吊舱推进器中同步电机直接转矩控制的研究
摘要
吊舱推进是近年来出现的一种新的船舶电力推进方式，得到了国际造船界和航运界的高度重视。国内对这方面的研究虽起步较晚，但发展迅速。本文介绍了吊舱式电力推进系统的结构，分析了这种结构与传统电力推进系统相比具有的优点和缺点。分别建立了船体、螺旋桨和推进电机的数学模型，详细分析了考虑吊舱影响时三者的能量关系和相互影响，并且对采用永磁同步电机的吊舱式电力推进系统进行了计算机仿真。
随着永磁材料的发展，永磁同步电机开始应用于电力推进领域，在以往的永磁同步电机推进系统中，大多采用矢量控制方式进行调速，但是矢量控制的算法比较复杂，而且控制性能易受参数变化影响。直接转矩控制是继矢量控制之后被普遍看好的一种交流调速方式，具有广阔的发展前景，目前个别型号的吊舱式电力推进系统已经开始采用直接转矩控制方式。本文介绍了直接转矩控制的原理，对永磁同步电机直接转矩控制的基本问题进行了分析，并且针对定子磁链漂移及其补偿方法进行了深入讨论。介绍了永磁同步电机转矩直接控制系统中各个子模块的功能和具体的实现方式，提出了一套永磁同步电机直接转矩控制的具体实施方案，并根据这套方案建立了基于Matlab／Simulink的仿真模型，利用该模型行了仿真分析，仿真结果表明该系统具有良好的性能指标。最后重点讨论了永磁同步电机无机械传感器调速系统的实现，提出了一种以直接计算法为基础的改进型永磁同步电机转子角速度观测模型，仿真结果表明该模型具有一定的精度。
本论文开展了吊舱式电力推进系统和永磁同步电机转矩直接控制的探索性研究工作。通过理论分析和计算机仿真积累了一些的经验，为课题的进一步的深入研究奠定了基础。
Pod propulsion is a new sort of electric propulsion. International shipbuilding and shipping group has attached great importance to this mode. Only in recent years , the research about pod propulsion is developed in China. But we have made some progress and we assure that pod propulsion has a wide foreground. In this paper, the structure of pod electric propulsion system is introduced, the advantage and disadvantage compared with general propulsion is analyzed, the math model of ship, propeller and machine is set up and analyze the interaction among the three parts considering the influence of pod. Pod electric propulsion system driven by permanent magnet synchronous motors (PMSM) is also simulated by computer.
Compared general motor, PMSM is smaller, lighter and more efficient, so it's suitable for pod electric propulsion system. At present, with the development of permanent magnet material, PMSM has been a normal configuration for new pod thrusters. In the past, vector control(VC) method is usually applied in PMSM drive systems. But the arithmetic of VC is too complex, and the control performance is easily affected by parameters. Direct torque control(DTC) is a new kind of AC timing method after VC. DTC has simple structure and fast torque response. It has been applied in various fields. It is also introduced in some pod propulsion systems recently. In this paper, the principle of DTC is introduced, some elementary problems of PMSM DTC is also analyzed. Excursion of stator flux and the compensatory method is introduced. The function and configuration of sub-models of PMSM DTC system is discussed, the scheme of this system is brought forward, and the simulating model based on Matlab/simulink is set up. The results of simulation validate the feasibility of this system. At last, the problem of PMSM drive system without mechanical sensor is discussed. A sensorless method based on stator flux is presented, and the result of this method is simulated by computer, the result is very accurate to some extent.
