本發(fā)明涉及電機(jī)控制，尤其涉及船舶電力推進(jìn)電機(jī)雙滑?？刂品椒?、裝置及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、船舶電力推進(jìn)是利用推進(jìn)電機(jī)直接帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)船舶行進(jìn)的一種推進(jìn)方式。近年來(lái)，永磁同步電機(jī)（permanent?magnet?synchronous?motor，pmsm）因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、損耗低以及可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)使用永磁同步電機(jī)作為主要推進(jìn)動(dòng)力裝置的趨勢(shì)也在逐漸增加。但是，pmsm作為一個(gè)非線性、時(shí)變性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)的模型具有不確定性，如果采用常規(guī)pid控制，雖然可以在一定的精度范圍內(nèi)滿足控制的要求，但由于其依賴于系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性，極易受到外界擾動(dòng)和內(nèi)部參數(shù)變化所帶來(lái)的影響，使系統(tǒng)控制偏離預(yù)期目標(biāo)，因此傳統(tǒng)的控制方法難以滿足永磁同步電機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)。

2、在永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，通常將滑模變結(jié)構(gòu)控制運(yùn)用于轉(zhuǎn)速外環(huán)，而電流內(nèi)環(huán)則采用傳統(tǒng)的pi控制，雖然在一定程度上加快了系統(tǒng)響應(yīng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性，使電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠更快的到達(dá)規(guī)定轉(zhuǎn)速，但是由于電流環(huán)具有很強(qiáng)的軸電流耦合性、反電動(dòng)勢(shì)等一系列非線性因素，并且依賴于電機(jī)的參數(shù)和工作點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的pi控制很難獲得高動(dòng)態(tài)以及穩(wěn)定的電流，進(jìn)而難以獲得準(zhǔn)確快速的輸出轉(zhuǎn)矩。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了至少解決現(xiàn)有技術(shù)的不足之一，提供船舶電力推進(jìn)電機(jī)雙滑?？刂品椒ā⒀b置及系統(tǒng)。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案：

3、具體的，提出船舶電力推進(jìn)電機(jī)雙滑?？刂品椒?，包括以下：

4、獲取永磁同步電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速以及實(shí)際轉(zhuǎn)速；

5、基于永磁同步電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速以及實(shí)際轉(zhuǎn)速通過(guò)預(yù)構(gòu)建的雙滑?？刂颇Ｐ蛯?duì)船舶電力推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制；

6、具體的，預(yù)構(gòu)建的雙滑?？刂颇Ｐ偷臉?gòu)建原理為，

7、對(duì)傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)矢量控制模型進(jìn)行改進(jìn)，其轉(zhuǎn)速外環(huán)沿用原滑?？刂疲娏鲀?nèi)環(huán)采用滑模變結(jié)構(gòu)控制替代傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)矢量控制模型中的pi控制。

8、進(jìn)一步，具體的，預(yù)構(gòu)建的雙滑?？刂颇Ｐ椭校D(zhuǎn)速外環(huán)的構(gòu)建包括，

9、假定，忽略電機(jī)鐵芯的飽和、不計(jì)電機(jī)中的渦流和磁滯損耗且電機(jī)中的電流為對(duì)稱的三相正弦波電流，基于此構(gòu)建電機(jī)在坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

10、（1）；

11、其中，分別是定子電壓的軸分量；分別是定子電流的軸分量；分別是軸的電感分量；是定子的電阻；代表永磁體的磁鏈；是電機(jī)的機(jī)械角速度；為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為阻尼系數(shù)；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為電機(jī)極對(duì)數(shù)；

12、考慮到表貼式永磁同步電機(jī)，存在，此外，采用的矢量控制方式，因此對(duì)式（1）進(jìn)行改寫(xiě)為，

13、（2）；

14、定義永磁同步電機(jī)的狀態(tài)變量為永磁同步電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)速誤差，存在如下關(guān)系：

