潜艇电力推进系统SSM矢量控制策略研究.pdf

电 气 传 动 El e c t r i c aI D r i v e s 自动化 技术与应用2 0 1 2年第 3 1卷第 2期 潜艇 电力推进系统 S S M 矢量控制策略研究 李春 风 ，熊乾 坤 ( 中国人民解放军 9 1 3 8 8部队 9 1 分队， 广东 湛江 5 2 4 0 2 2 ) 摘要： 根据潜艇电力推进系统中六相同步电 0 L ( S S M) 静止坐标系下的数学模型， 针对其数学模型是。 个多变量、非线性、强耦合的 系统， 利用矢量坐标变换， 建 了更易于分析的旋转坐标系下的S S M数学模型。 通过基于气隙磁场定向矢量控制的研究， 保证 气隙磁链恒定， 就实现了S S M的磁通和转矩分别独立控制， 仿真结果验证了模型的正确性和有效性， 解决了多相电机的非线性 和耦合性 。 关键词： 潜艇； 电力推进 ； 六相 L 1 步电机； 矢量变换； 气隙磁场定向 中图分类 号： TP 2 7 6 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 3 7 2 4 1 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 4 3 0 6 Re s e a r c h o n SSM Ve c t o r Co n t r o l St r a t e g y o f Su b ma r i n e El e c t r i c Pr o p u l s i o n L I Ch u n - f e n g ， XI ONG Qi a n , k u n ( U mt 9 1 ， P L A9 1 3 8 8 ， Z h a n j i a n g 5 2 4 0 2 2 C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t o ma t h e ma t i c a l mo d e l o f s u b ma r i n e e l e c t r i c p r o p u l s i o n S s i X p h a s e s y n c h r o n o u s mo t o r ( S S M) b a s e d o n s t a t i o n a r y c o o r d i n a t e s ys t e m， t h e m o d e l i s m u l t i v a r i a b l e ，n o n l i n e a r a n d t i g h t e n c o u p l i n g Th e s u i t a b l e mo d e l i s e s t a b l i s h e d u n d e r r o t a t i o n a r y c o o r d i n a t e s y s t e m ， b y u s i n g o f v e c t o r c o o r d i n a t e t r a ns f o r m SS M S m a g n e t o me t i v e f o r c e a n d t o r q u e a r e c a r r i e d o u t c o n t r o l l e d r e s p e c t i v e l y a s l o n g a s a i r g a p fie l d i n v a r i a n c e ， t h r o u g h t h e r e s e a r c h b a s e d o n a i r g a p f i e l d o r i e n t a t i o n v e c t o r c o n t r o 1 Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e mo d e l i s c o r r e c t n e s s a n d e f f i c i e n c y I t s o l v e s n o n l i n e a r a n d c o u p l i n g o f m u l t i p h a s e m a c h i n e Ke y wo r ds ：s u b ma r i n e ； e l e c t r i c pr o p u l s i o n ； s i x p h a s e s y n c h r o n o u s mo t o r ； v e c t o r t r a n s f o r m； a i r g a p fie l d o r i e n t a t i o n 1 引 言 潜艇 电力系统是现代潜艇的重要系统之一 ， 与陆地 电力系统相 比， 潜艇电力系统最显著的特征就是单台发 电机容量小 ， 而负载容量大， 特别是大容量 的交流电机 负载和 电力推进负载的动态过程对 电力系统运行 的稳 定性和可靠性影响较大。