船舶永磁同步推进电动机的基于滑模变结构的SVM—DTC方法
时间：2020-12-15 04:02:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：为解决船舶电力推进系统在螺旋桨负载受到风浪干扰时的稳定性问题，采用永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM）作为推进电动机，在空间矢量调制（Space Vector Modulation，SVM）方法和直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）方法的基础上，提出一种基于滑模变结构的SVMDTC方法.通过
Simulink搭建模型进行船舶工况仿真，对推进电动机的转速和电磁转矩进行分析.仿真结果表明采用滑模控制的船舶电力推进系统具有很好的静态、动态特性和鲁棒性.
关键词： 船舶电力推进； 永磁同步电动机（PMSM）； 空间矢量调制（SVM）； 直接转矩控制（DTC）； 滑膜控制
中图分类号： U665.13
文献标志码： A
Abstract： To improve the stability of the ship electric propulsion system when the propeller is suffering wind and wave disturbance， Permanent Magnet Synchronous Motors （PMSMs） are used as propulsion motors， Space Vector Modulation （SVM） method and Direct Torque Control （DTC） method are considered， and the sliding modebased SVMDTC method is proposed. A model is constructed to simulate different working conditions of ships by Simulink， and the rotational speed and the electromagnetic torque of propulsion motors are analyzed. The simulation results prove that the ship electric propulsion system based on sliding mode control is of good static and dynamic characteristics and robustness.
Key words： ship electric propulsion； Permanent Magnet Synchronous Motor （PMSM）； Space Vector Modulation （SVM）； Direct Torque Control （DTC）； sliding mode control
0 引 言
永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）因其功率密度大和控制简便等优点，逐步取代传统的电励磁同步电动机[14]，特别是采用永磁材料可以方便地构成低速电动机，用作船舶电力推进电动机来驱动螺旋桨负载[56].随着大功率变频器空间矢量调制（Space Vector Modulation，SVM）技术和直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）方法的发展[7]，采用SVMDTC技术能直接控制同步电动机的转矩，具有优越的静、动态调速性能[8].然而，船舶航行時会受到风浪扰动，也可能遇到螺旋桨受阻或脱落等特殊工况[9]，仅采用DTC会因参数变化和外部扰动加大电动机的转矩脉动，影响系统性能和运行稳定.
本文针对上述问题，提出一种基于滑模变结构的SVMDTC方法.引入滑膜控制（Sliding Mode Control，SMC）器来取代DTC中的转速PI调节器，构成SMC与DTC集成的控制方法，实现船舶PMSM的变频调速，并通过建模与仿真，验证在风浪扰动下船舶推进控制的鲁棒性.
1 船舶电力推进系统结构与建模
船舶电力推进系统一般由电动机、变流器和螺旋桨负载组成.本文采用PMSM作为推进电动机，通过采用SVM的电压型逆变器调速.
1.1 船舶PMSM的DTC系统结构
传统的PMSM的DTC利用磁链和转矩滞环比较器控制磁链和转矩实现对电动机转矩的直接控制[9]，其优点是没有电流闭环，也不需要旋转坐标变换，缺点是磁链、转矩脉动大增.这种系统可采用基于空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation， SVPWM）的DTC，即SVMDTC[10].
由式（22）可知，该速度控制器的输出为转矩，它的3个分量都经过了积分器滤波，这样可以减弱抖振现象，提高系统的稳定性和精确度.
要按照一定的顺序设计SMC器的各参数.首先设定a和b的值，这是因为从式（22）可以看出a和b是指数，会导致状态变量变化迅速.逐渐增大a和b的值直到系统出现抖振，得到a或b的上限值.为防止出现抖振，a和b在这个值的基础上适当减小一点.参数c作为一个比例系数，会影响系统进入滑模面后的收敛速度.参数 ε和k 分别为变指数趋近律系数和变终端吸引趋近律系数，取值不宜过大，否则会增加滑模抖振现象.最后决定参数p和q的值（与变终端吸引趋近律的收敛时间的关系比较大）.本文选取p=5，q=3，X=x1.
其中c0是常数.由该式可知，因为线性滑模面使x1按指数趋近于0，所以能够无超调地实现速度跟踪，而当系统参数或者负载发生变化时，系统运动不会变化，即在SMC下，开关面参数可决定系统的品质，与系统参数和扰动无关，因此SMC方法具有不可忽略的优势，具有很好的鲁棒性和快速性.