随着永磁材料的发展，永磁同步电机开始应用于电力推进领域，在以往的永磁同步电机推进系统中，大多采用矢量控制方式进行调速，但是矢量控制的算法比较复杂，而且控制性能易受参数变化影响。直接转矩控制是继矢量控制之后被普遍看好的一种交流调速方式，具有广阔的发展前景，目前个别型号的吊舱式电力推进系统已经开始采用直接转矩控制方式。本文介绍了直接转矩控制的原理，对永磁同步电机直接转矩控制的基本问题进行了分析，并且针对定子磁链漂移及其补偿方法进行了深入讨论。介绍了永磁同步电机转矩直接控制系统中各个子模块的功能和具体的实现方式，提出了一套永磁同步电机直接转矩控制的具体实施方案，并根据这套方案建立了基于Matlab／Simulink的仿真模型，利用该模型行了仿真分析，仿真结果表明该系统具有良好的性能指标。最后重点讨论了永磁同步电机无机械传感器调速系统的实现，提出了一种以直接计算法为基础的改进型永磁同步电机转子角速度观测模型，仿真结果表明该模型具有一定的精度。
本论文开展了吊舱式电力推进系统和永磁同步电机转矩直接控制的探索性研究工作。通过理论分析和计算机仿真积累了一些的经验，为课题的进一步的深入研究奠定了基础。
Pod propulsion is a new sort of electric propulsion. International shipbuilding and shipping group has attached great importance to this mode. Only in recent years , the research about pod propulsion is developed in China. But we have made some progress and we assure that pod propulsion has a wide foreground. In this paper, the structure of pod electric propulsion system is introduced, the advantage and disadvantage compared with general propulsion is analyzed, the math model of ship, propeller and machine is set up and analyze the interaction among the three parts considering the influence of pod. Pod electric propulsion system driven by permanent magnet synchronous motors (PMSM) is also simulated by computer.
Compared general motor, PMSM is smaller, lighter and more efficient, so it's suitable for pod electric propulsion system. At present, with the development of permanent magnet material, PMSM has been a normal configuration for new pod thrusters. In the past, vector control(VC) method is usually applied in PMSM drive systems. But the arithmetic of VC is too complex, and the control performance is easily affected by parameters. Direct torque control(DTC) is a new kind of AC timing method after VC. DTC has simple structure and fast torque response. It has been applied in various fields. It is also introduced in some pod propulsion systems recently. In this paper, the principle of DTC is introduced, some elementary problems of PMSM DTC is also analyzed. Excursion of stator flux and the compensatory method is introduced. The function and configuration of sub-models of PMSM DTC system is discussed, the scheme of this system is brought forward, and the simulating model based on Matlab/simulink is set up. The results of simulation validate the feasibility of this system. At last, the problem of PMSM drive system without mechanical sensor is discussed. A sensorless method based on stator flux is presented, and the result of this method is simulated by computer, the result is very accurate to some extent.