潜艇电力推进系统是潜艇动 力的一种重要的类型 1 。由于电力推进系统具有布置方 便， 工作噪声低、节能、操作灵活、易于实现 自动控制 等优点， 它的使用范围已由工程船舶扩展到水面舰船和 潜艇 ， 并有取代直接推进之势。电机作为电力推进系统 的重要组成部分 ， 对其研究很有必要【 2 】 3 1 。 收稿 日期： 2 0 1 1 0 9 0 6 本文以某六相双 y移 3 0 。 同步 电动机作为研究对 象， 在建立六相同步电机( S i x- p ha s e S y n c h r o n o u s Mo t o r ， 简称 S S M) 模型的基础上， 主要进行了矢量坐标 变换( 6 2 、 2 2 r 和 6 2 ， ) ， 建立了更适合分析的由 坐标系下的 S S M 数学模型， 同时对 S S M 气隙磁场定向 矢量控制系统进行了研究 。 2 SS M数学模 型变换 多相 电机对降低功率器件的要求、减小脉动转矩、 提高可靠性有着广泛的应用前景【 引 。同步电机磁场的定 向矢量控制策略主要有三种 ： 定子磁场定向矢量控制、 转子磁链定 向矢量控制 以及气隙磁链定向矢量控 制。 同步电机的定子磁场定向控制 ， 由于这种定向控制存在 自 动化 技 术 与 应 用 2 0 l 2 年 第3 l 卷 第2 期 电 气 传 动 El e c t r ic al Dr ive s 转子励磁电流过大而造成磁路饱和的缺陷未能广泛应 用。目前， 最简单的同步电机矢量控制技术是采用转子 励磁磁场定向控制， 转子磁场定向控制同步电机的数学 模型简单 ， 转矩与磁链控制解耦 。但是这种定向控制的 电机存在功率 因数差 ， 变频装置容量利用率低的缺点 ， 一 般只用于小容量磁 阻电机或永磁同步电机的调速传 动 。 因此 ， 气隙磁场 定 向矢量控 制是未 来多相 同步 电机 较为理想的矢量控制方法。 2 1 静止坐标系下S SM数学模型 在分析多相同步电机数学模型时， 假设多相 电机为 理想 电机 ， 按 如下惯例 取坐标轴 的正方 向 ： ( 1 ) 电压、电流的正方向符合电机惯例 ； ( 2 ) 正电流产生正磁链； ( 3 ) 转 子的旋 转正方 向为逆时针方 向。 因此 ， 六相 静止坐标系 中双 y移 3 0 。 S S M 定子侧 的 磁链方程和 电压方程 ： ：t i 6 + r F 6 ( 0 ) ( 1 ) le t 6 ：R 6 i 6 +p l f， 6 ( 2 ) 式 中 ： 【 I f 厂 A 1 B 1 v ， c 1 l f ， A 2 B 2 l f ， c 2 J ， i6 ： 1 A 1 1 ic l i A 2 2 Ic 2 ， R 6 = R 1 6 ， 【 U A I U B 1 R C 1 R A 2 R B 2 R C 2 J， r 1 ) = s i n 0 s in ( 一 3 0 0 )s in ( 0 1 2 0 )s in ( 0 1 5 00 )s in ( 0 2 4 0 )s in ( O 一 2 7 0 0 ) 】i I 1 c 0 s 3 0 c o s 1 2 00 c o s 1 5 00 C O S 2 4 0 C O S 2 7 0 l l c o s 3 00 1 c o s 9 00 c o s 1 2 00 c o s 2 1 00 c o s 2 4 00 I c o s l 2 0 C O S 9 0 1 c o s 3 0 c o s 1 2 00 c o s 1 5 00 I 一 I c o s 1 5 00 c o s 1 2 00 c o s 3 00 1 c o s 9 0 0 o s 1 2 001 l o o s 2 4 0 o c o s 2 1 00 c o s 1 2 00 c o s 9 00 1 c o s 3 00 l C O S 2 7 0 c o s 2 4 00 c o s 1 5 00 c o s 1 2 00 c 0 s 3 0 1 I 其中， p=d 微分算子； l f ， ， 为永磁体磁链； 0为磁 势的轴线与定子 A 1 相绕组绕线的夹角； 、 分别为 六 相 同步 电机 中与 任一 相定 子绕 组所 交链 的互 感磁 通 和 漏 感磁通 相对 应 的定 子互感 和定 子漏感 。 根据机 电能量转变原理 电磁转矩等于磁场储能对 机械角位移的偏导 ， 因此电磁转矩为 ： ( 0 ( 3 ) 式中：瓦为负载转矩， 为转动惯量 ， 为阻尼系 数， 为机械角速度。 式( 1 4 ) 即是 S S M 在静止坐标系下的数学模型。这 是一个高阶、非线性、强耦合的系统。