电力推进系统控制策略仿真

柯常国，还 芳，王 劲



电力推进系统控制策略仿真

柯常国，还 芳，王 劲

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文从交流异步电动机的数学模型出发，运用Matlab/Simulink仿真软件，以矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）为重点建立仿真模型，针对这两种方式进行仿真分析研究，并对这两种控制方式进行对比仿真试验。

电力推进 矢量控制 直接转矩控制

0 引言

船舶电力推进系统主要由驱动用电动机、螺旋桨和变速控制系统三部分组成。驱动用电动机常用的有两种：同步电动机和鼠笼式感应电动机，应用最为广泛的是鼠笼式感应电动机，变速控制系统通常采用变频调速方式对感应电动机进行调速控制[1]。

1 矢量控制仿真模型

借助于Matlab强大的仿真建模能力，建立一个基于异步电动机转子磁场定向矢量控制系统的仿真模型。其基本思想是：将交流感应电机控制系统的功能单元模块化，在Matlab/Simulink中建立独立的功能模块：交流异步电机模块、矢量控制模块、电流滞环控制模块、速度控制模块、转矩计算模块等，这些功能模块进行有机整合，即可搭建出异步电动机磁场定向控制系统的仿真模型。控制系统中，速度环采用 PI 控制，电流环采用滞环电流控制，实现双闭环的控制算法，采用电流型逆变器滞环电流控制，在保证励磁电流分量为常量的情况下，转矩响应从理论上来说是没有延时的。整体设计框图如图1所示。

在整个控制系统的仿真模型中，交流异步电机模块是最重要的部分，反映的是交流异步电机的本质属性。根据、0静止坐标系中的状态方程式（1），选择、、、作为状态变量，输入为、、0、、0，输出为、、、、、、、、、。利用 Simulink 的扩展工具S函数，搭建出交流异步电机控制系统的仿真模型。

2 直接转矩仿真模型

采用Matlab仿真软件建立鼠笼型异步电机直接转矩控制数值仿真模型。其基本思想是：将交流异步电机控制系统的功能单元模块化，在 Matlab/Simulink中建立各自独立的功能模块：交流异步电机模块、转矩滞环比较模块、磁链滞环比较模块、转速控制器模块、定子磁链及电磁转矩估计模块、开关量查找表模块等。把这些功能模块进行有机整合，即可搭建出异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型。其仿真模型如图2所示。

3 矢量控制与直接转矩仿真比较

作为当前两种主要的高性能交流电机变频调速传动控制方式，在实际工程中得到广泛应用，近些年来，这两种控制方案被不断的完善，应用产品的性能日益优化。但对两者的优缺点以及应用局限性业内有许多不同意见。

图1 交流异步电机矢量控制仿真模型

图2 异步电机直接转矩控制仿真模型

在某些商家的市场推广宣传中，出现这样一种提法：“VVVF是变频调速第一代技术，矢量控制是第二代技术，直接转矩控制是第三代技术”。虽然从研发的顺序看，矢量控制在1972年就被西门子公司的伯拉斯切克（F.Blaschke）提出来，直接转矩是在1985年才由德国鲁尔大学的狄普布洛克（M.Depenbrock）和日本的塔卡哈什（I.Takahashi）相继提出，比矢量控制出现整整晚了十三年。不同于矢量控制，它在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性容易受转子参数变化影响的问题，但是这并不表明直接转矩控制比矢量控制更先进[2-3]。

本文针对两种控制策略对起动、调速、负载响应等动静态性能，搭建仿真模型如图3进行仿真比较。

图3 比较试验仿真模型

3.1起动特性

给定额定转速，空载起动，仿真起动运行特性。考察电磁转矩响应特性以及转速响应特性。

图4为矢量控制（VC）以及直接转矩控制（DTC）系统起动时转速、电磁转矩、定子三相电流的响应特性曲线。从仿真曲线看，两种控制方式在响应速度上基本上差不多，但直接转矩控制转速响应以及转矩响应超调明显比矢量控制的大，而且达到稳态之前振荡也大。