引文
[1] 赵红，孙培廷．吊舱式船舶电力推进装置的发展状况．航海技术，2003：8-10页
[2] 聂鹏瑜，张维竞，刘卓．吊舱式电力推进系统的现状及应用前景．造船技 术，2003(2)：11-13页
[3] 黄友朋．指明一种新方法的吊舱式推进装置．船电技术，1999(1)：25-27页
[4] 郑为民，王勇．电力推进发展的主要原因及历程概览．航海技术，2004(3)：18-22页
[5] 聂延生，林叶锦，汪涌泉，李伟光．吊舱式电力推进系统的特点与应用．世界海运，2002(2)：16-18页
[6] 张伟，陈辉．面向21世纪的船舶电力推进技术．交通科技，2003(2)：12-15页
[7] 王长林．电力推进和动力定位全面提高船舶的性能．机电设备，2001：17-18页
[8] 李夙．异步电动机直接转矩控制．北京：机械工业出版社，1999：2-103页
[9] 戴文进，李晖龄．永磁同步电机直接转矩控制系统分析．微特电机，2001(5)：21-23页
[10] 冀路明，汪庆周．二十一世纪的Azipod吊舱式电力推进系统．船舶工程，2002(2)：40-43页
[11] Isao Funeno. Hydrodynamic Development of Azimuthing Podded Propulsion System. Kawasaki Heavy Industries, Ltd. 2004: 15-20P
[12] S J Raynor. The Benefits of Podded Propulsion in the Offshore Market. United Kingdom: Cegelec Projects Limited, Oct 1998: 35-40P
[13] SAM Electronics. DOLPHIN-The Advanced System in the Field of Pod Drives. Hamburg, 2004: 23-29P[14] Friedrich Mewis. The Efficiency of Pod Propulsion. HADMAR 2001: 27-31P
[15] 周伟兴．新型船舶动力装置．知识天地：11-13页
[16] 张敏，候馨光．船舶电力推进的新发展．机电设备，2001(1)：45-48页
[17] 杨晓丽．吊舱式电力推进系统的动态仿真的研究．上海海事大学硕士学位论文，2004：21-23页
[18] 曹梅亮，王根禄，朱鸣．吊舱式推进装置水动力性能试验研究．上海交通大学学报．2003(8)：35-38页
[19] 杨晨俊，钱正芳，马骋．吊舱对螺旋桨水动力性能的影响．上海交通大学学报．2003(8)：33-36页
[20] 金鸿章，姚绪梁．船舶控制原理．哈尔滨工程大学出版社，2001：38-90页
[21] 张伟．船舶电力推进仿真研究．武汉理工大学硕士学位论文，2003：65-78页
[22] 彭鞍红．通用变频器异步电动机的传递函数．鞍山钢铁学院学报，2000：32-35页
[23] 胡奇峰．永磁同步电机高性能调速控制系统研究．浙江大学硕士学位论文，2004：25-48页
[24] 陈飞笑，杨晨俊．拖式吊舱螺旋桨定常性能理论计算．水动力学研究与进展，2003(7)：43-45页
[25] 黄鹏程，聂延生．吊舱式电力推进评价及其影响．航海技术，2005(1)：33-36页
[26] 李仰松译．吊舱推进器在军用舰艇上的运用．外国海军文集，2003(5)：15-18页
[27] 陈亚昕，黄友朋．燃气轮机与吊舱推进器为客轮提供新的选择．船电技术，1999(3)：41-44页
[28] 聂延生，李伟光，汪涌泉．SSP推进器系统原理及特点分析．船电技术，2002(1)：23-26页
[29] 杨波．吊舱桨在双动理论中的应用．国际船艇，2002(11)：26-29页
[30] 李昌斌．电力推进船的动力系统建模与仿真．机电工程技术，2004(10)：??33-36页
[31] 符曦．高磁场永磁式电动机及其驱动系统．北京：机械工业出版社，1997：7-46页
[32] 邓穗湘，沈雄．永磁电机在船舶电力推进中的应用和仿真．航海技术，2005(4)：37-40页
[33] 李先林，樊印海，李芳．电力推进中的永磁同步电动机及其控制．船电技术，2003(6)：26-29页
[34] 孙丹．高性能永磁同步电机直接转矩控制．浙江大学博士学位论文，2004：23-56页