从式( 1 ) 中看出， 定子磁链是转子位置角 0的函数 ， 这是系统非线性的重 要根源 ， 式( 3 ) 中可以看出， 电磁转矩的大小既与六相相 电流的瞬时值大小也与转子的位置角 0有关， 在这种模 型 下 ， 要 达到与 直流 电机 同样 的控 制 效果是 不可 能 的 。 为了达到磁场定向控制的 目的， 必须对上述数学模型进 行必要的降阶和去耦变换。 2 2 旋转坐标系下S SM数学模型 六相同步 电机的矢量控制中存在六相静止坐标系 与二相静止坐标系( 6 2 ) 、二相静止坐标系与二相旋 转坐标系( 2 2 r) 以及六相静止标系与二相旋转坐标系 ( 6 2 ， ) 之间的坐标变换。两套坐标系中磁动势和功率 均不变， 电压和电流选取同一变换阵时， 这些坐标变换 矩阵均为单位正交阵。利用矢量坐标变换， 对静止坐标 系下数学模型进行变换， 本节将S S M 数学模型建立在旋 转 坐标 系上 。 对式( 1 ) 进行六相静止坐标系到两相同步旋转坐标 系的变换， 即有： ， 6 =C 6 ， c 6 ， - 1 C 6 ， i 6 十 C 6 ， ( 8 ) ( 5 ) 式中： C 6 ， 。 v ， 6 = l f ， 。 。 2 l f ， ： ， ， i 6 = i q i z 1 i z 2 i z 3 l z 4 ， c = ， C 6 F 6 ( 日 ) ： ， 4 3 0 0 0 0 0 。 r一 1 记 6：3 6+ ， 6 =3 L 删 6 + 6， Lz l ： Lz 2 =t3 =L z l =L L 6。 o = ： 1 z 2 3 l f ， 。 4 】， L o 4 ：d i a g L z 1 t2 L z 3 t4 】 。 式中： l p为六相电机的极对数。 即经过坐标变换后 ，d q z z z 。 z 坐标系 运动方程为 ： 中S S M 定子侧的磁链方程为： 一 一 B = I， = 毒 曼 i+ ， 由式( 2 ) 可得 ： U =R_ i A+pI f ， A 由坐 标变 换可 得 ： 电 气 传 动 El e c t r ic aI Dr i v e s 自动化技 术与应用 2 0 I 2年第 3 1卷第 2期 = 5- 、 3 ( u d s i n0+u q s i n0+u ：+u 3 ) 一 X 。 - 3( i d s i n0+i q s i n0+i z +i z 3 ) ( s i n z l + ) 将上式带人( 7 ) 并整理得 ( d R。 p +p O。 V t q ) s i n0 + ( “ g R i q p 一pO v d ) c o s 0 ( 8 ) + ( “ l + “ ： 3 一 R f l R i 3 一P V。 1 一p l f， ： 3 ) ( 9 ) =0 记 p = ， 由于上 式对任意 的 0值成 立 ， 因此 以下 三 式都必 须成立 ， 有 ： J d ： R + P VJ d 一 v ， g 1 U q = R iq + p lf，q + (1 0 ) 【 Uz 1+ Mz 3=R i z 1+R iz 3+pI vz 1 +PVz 3 由机 电能量 转 换及 电机理 论 ， 电机 的励 磁转 矩为 ： =一 n p ， ( ) ( 1 1 ) 式中： ， m 表示取虚部， 表示共轭复数 ， 表示极数 由于零序分量 ， n 不涉及机电能量转换 ， 只需要 d q坐 标系下直轴分量和交轴分量 ， 即： I l f ， =l f ， d + =i + ( 1 2 ) 由式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 可得 ： T e m = n p( I d i 口 一 l f， q ) ( 1 3 ) 由式( 6 ) 可得 ： J = 6 + 3 ， = ( 1 4 ) 将( i 4 ) 式代入( 1 3 ) 中就可得到电机的电磁力矩为 ： z =n ( 4 3 q ， i q +( 6 一 6 ) i d i ) ( 1 5 ) 在磁势不变和功率不变的原则下 ， 由式( 6 ) ， ( 1 0 ) 和 ( 1 5 ) 可得， d q坐标下 S S M定子侧的电压方程、磁链方 程 和 电磁 力 矩方程 分 别 为 ： R ： = p (16R iq P V COs 【 = + 口 + 二 L 3 ( 1 7 ) I l f， q q 6 i 口 =n ( 3 l f ， ， i q +( 6 一 6 ) i a i q ) ( 1 8 ) 其中 ： 、 为 d、 q轴六相 同步 电机定子磁链 分量 ； i d 、 i q 为 d、 q轴定子 电流分量 ； 、 6 为 d、 q 轴电感分量 ； Ud、 U 为 d、 q轴定子 电压分量 ； R、 n 为定子 电阻和极对数 ； 为同步角速度 ； l f ， ， 为磁链 ； P为微分算子 。 S S M 的运动方程仍为： 一 - Bf o=J df o ( 1 9 ) 式( 1 6 ) 一 ( 1 9 ) 即是六相同步电机在两相旋转坐标系下 的数学模型 ， 同六相静止坐标系相 比， 模型得到了很大 的简化， 微分方程阶数降低了， 直轴电磁链 和交轴磁 链 不再是 0的函数。 