图4 起动试验

3.2转矩动态响应特性

额定转速下对负载转矩进行改变，仿真电磁转矩的动态响应特性。转速给定*=1450 rpm，负载转矩=50 N.m时，起动系统，＝0.03 s时，改变负载转矩=100 N.m，＝0.08 s时，改变负载转矩=100 N.m，考察转矩响应特性以及转速、定子三相电流的变化情况。

从理论分析来说，采用直接转矩控制的交流调速系统可以获得比矢量控制快得多的转矩响应，直接转矩控制直接由电机的电流、电压计算出定子磁链和转矩，采用砰－砰控制来实现变频器的PWM控制，其着眼点是电压控制，而矢量控制基于电流控制，把定子电流按磁场坐标轴分解为转矩分量和磁场分量，故其着眼点是电流控制，对交流电机来说，要想获得快速的转矩响应，在磁链一定的情况下要求电流的快速响应，而电流的快速响应由电压的响应速度决定。矢量控制系统的输出电压是由电流调节器输出产生，存在电流调节的时间滞后，动态响应较慢。直接转矩控制没有电流控制环路，砰－砰控制产生输出电压，没有电流限制，电压可以出现过冲现象，获得较大的d/d，产生较快的电流相应，使得直接转矩控制的转矩响应比矢量控制快3～4倍。

图5 电磁转矩响应特性曲线

从仿真情况看，图5为矢量控制（VC）以及直接转矩控制(DTC)系统的转矩响应特性曲线对比。从图中可以看出，响应速度差别不明显，DTC稍快，但是振荡明显。从定子三相电流来看，VC电流在负载转矩变化时反应强烈，而DTC则较为平滑。因为VC采取了转矩限制，而DTC采取电流限制措施，因此，相比DTC而言，VC的转矩限制在一定范围之内，而起动电流却比DTC的大。

3.3调速动态响应特性

额定负载转矩下对给定转速进行改变，仿真电磁转矩的动态响应特性。负载转矩给定=100 N.m，*=1450 rpm起动系统，＝0.04 s时，改变转速给定*=725 rpm，＝0.07 s时，改变转速给定*=1450 rpm，考察转速响应特性以及电磁转矩、定子三相电流的变化情况。图6为矢量控制以及直接转矩控制系统的转速响应特性曲线对比。

图6 调速试验

图7 VC系统转速响应特性曲线

图8 DTC系统转速响应特性曲线

图7为矢量控制(VC)系统的转速响应特性曲线，图8为直接转矩控制(DTC)系统的转速响应特性曲线。从图中可以看出，可以看到矢量控制和直接转矩控制技术都具有良好的动、稳态性能，当给定转速变化时电机立即以相应的最大力矩输出来改变实际转速从而获得很快的转速响应，转速跟踪给定的效果很好，响应速度差别不明显，DTC稍快，但是振荡明显。

4 结束语

本文从交流异步电动机的数学模型出发，运用Matlab/Simulink仿真软件，以矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）为重点建立仿真模型，针对这两种方式进行仿真分析研究，并对这两种控制方式进行对比仿真试验，为电力推进系统工程化技术研究打下理论基础。对矢量控制系统的进一步研究工作主要是提高其控制的鲁棒性。对直接转矩控制系统的研究工作集中在提高其低速性能上。无速度传感器控制是矢量控制和直接转矩控制系统共同的课题。无速度传感器控制是交流电机调速控制的重要课题，也是目前国内外学术界及变频器厂家的研究热点。

[1] 陈伯时主编. 电力拖动自动控制系统. 北京: 机械工业出版社, 2003

[2] 王成元, 夏加宽. 电机现代控制技术[M] . 北京:机械工业出版社, 2006

[3] 唐浦华. 基于定子磁链定向的直接转矩控制. 电气传动自动化, 2000, 22(4).

Simulation of Control Strategy of Electric Propulsion System

Ke Changguo, Huan Fang, Wang Jin

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC, Wuhan 430064, China）

Based on a mathematic model of asynchronous motor, using Matlab/Simulink simulation software, simulation model is set up on the emphases of VC and DTC, and the simulation is carried out to contrast VC with DTC.

electric propulsion; vector control(VC); direct torque control(DTC)

TM343 TP391.9

A

1003-4862（2016）04-0015-04

2015-10-16

柯常国（1976-），男，高级工程师，从事方向：船舶电力推进系统仿真。