船舶电力推进直接转矩与转速复合控制

张桂臣，马捷

(上海交通大学 海洋工程国家实验室，上海 200030)

综合全电力推进(IFEP)是现代船舶电力推进研究方向之一［1］，IFEP系统在海洋工程船、客船、特种用途船等船上的广泛应用一直是研究的热点［2］.推进电机是IFEP的核心设备与研究重点之一［3-5］，并且其控制技术是船舶电力推进的关键技术［6-7］.目前，船舶电力推进领域的理论研究、实验研究与仿真验证都非常重视并取得较多研究成果［3-10］.然而，IFEP为MIMO非线性复杂系统，推进电机与螺旋桨之间相互影响严重且难以精确地描述［11］.文献［6-9］用两台异步电动机对拖试验模拟船舶电力推进的功能，其主要控制目标为推进电机的转速，但其控制策略中没有利用螺旋桨的动态性能.频繁操纵推进电机时，尤其是遭遇恶劣海况情况下，这将导致推进系统的转矩、转速和功率的严重振荡.

本课题采用SIEMENS最新技术SIMOTION，由统一的工程开发软件SCOUT和多种硬件平台SINAMICS，建立全新的船舶电力推进Siemens-Schottel-Propulsion(SSP)半实物仿真系统.重点分析电力推进的转矩、转速与功率动态特性，并应用于推进电机直接转矩与转速的复合控制，获得精确和平滑的功率与转矩控制，最小的转速脉动，意味着更少的机械磨损、导致更低的维护成本.

1 SIMOTION船舶电力推进系统设计

SIEMENS SIMOTION控制系统及异步电动机组成吊舱式SSP电力推进半实物仿真系统［12］，如图1所示，该系统能实现船舶电力推进的运动控制、逻辑和运算功能，提供测试和验证平台.在SIMOTION电力推进系统仿真平台上可进行推进电机操纵及其复合控制试验.

图1中的主要部件如下:

1)SCOUT是电力推进控制系统的软件平台，提供统一的功能导向的自动化控制及其编程.

2)WinCC Flexible是创建和编辑SSP操作界面HMI的工程软件.

3)SITOP:24VDC电源模块.

4)D425:电力推进系统的运动控制核心(CPU).

5)SINAMICS双轴电机模块VECTOR:一个轴驱动吊舱推进电机，实现复合控制;另一个轴驱动回转电机，进行定位控制.

6)SINAMICS单轴电机模块VECTOR:控制与推进电机对拖的负载电动机，模拟螺旋桨，它采用的是转矩控制.

7)模块SMC10处理编码器信号，将SSP的回转转速、位置值经DRIVE-CliQ实时传给控制单元.

8)电抗器与电源滤波器消除谐波干扰.

9)推进器由SSP、回转电机、推进电机和负载电机组成.

图1 SIMOTION船舶电力推进仿真系统Fig.1 Simulation of the marine electric propulsion system based on SIMOTION

2 船舶电力推进系统的动态特性

SSP的推进电机由SINAMICS电机模块驱动，推进电机的转子轴直接驱动螺旋桨.由螺旋桨的推力Fp、转矩Tp和功率Pp表达式［11］，得出SSP转速:

式中:n1、n2和n3为SSP转速的不同表达形式.海水密度ρ=1 025 kg/m3，KT、KF分别是无因次的转矩系数、推力系数，D是螺旋桨直径.

由式(1)～(3)得推进电机复合控制转速为

式(4)复合转速Σ n包含了SSP的推进特性.

由式(1)、(2)得

由式(2)、(3)得

由式(1)～(3)得

于是，由式(5)、(7)得SSP的复合推力

由式(2)、(6)得SSP的复合转矩

SSP的动态平衡式为

式中:Is为SSP的转动惯量，Tm是推进电机转矩，Ts是SSP的静态摩擦转矩，ω=2πnm和nm分别是推进电机的角速度和转速，kω是线性摩擦系数，τm是推进电机时间常数.Tsp为推进电机的转矩指令，SIMOTION电力推进采用直接转矩控制(DTC)技术，不需速度和相位角编码器，可降低维护成本和确保高的可靠性.

Σ n、Σ F、Σ Tp的仿真结果如图2、3所示:

图2 n1、n2和n3的仿真结果Fig.2 The simulation result of n1，n2and n3

图3 复合算法仿真结果Fig.3 The simulation result of the hybrid algorithm

图2、3中的参数全部刻度化为无量纲的标准值，这样处理方便，可在同一坐标下表示多个变量，便于比较分析不同算式之间的结果.参数 KF= 0.393、ρ=1.025、D=4、KT=0.0655.图2中的Fp、Tp和Pp由式(1)～(3)分别对应于n1、n2和n3，n1、n2和n3之间为局部线性关系，不同范围段的增益是变化的，表明推进动力Fp、Tp和Pp对Σ n的影响程度不同.图3中，Fp和 Pp、F1和 F2、Tp1和Tp2、Σ F和Σ Tp随Σ n的变化关系，具有非线性特性.

3 推进电机的复合控制

SSP推进电机速度反馈控制算法为

式中:kp和ki是PI的增益系数.其中，e=［nset(t+ 1)－Σ n(t+1)］－［nset(t)－Σ n(t)］，nset为推进电机的设定转速.

由式(5)、(8)得推进电机的转矩前馈控制算法为

由SSP的推力Fp、转矩Tp和功率Pp表达式［11］可得推进电机的功率前馈控制算法为

则

式中:Tm1、Tm2和Tm3分别对应推进电机的速度控制、转矩控制和功率控制的指令转矩，Pm是推进电机功率.

