CN114421818B - 一种船用全回转推进器回转系统的负荷平衡控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种船用全回转推进器回转系统的负荷平衡控制方法，属于电机驱动控制领域，在本发明中，船用全回转推进器回转系统的负荷平衡控制方法以各电机的电流和转速为输入，位置附加值作为输出，连接至各驱动电机的伺服控制器，本发明通过电机的运动方程，结合电流和转速计算各电机承担的负荷，将相邻电机的负荷偏差经过PI调节器进行调节后作为位置信号的附加值输入至电机的位置环中，从而间接地调节各电机承担的负荷，达到各电机负荷平衡的目标。本发明无需增加传感器即可实现多电机负荷平衡控制，并且算法简单、易于实现。

Description

一种船用全回转推进器回转系统的负荷平衡控制方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体地，涉及一种船用全回转推进器回转系统的负荷平衡控制方法。
背景技术
大功率全回转推进器具有效率高、经济性好的特点，特别适合于高航速舰船、船舶动力定位等应用场合。大功率全回转推进器重达数百多吨，回转惯量大，而回转速度应满足船级社对转舵时间的要求，这对回转系统的回转电机提出了很高的要求。
其中一种解决方案是使用多台电机同时驱动回转机构。但多电机共同驱动负载时，由于电机在生产制造中的离散型，即使在同一系统的电源(同电压、同频率)中，也还会产生一些微量的偏差，在一个硬连接环境下，其结果就是每台电机负荷不平衡。若回转系统长期工作在负荷不平衡的状态，不仅降低回转系统的动态性能，还会造成各电机的磨损存在差异，降低回转系统的可靠性。
为了解决回转系统的多电机负荷平衡控制问题，不同的控制方法被相继提出。主从控制通过计算主电机的电磁转矩，作为其他从电机的转矩目标值，来达到负荷平衡的目的，但在全回转推进器回转系统中，各类信号通过工业以太网连接，每台电机之间无法直接进行实时通信，信息的传递存在延迟，使用主从控制的动态性能较差。并行控制将参考转矩同时输入至各电机的伺服驱动器中实现负荷平衡控制，电机之间没有耦合，当某一电机负载改变时，其他电机不会相应地进行调整，整个系统相当于开环结构，会造成较大的同步误差。交叉耦合控制通过将电机之间的负荷偏差量调整后作为附加值输入至电机伺服控制器中，电机之间形成耦合，当一台电机负荷发生变化时，另一台电机能快速地对负荷误差进行补偿，具有较强的抗扰动性能和控制精度，但不适用于三台及三台以上的电机。
为此，提出一种船用全回转推进器回转系统的负荷平衡控制方法。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提出一种船用全回转推进器回转系统的负荷平衡控制方法，使回转系统能够实现三台以上电机负荷平衡。本发明使用各台电机的电流、转速及运动方程计算各电机的负载转矩，使用相邻交叉耦合结构实现相邻电机间的负载转矩偏差为零，从而实现整个回转系统的负荷平衡。与其他负荷平衡控制方法相比，本发明能够在某一电机受到扰动发生变化后，其他电机相应地进行调整，保持较高的同步性，同时不需要对每台电机的伺服控制器进行改动，具有较高的通用性。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
在船用全回转推进器回转系统中，多采用刚性连结，电机之间的转速几乎一致。在此条件下，由功率—转矩关系P＝Tω可知，当所有电机的负载转矩一致时，每台电机承担的负荷相同。
一种船用全回转推进器回转系统的负荷平衡控制方法，包括以下步骤：
通过电流传感器实时检测电机电流，输入至转矩计算环节，获得电磁转矩；
将电磁转矩输出至负荷估计环节，连同实测的角速度信号，负荷估计环节计算得到该电机的负载转矩；
通过与相邻电机的负载转矩作差后得到负载转矩偏差信号并输入PI调节器，经PI调节器调节得到位置控制信号；
将位置控制信号与相邻电机的位置控制信号作差，得到每台电机的位置信号附加值；
将位置信号附加值与电机的位置控制指令叠加，作为电机位置调节器的参考信号输入量。
进一步地，PI调节器输入的负载转矩偏差信号由本台电机与下相邻电机的负载转矩作差获得；
每台电机的位置信号附加值由本台电机与上相邻电机的PI调节器输出位置信号作差获得。
进一步地，转矩计算环节进行计算电磁转矩时的回转电机包括永磁同步电机和感应电机。
进一步地，当回转电机为永磁同步电机，通过电磁转矩方程计算电机的电磁转矩，如式(1)所示：
Tej＝1.5pniqj[idj(Ld-Lq)+ψf] (1)