15、（3）

16、可以求得，

17、（4）

18、定義轉(zhuǎn)速外環(huán)的滑模面為積分滑模面，即：

19、（5）

20、定義轉(zhuǎn)速外環(huán)的趨近律為：

21、（6）

22、其中，，；

23、轉(zhuǎn)速外環(huán)的滑模控制律為，

24、（12）。

25、進(jìn)一步，趨近律通過(guò)lyapunov函數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)證，具體的，

26、首先選取lyapunov函數(shù)：，當(dāng)式滿足時(shí)，認(rèn)為滑模達(dá)到條件；

27、計(jì)算得到下式，

28、（7）

29、由此可證明，該變指數(shù)趨近律是滿足lyapunov穩(wěn)定性判定的，系統(tǒng)是漸進(jìn)的、穩(wěn)定的。

30、進(jìn)一步，具體的，轉(zhuǎn)速外環(huán)的滑?？刂坡傻挠?jì)算過(guò)程，包括，

31、對(duì)積分滑模面求導(dǎo)得：

32、（8）

33、聯(lián)立式（6）和式（8）得：

34、（9）

35、且，則上式可表示為：

36、（10）

37、（11）

38、則可以得到：

39、（12）。

40、進(jìn)一步，具體的，預(yù)構(gòu)建的雙滑?？刂颇Ｐ椭校娏鲀?nèi)環(huán)的構(gòu)建包括，

41、構(gòu)建永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系下的定子電壓方程為：

42、（13）

43、其中，分別是定子電壓的軸分量；分別是定子電流的軸分量；分別是軸的電感分量；是定子的電阻；代表永磁體的磁鏈；是電機(jī)的電角速度；，為電機(jī)極對(duì)數(shù)，是電機(jī)的機(jī)械角速度；

44、由式（13）可求得：

45、（14）

46、定義系統(tǒng)狀態(tài)變量為：

47、（15）

48、式中，為軸電流期望值，同時(shí)基于轉(zhuǎn)速外環(huán)計(jì)算得到，即式（12）計(jì)算得出的作為軸電流的期望值即；

49、電流內(nèi)環(huán)采用與轉(zhuǎn)速外環(huán)滑?？刂破飨嗤幕Ｃ?，則電流內(nèi)環(huán)的滑模面定義為：

50、（16）

51、電流內(nèi)環(huán)采用與轉(zhuǎn)速外環(huán)滑?？刂破飨嗤内吔杉词剑?）；

52、則電流內(nèi)環(huán)的滑模控制律為，

53、（24）。

54、進(jìn)一步，將轉(zhuǎn)速外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)中，趨近律中符號(hào)函數(shù)用雙曲正切函數(shù)代替，其中，，值的大小決定了雙曲正切光滑函數(shù)拐點(diǎn)的變化的快慢，

55、更新速度外環(huán)滑?？刂坡蔀椋?/p>

56、（25）

57、更新電流內(nèi)環(huán)滑?？刂坡蔀椋?/p>

58、（26）。

59、本發(fā)明還提出船舶電力推進(jìn)電機(jī)雙滑模控制裝置，應(yīng)用了所述的船舶電力推進(jìn)電機(jī)雙滑?？刂品椒ǎǎ?/p>

60、數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲取永磁同步電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速以及實(shí)際轉(zhuǎn)速；

61、控制器，用于基于永磁同步電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速以及實(shí)際轉(zhuǎn)速通過(guò)預(yù)構(gòu)建的雙滑?？刂颇Ｐ蛯?duì)船舶電力推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

62、本發(fā)明還提出一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)的介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)的介質(zhì)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如所述船舶電力推進(jìn)電機(jī)雙滑模控制方法的步驟。