综合推进电机的转速-转矩-功率控制策略，由式(13)、(14)和(16)得

式中:Σ Tc为复合控制指令，权重函数α(Σ n)为

式中:k、λ和γ为大于0的常数，且满足以下条件

α(Σ n)仿真结果如图4所示.

图4 α(Σ n)的仿真结果Fig.4 The simulation result of α(Σ n)

图4中，参数k、λ和γ的不同取值，权重函数α(Σ n)曲线的形状一致.k越大，权重函数曲线基宽变窄;λ越大，权重函数曲线越瘦，基宽变小，峰顶变尖，则选择性好;γ越大，权重函数曲线越胖，基宽变小，峰部平坦，则稳定性好.

4 结果分析

建立图1所示的基于SIMOTION船舶电力推进模拟系统，推进电机和模拟螺旋桨电机均为三相异步电动机，可处于电动状态，也可处于再生发电状态，且都工作在稳定区域.电机全负荷运行时，在线检测结果如图5所示.

图5 电机在线参数检测Fig.5 Motor parameter on-line detecting

分别以速度控制、转矩控制和功率控制的试验结果如图6～8所示.

图6为推进电机转速控制结果，图6(b)所示的转矩大幅度波动;图7为推进电机转矩控制结果，图7(a)所示的转速波动幅度较小;图8为推进电机功率控制结果，图8(a)和图8(b)所示的转速和转矩波动幅度最小.显然，转矩控制和功率控制的效果要比转速控制的效果好，而功率控制的效果最好.

图6～8表明，采用功率控制策略时，由于推进电机转速和转矩的乘积决定了其功率大小，根据推进负荷和海况，同时控制推进电机的转速和转矩，保持功率稳定，可获得最佳的控制效果，图8所示，转速与转矩变动平滑，脉动最小.功率变化时，转速和转矩可都增大、都减小或一个增大而另一个减小，两者变动的幅度也不同.因此，基于SIMOTION的船舶电力推进直接转矩与转速复合控制的策略是理想的、灵活的.

图6 速度控制试验结果Fig.6 The test result of speed control

图7 转矩控制试验结果Fig.7 The test result of torque control

图8 功率控制试验结果Fig.8 The test result of power control

5 结束语

在分析船舶电力推进SSP动态特性的基础上，提出了推进电机直接转矩与转速的复合控制算法，利用SIEMENS最新技术SIMOTION，建立了电力推进SSP模拟系统.进行了船舶电力推进的速度控制、转矩控制和功率控制的试验研究，并对这3种控制策略进行了比较分析，得出了功率控制最好的结果.下一步工作将在SIMOTION船舶电力推进模拟试验台上，进行摩擦转矩与惯性矩预测估计，应用于复合控制的前馈补偿研究，进一步提高船舶电力推进的鲁棒性能.

［1］APSLEY J M，GONZALEZ-VILLASENOR A，BARNES M，SMITH A C.Propulsion drive models for full electric marine propulsion systems［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2009，45(2):676-684.

［2］ERICSEN T，HINGORANI N，KHERSONSKY Y.Power electronics and future marine electrical system［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2006，42(1):155-163.

［3］王步来，顾伟，褚建新.船舶电力推进用双三相永磁同步电动机建模［J］.哈尔滨工程大学学报，2009，30(4): 347-352.

WANG Bulai，GU Wei，CHU Jianxin.Modeling a dual three-phase permanent magnet synchronous motor for electrical propulsion of ships［J］.Journal of Harbin Engineering University，2009，30(4):347-352.

［4］张敬南.船舶电力推进六相同步电动机控制系统研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2009:1-112.

ZHANG Jingnan.Six-phase synchronism motor control system for the ship electric propulsion［D］.Harbin:Harbin Engineering University，2009:1-112.

［5］陶果.新型横向磁场永磁电力推进电动机的研究［D］.北京:清华大学，2007:1-81.

TAO Guo.Studies on novel transverse flux permanent magnetic propulsion motor［D］.Beijing:Tsinghua University，2008:1-81.

［6］薛士龙.船舶电力推进仿真装置及其关键技术的研究［D］.上海:上海海事大学，2006:9-96.

XUE Shilong.Marine electric propulsion simulator and its research on key technologies［D］.Shanghai:Shanghai Maritime University，2006:9-96.

［7］高海波.船舶电力推进系统的建模与仿真［D］.武汉:武汉理工大学，2008:1-180.

GAO Haibo.Modeling and simulation for marine electrical propulsion system［D］.Wuhan:Wuhan University of Technology，2008:1-180.

［8］刁利军，沈茂盛，林文立.电力推进负载模拟系统原理分析和实现［J］.电工技术学报，2009，24(7):70-75.

DIAO Lijun，SHEN Maosheng，LIN Wenli.Principle analysis and realization of electric propulsion load simulation system［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24(7):70-75.

［9］贺慧英，沈建清.舰船电力推进负载试验技术研究［J］.哈尔滨工程大学学报，2009，30(4):383-389.

HE Huiying，SHEN Jianqing.Experimental techniques for marine electrical propulsion［J］.Journal of Harbin Engineering University，2009，30(4):383-389.

［10］赵敏.基于混沌理论的电力推进船舶电力负荷预测［D］.大连:大连海事大学，2008:1-99.

ZHAO Min.Electric propulsion ship load foercasting based on chaos theory［D］.Dalian:Dalian Maritime University，2008:1-99.

［11］SORENSEN A J，SMOGELI O N.Torque and power control of electrically driven marine propellers［J］.Control Engineering Practice，2009，17(9):1053-1064.

［12］张桂臣.复合误差模型自适应船舶控制系统的应用研究［D］.大连:大连海事大学，2009:147-159.

ZHANG Guichen.The study and application of hybrid error adaptive model for ship control systems［D］.Dalian: Dalian Maritime University，2009:147-159.