其中，Tej为第j台电机的电磁转矩，j＝1,2,3,4，pn为极对数，iqj为第j台电机的q轴电流，idj为第j台电机的d轴电流，Lq为q轴电感，Ld为d轴电感，ψf为永磁磁链。
进一步地，当回转电机为感应电机，通过感应电机电磁转矩方程计算电机的电磁转矩，如式(2)所示：
Tej＝pn(isqjψsdj-isdjψsqj) (2)
其中，isqj和isdj分别为第j台电机的q轴定子电流和d轴定子电流，ψsdj和ψsqj分别为第j台电机的d轴定子电流和q轴定子磁链。
进一步地，负荷估计环节在忽略损耗转矩和扰动转矩的情况下，由电机的运动方程计算电机的负载转矩，如式(3)所示：
Figure BDA0003490474000000031
其中，TLj为第j台电机的负载转矩，J为电机的转动惯量，ωj为第j台电机的转速。
进一步地，位置信号附加值计算的步骤包括：
计算相邻两台电机的负荷偏差，如式(4)～式(7)所示：
ΔTL12＝TL1-TL2 (4)
ΔTL23＝TL2-TL3 (5)
ΔTL34＝TL3-TL4 (6)
ΔTL41＝TL4-TL1 (7)。
有益效果：
本发明可在独立的上层控制器或者其中任何一台电机的控制器中实现，无需对每台的电机的伺服驱动器进行改动，具有通用性，更易于实现。能够在某一电机受到扰动发生变化后，其他电机相应地进行调整，保持较高的同步性,适用于多于三台电机同步驱动的场合。
与其他负荷平衡控制方法相比，本发明能够在某一电机受到扰动发生变化后，其他电机相应地进行调整，保持较高的同步性，同时不需要对每台电机的伺服控制器进行改动，具有较高的通用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是全回转推进器回转系统电机伺服控制结构图；
图2是全回转推进器回转系统负荷平衡控制框图；
图3是四电机负荷平衡控制信号连接关系图；
图4为无负荷平衡控制的波形图；
图5为使用了负荷平衡控制的波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为全回转推进器回转系统电机伺服控制结构图，每台电机的驱动控制均为经典的三控制闭环结构，内环为转矩(电流)环，中间为速度环，外环为位置环。如电机独立控制且无负荷平衡控制要求，外环位置环的给定值为位置参考信号θ*，加入负荷平衡控制方法后，每台电机的位置参考信号需要叠加一个位置信号附加值。
如图2所示，为全回转推进器回转系统多电机负荷平衡控制方法流程框图，包括转矩计算、负荷估计、PI调节、位置信号附加值计算等环节，通过电流传感器实时检测电机电流，输入至转矩计算环节，获得电磁转矩并输出至负荷估计环节，连同实测的角速度信号，负荷估计环节计算得到该电机的负载转矩，通过与相邻(下)电机的负载转矩作差后输入PI调节器，经PI调节得到位置控制信号与相邻(上)电机的位置控制信号作差后，得到每台电机的位置信号附加值，该位置信号附加值与电机的位置控制指令叠加后，作为电机位置调节器的参考信号输入量。
作为本发明的一个实施例，当回转电机为内嵌式永磁同步电机，通过电磁转矩方程计算每台电机的电磁转矩，如式(1)所示：
Figure BDA0003490474000000051
其中，Tej为第j台电机的电磁转矩，j＝1,2,3,4，pn为极对数，iqj为第j台电机的q轴电流，idj为第j台电机的d轴电流，Lq为q轴电感，Ld为d轴电感，ψf为永磁磁链。
作为本发明的另一个实施例，当回转电机为感应电机，通过感应电机电磁转矩方程计算电机的电磁转矩，如式(2)所示：
Tej＝pn(isqjψsdj-isdjψsqj) (2)，
其中，isqj和isdj分别为第j台电机的q轴定子电流和d轴定子电流，ψsdj和ψsqj分别为第j台电机的d轴定子电流和q轴定子磁链。
其中，在忽略损耗转矩和扰动转矩的情况下，由电机的运动方程计算每台的电机的负载转矩，如式(3)所示：
Figure BDA0003490474000000061
其中，TLj为第j台电机的负载转矩，J为电机的转动惯量，ωj为第j台电机的转速。
计算相邻两台电机的负荷偏差，如式(15)～式(18)所示：
ΔTL12＝TL1-TL2 (4)，
ΔTL23＝TL2-TL3 (5)，
ΔTL34＝TL3-TL4 (6)，
ΔTL41＝TL4-TL1 (7)。
将偏差分别经过PI调节器，得到θ12p、θ23p、θ34p、θ41p。
以电机1为例，θ12p目的是消除电机1和电机2之间的负荷偏差，θ41p目的是消除电机1和电机4之间的负荷偏差，电机1的位置附加值由θ12p和θ41p组合起来，考虑符号后如式(19)所示：
