船舶电力推进六相同步电动机控制系统研究

摘要

船舶电力推进是一种先进的推进方式，近几十年达到了空前繁荣。推进电动机及其控制技术是船舶电力推进的关键技术之一，船舶电力推进系统由推进电动机、推进电机逆变器、船舶推进器和控制装置构成。本论文所研究的船舶电力推进系统各个组成部分分别是：双Y移30°六相电励磁同步电动机、二极管嵌位式三电平逆变器、定距螺旋桨船舶推进器和采用基于气隙磁场定向矢量控制策略的电力推进系统控制装置。 本课题来源于“舰船综合电力技术”国家重点实验室建设和研究课题“舰船综合电力推进系统计算机仿真研究”。 在综合分析国内外船舶电力推进系统研究和发展形势的基础上，本文对船舶电力推进系统进行了深入探讨，重点针对基于三电平多相电励磁同步电动机的控制策略及其船舶电力推进电动机控制系统进行研究，并针对该控制系统所涉及的问题寻求改进措施。全文主要包括以下一些内容： 针对多相电动机的高次谐波情况和电磁关系进行研究。基于派克变换的思想获得dq旋转坐标系下的多相电励磁同步电动机数学模型；并提出了对多相电机通用的简化数学模型；以双Y移30°六相电励磁同步电动机为研究对象进行了仿真研究。 针对多电平逆变器的仿真与实现进行了研究。建立了基于空间电压矢量控制算法的仿真模型；仿真研究中采用对偶小矢量搭配改善中点电位波动的问题；针对多个开关状态对应同一待选矢量的问题引入“循边原则”确定被选择的开关状态；对过调制问题进行了相应的处理；结合二极管嵌位式三电平逆变器和五电平逆变器进行了仿真分析和硬件实现。 针对电励磁六相同步电动机的特点，建立了与之匹配的基于气隙磁场定向的矢量控制系统并进行了研究。建立了矢量控制各个环节的数学模型；采用针对电压方程不解耦部分进行电压前馈控制的方法来实现MT轴电流的独立控制；在简化模型的基础上，通过工程设计法获得调节器的控制参数；在三相电励磁同步电动机磁链观测器的基础上设计了六相电动机的磁链观测器；根据三种磁链观测方法的优缺点，确定采用电压、电流混合模型作为磁链观测器模型；为了使基于隐极电机的矢量控制方法适合凸极电机使用，结合同步电机的双反应理论对凸极电机进行等效处理，获得等效隐极电机的数学模型；对基于气隙磁场定向矢量控制六相电励磁同步电动机控制系统的运行性能进行了仿真研究。 针对船舶推进器螺旋桨负载进行研究。在船舶的空间运动模型和螺旋桨四象限模型的基础上，综合考虑船舶和螺旋桨地相互作用，建立了船桨一体化的运动模型，并结合六相同步电动机控制系统仿真研究船舶电力推进六相同步电动机控制系统典型工况下的运行性能。 针对负载扰动和参数摄动等不确定因素，结合鲁棒控制理论对船舶电力推进六相同步电动机控制系统的抗扰性能进行了改进。本文将螺旋桨负载、螺旋桨缠绕和螺旋桨破损的影响作为负载扰动，磁场等参数变化对数学模型的影响作为参数摄动来考虑，获得了只考虑转矩电流分量的船舶电力推进系统的转速闭环运动模型；将电力推进系统的H∞控制器的设计归结为混合灵敏度问题，结合对混合灵敏度问题的研究，针对船舶电力推进系统这一控制对象，分析了模型的不确定性，选择了加权函数，建立了电力推进系统广义对象的数学模型；通过求解“2—Riccati方程”，获得H∞控制器的传递函数，将H∞控制器应用到船舶电力推进六相同步电动机控制系统进行仿真研究，验证所设计鲁棒控制器具备提升了电力推进系统鲁棒性的能力，成功解决了船舶电力推进系统干扰抑制的问题和参数摄动的问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1船舶电力推进及本课题研究的意义

1.1.1电力推进发展的原因

1.1.2国内外船舶电力推进应用与研究

1.1.3船舶电力推进系统的关键问题

1.2国内外研究现状和发展趋势

1.2.1多相电动机及其研究应用

1.2.2交流电动机调速控制策略的发展

1.2.3先进控制理论的发展现状

1.3主要研究工作和创新点

第2章 多相同步电动机数学模型的研究

2.1多相电机及其磁动势谐波分析

2.1.1多相电机相数的定义

2.1.2多相Y绕组电机的磁动势谐波分析

2.2多相同步电动机的数学模型

2.2.1相坐标系下多相同步电动机数学模型

2.2.2旋转坐标系下多相同步电动机数学模型

2.3双Y移30°的六相同步电动机仿真分析

2.4本章小结

第3章 多电平逆变器的仿真与实现

3.1二极管箝位型多电平逆变器

3.1.1主电路拓扑结构

3.1.2多电平逆变器控制策略

3.1.3多电平逆变器控制的改进

3.2多电平逆变器仿真分析

3.2.1三电平逆变器仿真

3.2.2五电平逆变器仿真

3.2.3多电平逆变器谐波分析

3.3基于ARM+FPGA的三电平逆变器

3.3.1硬件电路构成

3.3.2软件构成

3.3.3三电平逆变器试验分析

3.4本章小结

第4章六相同步电动机气隙磁场定向矢量控制

4.1六相同步电动机的气隙磁场定向控制

4.1.1气隙磁场定向控制的基本原理

4.1.2六相同步电动机的矢量控制方法

4.2六相同步电动机气隙磁场定向矢量控制的实现

4.2.1电压前馈与电流调节控制

4.2.2六相同步电动机的磁链观测和控制

4.2.3磁链控制

4.2.4功率因数设定

4.2.5速度控制和转矩补偿

4.3MT坐标系下的气隙磁链方程和转矩方程

4.3.1凸极同步电机的等效处理

4.3.2MT坐标系下的气隙磁链方程

4.3.3MT坐标系下的转矩方程

4.4六相同步电动机矢量控制的仿真研究

4.5本章小结

第5章船舶电力推进六相同步电动机控制系统

5.1船舶运动模型

5.1.1船舶水平面运动模型

5.1.2船舶航行阻力特性

5.2螺旋桨负载模型

5.2.1螺旋桨的推力和阻转矩

5.2.2敞水状态下螺旋桨负载模型

5.2.3螺旋桨负载模型的修正

5.2.4船-桨一体化负载模型

5.3船舶电力推进控制系统仿真

5.3.1船-桨一体化负载仿真

5.3.2船舶电力推进六相同步电动机控制系统仿真

5.4本章小结

第6章船舶电力推进六相同步电动机鲁棒控制

6.1鲁棒H∞控制的基本理论

6.1.1函数空间和范数

6.1.2H∞标准控制问题及稳定性

6.1.3混合灵敏度优化问题

6.1.4标准H∞控制问题的“2-Riccati方程”的解

6.2六相同步电动机控制系统的鲁棒控制

6.2.1六相同步电动机控制系统的运动模型

6.2.2六相同步电动机控制系统鲁棒控制器设计

6.2.3船舶电力推进六相同步电动机鲁棒控制系统仿真

6.3本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

个人简历