船舶电力推进同步电机控制系统设计研究

近几十年来,随着电力电子器件的飞速发展和大功率交流调速技术的日趋高性能化,船舶电力推进以其空间配置灵活、机动性能好、推进效率高等优点,正在成为船舶动力装置的主要发展方向。我国在船舶电力推进起步较晚,在舰船综合电力推进系统及相关技术方面还比较落后,因此积极开展对电力推进的研究势在必行。船舶电力推进系统的鲁棒性和操纵性与推进电机控制密切相关。由于推进电机系统受外部负载扰动、对象建模不充分和非线性动态等不确定性的影响,要获得高性能的转速控制系统,必须研究先进的控制策略以解决这些不确定性的影响,使系统具有较好的跟踪性能和鲁棒性。 本文以某电力推进船舶为研究对象,对其电力推进控制系统展开研究设计。针对推进电机模型中变量的非线性耦合,模型参数不确定性和外界扰动等问题,在电机数学模型及调速控制器设计等方面,进行了比较深入的理论分析和仿真研究。主要研究内容概括如下: 1.以某电力推进船舶的参数为依据,对螺旋桨特性及船桨相互作用展开了分析,并计算了舰船在不同航速下的船舶阻力。根据该电力推进船舶的相关参数及计算出来的船舶阻力,对推进系统的主要设备如推进电动机、变频器等进行了设备的选型以及参数计算,考虑到六相同步电动机在大功率高性能传动领域的优越性,本文以六相同步电动机作为船舶的主推进电机。 2.根据所选定的六相同步推进电机以及电力推进的调速要求,在对各控制方法进行比较的基础上,确定以气隙磁场定向控制作为推进电机的控制策略。建立了适合气隙磁场定向控制的六相凸极同步电机的数学模型,并对各个矢量控制环节进行了设计。 3.考虑六相同步推进电机的非线性以及外界干扰,设计了以同步电动机矢量控制技术为核心,采用电流环、转速环双闭环控制的船舶电力推进同步电机控制系统,并对系统中各环的PID控制器进行了动态设计。由于常规PID控制无法解决系统稳定性与准确性之间的矛盾,为提高推进系统调速范围内的静态和动态性能,改善系统的抗干扰能力,增强系统的鲁棒性,设计了基于二次型性能指标学习算法的单神经元自适应PID控制器。 4.在上述理论研究及系统设计的基础上,对所设计的船舶电力推进同步电机控制系统进行了仿真研究。仿真结果表明,与传统的PID控制系统相比,本文设计的基于二次型性能指标学习算法的单神经元自适应PID控制器结构简单,自学习、自适应能力强,具有良好的跟踪性能和抗干扰能力。