θ1p＝θ41p-θ12p (19)，
同理，其他电机的位置信号附加值如式(20)～式(22)所示：
θ2p＝θ12p-θ23p (20)，
θ3p＝θ23p-θ34p (21)，
θ4p＝θ34p-θ41p (22)。
如图3所示，为四电机负荷平衡控制信号连接关系，经负荷估计环节获得四台电机各自的负载转矩，两两相邻的负载转矩作差，即将本台电机减去下一台电机的负载转矩后获得负荷偏差，送入PI调节器并获得位置信号θ12p、θ23p、θ34p和θ41p，将本台电机的位置信号减去上一台电机的位置信号，计算得到位置信号附加值θ1p、θ2p、θ3p和θ4p，位置信号附加值叠加位置控制指令后得到电机伺服控制位置参考信号。通过图3所示的方法，使任何一台电机能快速地与其上下相邻的两台电机实现负荷平衡控制。
采用上述系统结构设计与系统控制原则，本发明的一种船用全回转推进器回转系统的多电机负荷平衡控制方法在仿真软件中的实施效果如图4和图5所示。其中，图4为未使用负荷平衡控制的波形图，电机1与其他电机的偏差在稳定后基本不变，最大偏差约为额定负荷的10％。图5为使用了负荷平衡控制的波形图，电机1与其他电机的偏差逐渐减小，稳定后的最大偏差约为额定负荷的0.5％，大幅降低了多台电机之间负荷不平衡的现象。
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所述本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种船用全回转推进器回转系统的负荷平衡控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
通过电流传感器实时检测电机电流，输入至转矩计算环节，获得电磁转矩；
将电磁转矩输出至负荷估计环节，连同实测的角速度信号，负荷估计环节计算得到该电机的负载转矩；
通过与相邻电机的负载转矩作差后得到负载转矩偏差信号并输入PI调节器，经PI调节器调节得到位置控制信号；
将位置控制信号与相邻电机的位置控制信号作差，得到每台电机的位置信号附加值；
将位置信号附加值与电机的位置控制指令叠加，作为电机位置调节器的参考信号输入量。
2.根据权利要求1所述的一种船用全回转推进器回转系统的负荷平衡控制方法，其特征在于，PI调节器输入的负载转矩偏差信号由本台电机与下相邻电机的负载转矩作差获得；
每台电机的位置信号附加值由本台电机与上相邻电机的PI调节器输出位置信号作差获得。
3.根据权利要求1所述的一种船用全回转推进器回转系统的负荷平衡控制方法，其特征在于，转矩计算环节进行计算电磁转矩时的回转电机包括永磁同步电机和感应电机。
4.根据权利要求3所述的一种船用全回转推进器回转系统的负荷平衡控制方法，其特征在于，当回转电机为永磁同步电机，通过电磁转矩方程计算电机的电磁转矩，如式(1)所示：
Tej＝1.5pniqj[idj(Ld-Lq)+ψf] (1)
其中，Tej为第j台电机的电磁转矩，j＝1,2,3,4，pn为极对数，iqj为第j台电机的q轴电流，idj为第j台电机的d轴电流，Lq为q轴电感，Ld为d轴电感，ψf为永磁磁链。
5.根据权利要求3所述的一种船用全回转推进器回转系统的负荷平衡控制方法，其特征在于，当回转电机为感应电机，通过感应电机电磁转矩方程计算电机的电磁转矩，如式(2)所示：
Tej＝pn(isqjψsdj-isdjψsqj) (2)
其中，isqj和isdj分别为第j台电机的q轴定子电流和d轴定子电流，ψsdj和ψsqj分别为第j台电机的d轴定子电流和q轴定子磁链，Tej为第j台电机的电磁转矩，j＝1,2,3,4，pn为极对数。
6.根据权利要求1所述的一种船用全回转推进器回转系统的负荷平衡控制方法，其特征在于，负荷估计环节在忽略损耗转矩和扰动转矩的情况下，由电机的运动方程计算电机的负载转矩，如式(3)所示：
Figure FDA0003823881820000021
其中，TLj为第j台电机的负载转矩，J为电机的转动惯量，ωj为第j台电机的转速，Tej为第j台电机的电磁转矩，j＝1,2,3,4。
7.根据权利要求1所述的一种船用全回转推进器回转系统的负荷平衡控制方法，其特征在于，位置信号附加值计算的步骤包括：
计算相邻两台电机的负荷偏差，如式(4)～式(7)所示：
ΔTL12＝TL1-TL2 (4)
ΔTL23＝TL2-TL3 (5)
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