[35] 智大为．永磁同步电机的直接转矩控制．浙江大学硕士学位论文，2003：42-53页
[36] 李永东．交流电机数字控制系统．北京：机械工业出版社，2002：343-356页
[37] 徐祖华，黄智伟，盛义发．永磁同步电机直接转矩控制理论基础与仿真研究．微特电机，2003(5)：31-34页
[38] 谢成详．永磁同步电机直接转矩控制系统的分析与仿真研究．华东船舶工业学院学报(自然科学版)，2004(6)：45-48页
[39] 陈荣，邓智泉，严仰光．永磁伺服系统控制方案选择．盐城工学院学报(自然科学版)，2003(6)：28-31页
[40] 黄立培．电动机控制．北京：清华大学出版社，2003：70-86页
[41] 李志民，张遇杰．同步电动机调速系统．北京：机械工业出版社，1998：23-46页
[42] 谢运样，卢柱强．基于MATLAB／Simulink的永磁同步电机直接转矩控制仿真建模．华南理工大学学报(自然科学版)，2004(1)：11-14页
[43] 徐艳平，曾光，申明．永磁同步电机的直接转矩控制及其数字仿真．西安理工大学学报，2003(4)：33-36页
[44] 许峻峰，徐英雷，许建平．永磁同步电机直接转矩控制系统仿真．电力机车与城轨车辆，2004(1)：42-47页
[45] 许峻峰，徐英雷，冯江华，许建平．基于改进型积分器的永磁同步电机直接转矩控制．电工技术学报，2004(7)：27-29页[46] 赵宏革，李玉涛．船舶电力推进系统中直接转矩控制技术的仿真．大连海事大学学报，2003(11)：38-41页
[47] 聂延生，黄鹏程，李伟光，汪涌泉．船舶电力推进系统控制方法，航海技术，2002(6)：25-28页
[48] 季画，陈宝林，胡育文．PMSM直接转矩控制调速系统的研究现状与发展前景，电气传动自动化，2004(4)：36-40页
[49] 陈荣，邓智泉，严仰光．永磁伺服系统控制方案选择．盐城工学院学报(自然科学版)，2003(6)：9-12页
[50] 黄立培，孙凯．关于矢量控制与直接转矩控制比较的一些思考．电力电子，2001(2)：13-16页
[51] 袁登科，陶生桂，刘友梅．新型永磁同步电动机直接转矩控制系统．同济大学学报(自然科学版)，2004(11)：28-31页
[52] 宋正强．表面式永磁同步电机无传感器控制策略及初始位置检测．沈阳工业大学硕士学位论文，2004：30-33页
[53] 吴永前，李玉忍．扩展Kalman滤波在永磁同步电机无速度传感器调速系统中的应用．电气传动自动化，2001(12)：23-26页
[54] 王丽梅，郑建芬，郭庆鼎．基于载波注入的凸极永磁同步电动机无传感器控制．电机与控制学报，2005(7)：29-32页
[55] 侯云海，黄艳秋，任为政，崔丽娜．实现永磁同步电动机转子初始位置检测的一种方法．吉林工学院学报，2002(12)：43-45页
[56] 曹承志，曲红梅，路战红，杨晓波．MATLAB软件包中SIMULINK环境下直接转矩系统的仿真，电机与控制学报，2001(6)：27-29页
[2] 聂鹏瑜，张维竞，刘卓．吊舱式电力推进系统的现状及应用前景．造船技 术，2003(2)：11-13页
[3] 黄友朋．指明一种新方法的吊舱式推进装置．船电技术，1999(1)：25-27页
[4] 郑为民，王勇．电力推进发展的主要原因及历程概览．航海技术，2004(3)：18-22页
[5] 聂延生，林叶锦，汪涌泉，李伟光．吊舱式电力推进系统的特点与应用．世界海运，2002(2)：16-18页
[6] 张伟，陈辉．面向21世纪的船舶电力推进技术．交通科技，2003(2)：12-15页
[7] 王长林．电力推进和动力定位全面提高船舶的性能．机电设备，2001：17-18页
[8] 李夙．异步电动机直接转矩控制．北京：机械工业出版社，1999：2-103页
[9] 戴文进，李晖龄．永磁同步电机直接转矩控制系统分析．微特电机，2001(5)：21-23页
[10] 冀路明，汪庆周．二十一世纪的Azipod吊舱式电力推进系统．船舶工程，2002(2)：40-43页
[11] Isao Funeno. Hydrodynamic Development of Azimuthing Podded Propulsion System. Kawasaki Heavy Industries, Ltd. 2004: 15-20P
[12] S J Raynor. The Benefits of Podded Propulsion in the Offshore Market. United Kingdom: Cegelec Projects Limited, Oct 1998: 35-40P
[13] SAM Electronics. DOLPHIN-The Advanced System in the Field of Pod Drives. Hamburg, 2004: 23-29P[14] Friedrich Mewis. The Efficiency of Pod Propulsion. HADMAR 2001: 27-31P
[15] 周伟兴．新型船舶动力装置．知识天地：11-13页
