吊舱式推进器中的伺服电机控制

苗壮++武俊峰++王显博

摘要：吊舱式推进器是二十一世纪后研发出来的新型推进装置，既能减轻载荷又可以提高舰船总体性能。本文主要研究推进器中的永磁同步电机的转速控制问题，结合SVPWM空间矢量脉宽调制技术和模糊PI原理设计的控制器，在电机转速控制的稳定性方面有很大提升。SVPWM原理能明显减小逆变器输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗，降低脉动转矩，且其控制简单，数字化实现方便，电压利用率高。模糊控制器可以简化系统设计复杂性，特别适用于非线性、时变的系统。

关键词：模糊PI控制；SVPWM原理；永磁同步电机

DOI：10.15938/j.jhust.2015.03.010

中图分类号：TP273+.4

文献标志码：A

文章编号：1007-2683 （2015）03-0051- 05

O 引 言

国外对吊舱式推进器技术的研究起步较早、较深入，在大多数国家的军队尤其是海军中对这项技术已经投入了大量人力和财力的研究，并在推进效率、噪声消除、操作性能等方面有很大进步，在海军舰艇中的应用极其广泛.

永磁同步电动机与感应式异步电机相比不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，减小定子电流和电阻损耗，效率比同规格的异步电动机提高了2% -8%.而且永磁同步电动机的效率一般在25%- 120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时的节能效果更为显著.因此本文将永磁同步电机代替异步电动机作为推进器的动力机，

要想使推进器获得更好的性能应主要从两方面下手：先进变频技术和合适的控制方式.与传统的变频控制相比矢量控制可以明显减小逆变器输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗，降低脉动转矩，并且其控制简单，数字化实现方便，电压利用率高.SVP-WM矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律，磁场定向坐标通过矢量变换，将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使这两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流电动机一样良好的动态特性.因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置（频率和相位）的控制，矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终的实施是对id，iq的控制.由于定子侧的物理量都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，因此调节、控制和计算都不方便.需借助复杂的坐标变换进行矢量控制.

本文通过Simulink搭建SVPWM变流模块和模糊PI控制器的，对永磁同步电机转速控制进行仿真，验证该方式的控制效果.

1 电机数学模型及SVPWM技术

1.1 电机模型

电机定子的电压方程式：

其中： 为三相绕组相电压； 为每相绕组电阻； 为三相绕组相电流； 为三相绕组的磁通； 为微分算子.

1.2

SVPWM原理

SVPWM实际上是对三相电压源逆变器功率器件的一种特殊的开关触发方式的组合，这种开关触发顺序组合将在电机定子线圈中产生相差为120。的波形失真较小的正弦波电流.

图1中 是6个功率开关，a、b、c代表3个桥臂的开关状态，规定当上桥臂为“开”状态时，开关状态为1；当下桥臂为“开”状态时，开关状态为0.这6个开关器件组合起来共有000、001、010、011、100、101、110、111，8种的开关状态.其中000、111这两种开关状态在电机驱动中都不会产生有效的电流.因此称其为零矢量，

另外6种开关状态分别是6个有效矢量.它们将3600的电压空间分为6个扇区，每扇区600，如图2所示.利用这6个基本有效矢量，可以合成3600内的任何矢量.

当要合成某一矢量时先将这一矢量分解到离它最近的两个基本矢量，用这两个基本矢量去表示，如图3所示，而每个基本矢量的作用大小就利用作用时间 和 去代表，计算公式如下，用基本电压矢量按照不同的时间比例去合成所需要的电压矢量，从而保证生成电压波形近似于正弦波，

图中 和 代表两个相邻的基本电压空间矢量， 是输出的参考相电压矢量，其幅值代表相电压的幅值，其旋转角速度是输出正弦电压的角频率，通过坐标分解，用两个基础向量的矢量和表示. 的作用时间.

为了知道用哪两个基础矢量来分解 就必须先知道该矢量位于第几扇区，值，Xu为控制量论域的幅值.n为偏差变量模糊子集最大值，m为偏差变化率变量模糊子集最大值，l为控制量模糊子集最大值.

为中间变量，按照上述公式计算出 .将 分解到 坐标系中得到 和 设扇区变量为SEC.

当 时a=l，否则a=0；

当 时b=l，否则b=0；

当 时c=l，否则c=0；

计算扇区公式为：SEC=a+2b +4c共有8种组合方式，但由于a，b，c不能同时为1或0，所以只有6种组合.

2 模糊PI控制原理

模糊控制系统通常由模糊控制器、执行机构、被控对象和检测装置等部分组成，如图4所示，

图4模糊逻辑控制系统原理图

模糊自适应PI控制器是建立在PI控制基础上的，控制器的输入量是系统偏差E，经过模糊规则分析推理，查询模糊矩阵表来调整参数从而提高提高系统综合性能.

模糊PI控制器的设计通常按以下步骤进行：

1）确定输入输出变量

由结构图易知此系统为一个多输人多输出的系统，输入变量为偏差E和偏差变化率EC，输出为PI控制器的比例系数Kp和积分Ki，这类控制器的一般形式为：

在此系统中X1为偏差量E、X2为偏差变化率EC，模糊推理的输出信号 为控制器的Kp和Ki参数.

2）量化因子和比例因子的确定

计算公式为：

其中：XE为偏差论域幅值，Xc为偏差变换率论域幅

图5模糊自适应PI控制器结构图

在本文中的PMSM矢量控制系统中：

3）输入输出变量的模糊化处理

偏差量E的量化论域为E=[-50，50]，语言值集合为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}.偏差变化率EC的量化论域为[-2e +005，2e +005]，论域的语言集合为 .

设 的基础论域为 ，论域上的语言集合为 .设K，的基础论域为{1，3.5，6}，语言集合为 .

为了节省CPU的运算时间，增强系统的实时性，节省系统存储空间的开销，通常离线进行模糊矩阵计算和输出U的计算.因此将实际的Ki和Kp控制策略归纳为控制规则表.

3 控制系统设计及其仿真

通过电流传感器测量逆变器输出的定子电流，经过坐标变换将三相电流转化为旋转坐标系中的直流分量id、iq，并将其作为电流环的负反馈送与给定量进行比较产生偏差.将检测到的电机实际速度作为速度环的负反馈量，并与给定速度进行比对产生速度的偏差.速度偏差经过速度PI调节器，输出用于转矩控制的电流的q轴参考分量 和 ，（等于零）与电流反馈量 的偏差进过电流PI调节器，分别送出dq0旋转坐标系的定子相电压矢量的分量Vd、vq，在通过Park逆变换转换成 坐标系的定子相电压矢量 .

其中：PMSM的额定转矩为0.8 N.m，额定转速为3000 r/min，最大母线电压300 V.给定设置为200，仿真时间0.06 s，仿真结果见下图.

由图10转速曲线计算得出，系统的超调量为0.5%，调整时间0.004 s，稳态误差与震荡都很小.满足推进器的控制要求.

为了检测系统在变速运行时效果，给定一个幅值为200 rad/s，频率为50 Hz的信号，仿真结果11、12、13图.

如图11所示，验证设定值连续高频变化时的响应效果.表明在即使受到一定干扰也能够对电机的转速实现快速准确控制.

除了电机转速之外，如图12和图13所示，列出了电机转矩和三相电流的波形曲线.从其它角度再次验证了控制方式的鲁棒性.

4 结 论

综合上述分析，可以得出结论：应用了模糊PI算法与SVPWM技术的控制系统，使得永磁同步电机在转速能够快速的达到预定速度且系统超调及稳态误差都非常小，达到了非常高的控制精度.