3 S S M 气隙磁场定 向矢量控制 本节将结合气隙磁场定向矢量控制的原理 ， 研究双 y移 3 0 。 六相电励磁同步电动机的矢量控制。分析当六 相 电动机带不同负载转矩时的转速 、电流和转矩的暂 态过 程和稳 态结果 ， 研 究六相 同步 电动机基 于气 隙磁 场 定向矢量控制的动态性能和静态性能。 3 1 SS M矢量控制策略 幽 坐标系 下 ，由电机结构 的对称性 及输入 电压 的相 位 差 ， 使 得 电机 两 套 绕 组 的 电流 量 可 以相 加 ， 从 而 得 到 f = + ： 1 = 4 - iq ： (2 0 ) 气隙合成磁链的 d轴和q轴分量为： 阱 式 中 ， 、L q 分 别表 示 d轴 和 q轴 的 电枢 反 应 电抗 。 由矢量坐标变换可以将 由 坐标系中的气隙磁链变 换到 MT坐标系下： 阱 sin 6叫 V V (22 结合( 2 0 ) 一( 2 2 ) 式可以得到 阱 ： 23， 式 中， 和 f 为 定子 电流在 MT坐标 系 中的电 流 分 量 。 将式( 2 3 ) 代入( 1 8 ) 可以得到MT坐标系下的电磁转 矩方程为 “ 自 动 化技 术 与 应 用 2 0 1 2 年 第3 1 卷 第2 期 电 气 传 动 Ef e , c t r i c ai D r i v o s = 1 j， i r i M ( 2 4 ) 选取 i d、 i 、 0和 为状态变量 ， 则六相电机矢量控 制的状态方程和输出方程为 ： d t df 口 d t d d f d d t 了n p ( 一L ) np Lq 6 0 0 Ld 6 R 0 L 6 ， 0 0 l 0 一一B j ) 1 O O o 0 L 0 0 0 o o 一 c 0s 一 s i Il 0 0 c o s 6 L d 6 + s i n & L q 6 s i n 0 C O S 0 0 t ip O 0 一 s i n & L 6 + c o s L 6 0 ( 2 5 ) 式中 为 电角度 ； 、 q 为 d、 q轴定子 电流分量 ； 、为M 、 T轴定子电流分量； 、 为 d、 q轴电 感分量 ； U d 、 U 为 d、 q轴定子电压分量 ； R、 分别为 定子电阻和极对数 ； 为同步角速度 ； l f ， ，为给定磁链； P 为微分 算子 。 j - 一 S S M矢 控 制的仿真 结果 S S M 气隙磁场定向矢量控制系统结构原理图如图 L所示 。 图 1 S S M矢量控制原理图 控制系统框图中所采用的电动机为六相双 y移3 0 。 同步电机 MT坐标系下经等效后的数学模型 ； 磁链观测 和控制环节采用电压 、电流混合模型 ； 速度给定为额定 转速 ； 转矩给定分为理想空载转矩和突加转矩两种情 况。系统运行的初始条件设定为励磁给定为额定励磁 ， 其余 状态 变量 为零 。 本文选取某六相同步电机来进行仿真验证 ， 主要参 数如 下 ： =2 4 0 0 W， ：1 0 0Nm ， n =1 5 5 r mi n ， R 6=0 4 5 7 8 f 2， 6=0 0 0 2 8 5 H ， 6=0 0 0 3 3 4 H ， n ：4 ， J =0 0 01 4 6 9 k g m ， B=0 0 0 0 3 Nm ( r a d s )， l f， ，：0 1 7 1 Wb 。 1 、给定速度n=1 5 5 r m i n时， S S M 在理想空载起动 时的仿真相关曲线如图所示 。 1 6 0 1 4 0 1 2 0 I ， o o 蕤 。 。 鼍 e o 塑 ， 、 40 20 0 l。 | | | O 0 0 9 5 0 0 1 0 O1 5 0 0 2 0 02 5 O 03 O 9 5 5 0 0 4 时 间( s ) ( a ) 转速响应曲线 糊 鼬 籼 _ 丽 暖 嘲 删 ： I 岫幽 - l啦 I 硼 硼 脯册 ； ； ； ： i 0 0 0 0 5 0 0 1 0 0 1 5 0 0 2 0 0 2 5 0 0 3 0 0 3 5 0 0 4 时间( s ) ( b ) 电磁力矩曲线 o 。 帖 他 0 矩力磁电机电相六 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 2 年 第3 l 卷 第2 期 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 l n s t r u m e n t a t i on an d Mea s u r men t 化编程语言 ， 有丰富完善的功能图标 ， 能够极大降低程 序开发的难度， 提高开发数据采集、工业控制等虚拟系 统的效率 ， 而MATL AB具有强大的数值运算和处理功 能， 通过二者的混合编程 ， 使得复杂的算法能够应用于 虚拟仪器设计中， 提高了虚拟仪器的测试精度、稳定性 和扩展性能 ， 为快速开发出复杂智能化的虚拟仪器和便 携式仪器探索 了一条有效途径。 