63、本發(fā)明的有益效果為：

64、本發(fā)明提出船舶電力推進(jìn)電機(jī)雙滑?？刂品椒ǎ紫葘?duì)永磁同步電機(jī)建立數(shù)學(xué)模型，建立永磁同步電機(jī)的變指數(shù)趨近律速度環(huán)矢量控制策略，采用傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置以及速度信號(hào)。針對(duì)傳統(tǒng)的電流環(huán)pi控制器對(duì)電機(jī)參數(shù)變化較敏感以及魯棒性不強(qiáng)的問(wèn)題，提出在轉(zhuǎn)速外環(huán)采用滑?？刂频幕A(chǔ)上，電流內(nèi)環(huán)采用滑?？刂频碾p滑模控制策略，同時(shí)引入變指數(shù)趨近律滑模控制算法設(shè)計(jì)新型控制器，當(dāng)距離滑模面較遠(yuǎn)時(shí)加快趨近速度，距離滑模面較近時(shí)減小系統(tǒng)的切換帶，減小滑?？刂扑a(chǎn)生的抖振。最后用連續(xù)且光滑的雙曲正切函數(shù)代替不連續(xù)的符號(hào)函數(shù)，減少了系統(tǒng)的超調(diào)量的同時(shí)，也降低了系統(tǒng)的抖振，增強(qiáng)了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和魯棒性。

技術(shù)特征：

1.船舶電力推進(jìn)電機(jī)雙滑?？刂品椒ǎ涮卣髟谟?，包括以下：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶電力推進(jìn)電機(jī)雙滑模控制方法，其特征在于，具體的，預(yù)構(gòu)建的雙滑?？刂颇Ｐ椭?，轉(zhuǎn)速外環(huán)的構(gòu)建包括，

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的船舶電力推進(jìn)電機(jī)雙滑?？刂品椒ǎ涮卣髟谟?，趨近律通過(guò)lyapunov函數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)證，具體的，

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的船舶電力推進(jìn)電機(jī)雙滑模控制方法，其特征在于，具體的，轉(zhuǎn)速外環(huán)的滑?？刂坡傻挠?jì)算過(guò)程，包括，

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的船舶電力推進(jìn)電機(jī)雙滑模控制方法，其特征在于，具體的，預(yù)構(gòu)建的雙滑?？刂颇Ｐ椭校娏鲀?nèi)環(huán)的構(gòu)建包括，

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的船舶電力推進(jìn)電機(jī)雙滑模控制方法，其特征在于，將轉(zhuǎn)速外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)中，趨近律中符號(hào)函數(shù)用雙曲正切函數(shù)代替，其中，，值的大小決定了雙曲正切光滑函數(shù)拐點(diǎn)的變化的快慢，

7.船舶電力推進(jìn)電機(jī)雙滑?？刂蒲b置，其特征在于，應(yīng)用了權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)所述的船舶電力推進(jìn)電機(jī)雙滑?？刂品椒?，包括：

8.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)的介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)的介質(zhì)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及船舶電力推進(jìn)電機(jī)雙滑?？刂品椒?、裝置及系統(tǒng)，包括以下：獲取永磁同步電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速以及實(shí)際轉(zhuǎn)速；基于永磁同步電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速以及實(shí)際轉(zhuǎn)速通過(guò)預(yù)構(gòu)建的雙滑?？刂颇Ｐ蛯?duì)船舶電力推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)的電流環(huán)PI控制器對(duì)電機(jī)參數(shù)變化較敏感以及魯棒性不強(qiáng)的問(wèn)題，提出在轉(zhuǎn)速外環(huán)采用滑模控制的基礎(chǔ)上，電流內(nèi)環(huán)采用滑?？刂频碾p滑模控制策略，同時(shí)引入變指數(shù)趨近律滑?？刂扑惴ㄔO(shè)計(jì)新型控制器，當(dāng)距離滑模面較遠(yuǎn)時(shí)加快趨近速度，距離滑模面較近時(shí)減小系統(tǒng)的切換帶。本發(fā)明用連續(xù)且光滑的雙曲正切函數(shù)代替不連續(xù)的符號(hào)函數(shù)，減少了系統(tǒng)的超調(diào)量的同時(shí)，也降低了系統(tǒng)的抖振，增強(qiáng)了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和魯棒性。

技術(shù)研發(fā)人員：劉釗廷,王曦,許媛媛,周朋,趙正偉,楊文嬌,閆兆盈
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣東海洋大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19