定子相電壓矢量 .

其中：PMSM的額定轉矩為0.8 N.m，額定轉速為3000 r/min，最大母線電壓300 V.給定設置為200，仿真時間0.06 s，仿真結果見下圖.

由圖10轉速曲線計算得出，系統的超調量為0.5%，調整時間0.004 s，穩態誤差與震蕩都很小.滿足推進器的控制要求.

為了檢測系統在變速運行時效果，給定一個幅值為200 rad/s，頻率為50 Hz的信號，仿真結果11、12、13圖.

如圖11所示，驗證設定值連續高頻變化時的響應效果.表明在即使受到一定干擾也能夠對電機的轉速實現快速準確控制.

除了電機轉速之外，如圖12和圖13所示，列出了電機轉矩和三相電流的波形曲線.從其它角度再次驗證了控制方式的魯棒性.

4 結 論

綜合上述分析，可以得出結論：應用了模糊PI算法與SVPWM技術的控制系統，使得永磁同步電機在轉速能夠快速的達到預定速度且系統超調及穩態誤差都非常小，達到了非常高的控制精度.