参考文献 ： l 】 吴今培， 肖健华 智能故障诊断与专家系统 M】 北京： 科 学 出版社 ， 1 9 9 7 2 】李国勇 智能预测控制及其MA TL AB 实现( 第2 版) f M】 北京： 电子工业出版社， 2 0 1 0 3 】史忠植 神经网络【 M 北京： 高等教育出版社， 2 0 0 9 ， 5 4 周萍， 应启戛， 张燕连 基于L a b VI E W 的小波分析的实 现及应用 J 微计算机信息， 2 0 0 7 ， ( 2 5 ) ： 1 7 9 1 8 0 作者简介： 高洪涛 ( 1 9 8 3 一 ) ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 电气 系统 及 设 备 测 控 理 论 与 技 术 。 ( 上接第 4 7页) 略对潜艇电力推进系统研究具有重要意义 ， 对多相电机 的分析具有一定的参考价值。 参考文献： 1 】陈永军等 潜艇驱动 电机负载特性仿真系统研制 电 气传动， 2 0 0 6 ， ( 2 ) ： 5 5 -5 8 ( 2 L I U S HE NG， XU DO NGHAO I n t e l l i g e n t C o n t r o l f o r Pr i nc i pa l Ax i s o f Va r i a b l e Ve c t o r Pr o p e l l e r o f S u b- me r s i b l e V e h i c l e C 】 I S DA2 0 0 8 【 3 1 L I U S HE NG，Z HANG YUTI NG Re s e a r c h a n d s i mu l a t i o n o f f r e q u e n c y j i t t e r t e c h n i q u e o n r e s t r a i n i n g c o n d u c t e d E MI C 1 I C MA 2 0 0 9 ： 2 5 6 6 - 2 5 7 0 4 】S I NGH G K Mu l t i - p h a s e in d u c t i o n ma c h i n e d r i v e r e s e a r c h - a s u r v e y J 】 E l e c t r i c p o we r s y s t e m r e s e a r c h，2 0 0 2 ， ( 6 1 ) ： 1 3 9 -1 4 7 5 薛丽英， 齐蓉 六相永磁同步电机驱动系统的建模与仿 真 J 电力系统及其自动化学报， 2 0 0 6 ， 8 ( 1 8 ) ： 4 9 5 2 6 张敬南 船舶电力推进六相同步电动机控制系统研究 D 】 哈尔滨工程大学博士学位论文， 2 0 0 9 ， 1 作者简介： 李春风 ( 1 9 8 3 一 ) ， 男， 硕士， 助理工程师， 主要从事 船舶 电力推进 系统 、先进控 制理论及应用等方 面的研 究。 ( 上接第 5 0页) 机械工业出版社， 2 0 0 3 ， ( 3 ) ： 4 6 【 3 】康华光 电子技术基础( 数字部分) M 北京： 高等教育出 版社， 2 0 0 5 ： 3 8 7 - 4 2 4 4 】R o c k we l l S o f t wa r e I n c L o g i x 5 5 5 0 控制器指令集参考 手删 Z 】 R o c k we l l Au t o ma t i o n C o r p o r a ， 1 9 9 9 C h a p t e r l l 0 5 1 Ro c k we l l S o f t wa r e I n c G e t t i n g Re s ult s wi t h R s L i n x Z 】 1 9 9 8 ： 5 6 - 7 8 【 6 1邵 基于 E t h e r n e t 环境的液位模糊P I D控制 J 控制 工程 ， 2 0 0 8 ： 1 5 -1 9 【 7 】李宏燕等 单回路液位控制系统与串级液位控制系统的 性能分析【 J 石油化工应用， 2 0 0 9 ： 2 4 2 8 【 8 】王丽飞 P I D控制器参数整定方法研究【 D 】 中国石油大 学 硕士学位论文， 2 0 0 8 9 9 李小平 液位控制系统建模及其控制算法的研究【 D 】 哈 尔滨工业大学 硕士学位论文， 2 0 0 7 【 l O 】江春红 基于P L C的液位模糊控制系统设计【 D 】 合肥 工业大学 工程硕士学位论文， 2 0 0 7 作者简介： 王秀娟 ( 1 9 8 3 一 ) ， 女， 硕士研究生， 研究方向： 电气 传 动 与控 制 ，油 气 测控 工 程 。