舰船电推进的无刷直流电机控制技术研究

发布时间：2020-07-18 08:15

【摘要】：永磁无刷直流电机是机电一体化产品的典型代表,其兼具功率密度高、峰值转矩及平均转矩较大、控制策略简单等优点,被广泛应用于电气驱动领域。舰船电推进器要求装置有很高的功率密度和可靠性,因此把无刷直流电机当作动力来源将非常适合。然而,无刷直流电机传统的控制方法难以满足驱动系统的特殊应用工况和技术指标,需要对这些新问题展开研究。本文对舰船电推进的无刷直流电机控制系统进行了以下几方面的研究:舰船推进电机控制系统有具体的设计指标,并且电机负载为流体负载特性,双螺旋桨的动力模型相互耦合,因此,首先完成了电力推进器的负载特性和运行工况分析,得到负载模型,充分分析方案设计要求,将此作为电机控制系统的设计出发点。建立无刷直流电机的数学模型,采用方波驱动、两两导通、六步换相的控制策略,结合推进系统的负载特性,在Simulink仿真平台上搭建了电推进系统的仿真模型。该模型验证了传统的转速环、电流环PI双闭环控制方法的效果。为了降低无刷直流电机的噪声,从降低转矩脉动角度出发,分析了PWM调制方式和开关频率对转矩脉动程度造成的影响。在等效电路不同的工作模态下,计算了电磁转矩的平均值和峰值,从而得到转矩波动程度,比较了六种调制方式的优缺点,综合各方式的优点,提出了使转矩波动降低调制方式的总体思路;当旋转变压器作为位置反馈传感器的时,针对PWM开关频率低可能造成的换相延迟问题,提出了一种预测换相策略。在电机处于恒转速运行时,可将转矩脉动视作一种周期性的外部转矩扰动信号,传统的PI控制对这种脉动抑制效果有限,重复控制器可针对性地抑制固定周期性扰动,设计了一种改进型重复控制器,应用分数延迟方法将分数阶重复控制器设计成可用于数字控制的形式。搭建了无刷直流电机控制系统的实验平台,以TMS320F28379D作为主控芯片,采用旋转变压器和解码芯片AD2S1210获取转子实时位置和速度反馈,在CCS7.3平台上设计和实现了控制软件,实现了转速、电流双闭环PI控制运行,并验证了电机在带载情况下的运行控制性能。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.7;TM33
【图文】：

框图,无刷直流电机,双闭环,仿真模型

器换相表vi旋转方向指令位置图 2-6 无刷直流电机控制系统框图控制系统通过 PWM 调制来调节输入电压。在低速模式下，PWM 开关频率选择为 6 kHz。高速模式下由于载波比过低，把开关频率设置成 20 kHz，载波比达到了 40。这样低速下较低的开关频率可以节能，高速下较高的开关频率能尽量提高控制效果。2.4 无刷直流电机双闭环仿真在 Simulink 中搭建无刷直流电机的仿真模型。位置信息从模型转子旋转角度反馈得到。不使用电机模型霍尔位置反馈信号，直接处理转子角度信息来模拟旋转变压器获得位置反馈的情形。搭建的仿真模型见图 2-7。

电流阶跃,电流环,超调

图 2-8 电流阶跃响应（未加电流滤波）由仿真结果可以得到，电流环响应快速，基本没有超调，静态误差很小，处在误差允许范围内。这样的电流环能较好地跟随速度环输出指令，使输出转矩能迅速地达到要求值。加入滑动平均滤波，由于产生了相位滞后，所以使用原来的 PI 参数会产生电流超调，重新调整参数，iPk 0.002，iIk 0.35，得到的电流阶跃响应如图 2-9 所示。

电流阶跃,电流环,超调

【参考文献】