[16] 张敏，候馨光．船舶电力推进的新发展．机电设备，2001(1)：45-48页
[17] 杨晓丽．吊舱式电力推进系统的动态仿真的研究．上海海事大学硕士学位论文，2004：21-23页
[18] 曹梅亮，王根禄，朱鸣．吊舱式推进装置水动力性能试验研究．上海交通大学学报．2003(8)：35-38页
[19] 杨晨俊，钱正芳，马骋．吊舱对螺旋桨水动力性能的影响．上海交通大学学报．2003(8)：33-36页
[20] 金鸿章，姚绪梁．船舶控制原理．哈尔滨工程大学出版社，2001：38-90页
[21] 张伟．船舶电力推进仿真研究．武汉理工大学硕士学位论文，2003：65-78页
[22] 彭鞍红．通用变频器异步电动机的传递函数．鞍山钢铁学院学报，2000：32-35页
[23] 胡奇峰．永磁同步电机高性能调速控制系统研究．浙江大学硕士学位论文，2004：25-48页
[24] 陈飞笑，杨晨俊．拖式吊舱螺旋桨定常性能理论计算．水动力学研究与进展，2003(7)：43-45页
[25] 黄鹏程，聂延生．吊舱式电力推进评价及其影响．航海技术，2005(1)：33-36页
[26] 李仰松译．吊舱推进器在军用舰艇上的运用．外国海军文集，2003(5)：15-18页
[27] 陈亚昕，黄友朋．燃气轮机与吊舱推进器为客轮提供新的选择．船电技术，1999(3)：41-44页
[28] 聂延生，李伟光，汪涌泉．SSP推进器系统原理及特点分析．船电技术，2002(1)：23-26页
[29] 杨波．吊舱桨在双动理论中的应用．国际船艇，2002(11)：26-29页
[30] 李昌斌．电力推进船的动力系统建模与仿真．机电工程技术，2004(10)：??33-36页
[31] 符曦．高磁场永磁式电动机及其驱动系统．北京：机械工业出版社，1997：7-46页
[32] 邓穗湘，沈雄．永磁电机在船舶电力推进中的应用和仿真．航海技术，2005(4)：37-40页
[33] 李先林，樊印海，李芳．电力推进中的永磁同步电动机及其控制．船电技术，2003(6)：26-29页
[34] 孙丹．高性能永磁同步电机直接转矩控制．浙江大学博士学位论文，2004：23-56页
[35] 智大为．永磁同步电机的直接转矩控制．浙江大学硕士学位论文，2003：42-53页
[36] 李永东．交流电机数字控制系统．北京：机械工业出版社，2002：343-356页
[37] 徐祖华，黄智伟，盛义发．永磁同步电机直接转矩控制理论基础与仿真研究．微特电机，2003(5)：31-34页
[38] 谢成详．永磁同步电机直接转矩控制系统的分析与仿真研究．华东船舶工业学院学报(自然科学版)，2004(6)：45-48页
[39] 陈荣，邓智泉，严仰光．永磁伺服系统控制方案选择．盐城工学院学报(自然科学版)，2003(6)：28-31页
[40] 黄立培．电动机控制．北京：清华大学出版社，2003：70-86页
[41] 李志民，张遇杰．同步电动机调速系统．北京：机械工业出版社，1998：23-46页
[42] 谢运样，卢柱强．基于MATLAB／Simulink的永磁同步电机直接转矩控制仿真建模．华南理工大学学报(自然科学版)，2004(1)：11-14页
[43] 徐艳平，曾光，申明．永磁同步电机的直接转矩控制及其数字仿真．西安理工大学学报，2003(4)：33-36页
[44] 许峻峰，徐英雷，许建平．永磁同步电机直接转矩控制系统仿真．电力机车与城轨车辆，2004(1)：42-47页
[45] 许峻峰，徐英雷，冯江华，许建平．基于改进型积分器的永磁同步电机直接转矩控制．电工技术学报，2004(7)：27-29页[46] 赵宏革，李玉涛．船舶电力推进系统中直接转矩控制技术的仿真．大连海事大学学报，2003(11)：38-41页
[47] 聂延生，黄鹏程，李伟光，汪涌泉．船舶电力推进系统控制方法，航海技术，2002(6)：25-28页
[48] 季画，陈宝林，胡育文．PMSM直接转矩控制调速系统的研究现状与发展前景，电气传动自动化，2004(4)：36-40页
[49] 陈荣，邓智泉，严仰光．永磁伺服系统控制方案选择．盐城工学院学报(自然科学版)，2003(6)：9-12页
[50] 黄立培，孙凯．关于矢量控制与直接转矩控制比较的一些思考．电力电子，2001(2)：13-16页
[51] 袁登科，陶生桂，刘友梅．新型永磁同步电动机直接转矩控制系统．同济大学学报(自然科学版)，2004(11)：28-31页
[52] 宋正强．表面式永磁同步电机无传感器控制策略及初始位置检测．沈阳工业大学硕士学位论文，2004：30-33页
[53] 吴永前，李玉忍．扩展Kalman滤波在永磁同步电机无速度传感器调速系统中的应用．电气传动自动化，2001(12)：23-26页
[54] 王丽梅，郑建芬，郭庆鼎．基于载波注入的凸极永磁同步电动机无传感器控制．电机与控制学报，2005(7)：29-32页
[55] 侯云海，黄艳秋，任为政，崔丽娜．实现永磁同步电动机转子初始位置检测的一种方法．吉林工学院学报，2002(12)：43-45页
[56] 曹承志，曲红梅，路战红，杨晓波．MATLAB软件包中SIMULINK环境下直接转矩系统的仿真，电机与控制学报，2001(6)：27-29页