摘 要

船舶运输向来以其低廉的造价被广大企业所喜爱，因此航运业承担了全球九成的贸易运输。但随着油价的不断上涨以及全球变暖等环境问题的日益突出，船舶的节能减排也俨然成为研究的焦点问题。本文所研究的是从船舶电站方面实现节能减排的目的，即通过优化船舶轴带发电系统来实现节能减排。

在船舶轴带发电系统中，无刷直流电机转速的稳定控制直接决定了电的品质。本文首先介绍了无刷直流电动机的结构、工作原理以及在轴带发电系统中的作用，并对无刷直流电机的模型以及其运行特性进行分析。由此引出本文对无刷直流电动机转速控制的主题，转速控制策略主要有常规PID控制、模糊PID控制以及模糊参数自适应PID控制，对其工作原理进行了详细的介绍。最后基于DSP建立了无刷直流电动机系统，控制变量将常规模糊与模糊参数自适应PID进行实验做出对比，得出模糊参数自适应PID控制对无刷直流电动机的调速性能更佳的结论。

关键词：轴带发电机；无刷直流电机；转速控制；模糊自适应PID。

Abstract

Shipping has always been favored by enterprises for its low cost, so the shipping industry undertakes 90% of the global trade transportation. However, with the rising oil price and the increasingly prominent environmental problems such as global warming, the energy conservation and emission reduction of ships has become the focus of research. The purpose of this paper is to realize energy saving and emission reduction from ship power station, that is, to realize energy saving and emission reductive by optimizing ship shaft power generation system.

In the Marine shaft generator system, the stability control of brushless dc motor speed directly determines the quality of power. This paper first introduces the structure, working principle and function of brushless dc motor in shaft belt power generation system, and analyzes the model and operation characteristics of brushless dc motor. This leads to the topic of speed control of brushless dc motor in this paper. The speed control strategy mainly includes conventional PID control, fuzzy PID control and fuzzy parameter adaptive PID control, and its working principle is introduced in detail. Finally, a brushless dc motor system was established based on DSP, and the conventional fuzzy control variables were compared with the fuzzy parameter adaptive PID for the experiment, and a conclusion was drawn that the fuzzy parameter adaptive PID control had better speed regulation performance for the brushless dc motor.

Key Words： shaft generator; Brushless dc motor; Speed control; Fuzzy adaptive PID.

目 录

第1章 绪论 1

1.1论文研究的背景及意义 1

1.2无刷直流电动机的发展现状 3

1.3轴带发电系统研究现状 3

1.3.1PWM整流器的研究现状 3

1.3.2PWM逆变器研究现状 4

1.4本文主要研究内容 5

第2章 直流无刷电机 6

2.1直流无刷电机结构 6

2.2无刷直流电动机的基本原理 7

2.3 无刷直流电动机在轴发系统中的作用 11

第3章 无刷直流电机模型及其运行特性 12

第4章 无刷直流电机的转速调节 14

4.1 传统PID控制 14

4.2常规模糊PID控制 15

4.2.1常规模糊PID控制器结构 15

4.2.2模糊PID控制器运行方式 16

4.3模糊参数自适应PID控制 17

4.3.1模糊参数自适应PID控制器工作原理 17

4.3.2模糊参数自适应控制器结构 18

4.3.3输入输出变量的模糊化 18

4.3.4 模糊控制规则 19

4.3.5解模糊 20

4.4仿真 21

第5章 总结及展望 24

5.1 总结 24

5.2 工作展望 24

参考文献 25

致谢 26

第1章 绪论

当今世界，化石燃料资源变得日益稀缺，油价不断上涨，船舶的运营成本因此持续上涨。同时，环境污染问题也愈加严重，节能减排已成为现阶段船舶工业发展的必然趋势。绿色、环保、节能一直都是船舶行业研究的焦点。轴带发电系统作为船舶节能减排研究的一大领域，受到广泛关注。提高船舶轴发系统的能量利用率一直是船舶工业的研究目标。随着电力电子技术的飞速发展，大功率全控装置和SVPWM调制技术的产生，使双PWM变频技术得以拓展到许多领域。与传统的轴带发电系统相比，基于双脉宽调制逆变器的船舶轴带发电系统具有节能、改善机舱空间布置、可作为推进电机推进船舶的优点。因此，它在船舶工业中具有良好的应用前景。无刷直流电动机在基于双PWM变换器的船舶轴带发电系统中具有重要作用，因此，无刷直流电动机的转速调节具有重要的研究意义。

1.1论文研究的背景及意义

随着人类文明的不断发展，对自然资源的开发越来越严重，各种不可再生资源愈加枯竭。石油就是其中之一，价格不断地飙升，因此船舶航行成本中燃料费用所占的比重持续加大^[1]。所以从航运业的健康发展上来看，船舶节能研究是非常必要的。我国目前一直在倡导绿色、节能与环保的理念，将航运业向绿色转变^[2]。船舶的运行需要燃料大量的石油资源，它排出的废气处理不到位会对环境产生很严重的影响，因此从我国发展的大方针上看，船舶的节能减排需要进一步研究。

为实现船舶节能，一方面是围绕船舶主机做研究，提高船舶主机的工作效率，减少船舶主机能量传递的损耗等，针对这一方面节能的研究者较多;另一方面是从船舶电站上节能，减少船舶辅助柴油机发电对燃料的消耗，这方面的研究者相对较少，船舶轴带发电系统就是从船舶电站上节能。

随着船舶工业技术的进步和承载吨位的增加，船舶电站中对于轴带发电系统及其装置的需求也越来越高。轴带发电机由船舶主柴油机拖动作为动力来源，而船舶的辅助柴油发电机需要燃烧汽油、轻柴油等比较昂贵的燃料，因此主机的经济效率更高。此外，轴带发电机系统的应用可以减轻设备和装置的磨损与保养需求。船舶应用轴带发电系统后，在航行中可以有效地提高主柴油机富裕功率的利用率，为船舶电站提高稳定的电能，起到了节能减排的作用。

船舶轴带发电系统就是由船舶主柴油机来带动一台交流发电机给船舶电网供电的系统，船舶轴带发电系统是从船舶电站方面上实现船舶节能，通过利用船舶主柴油机的富裕功率发电来达到节能的效果。船舶主柴油机在正常运行状态，一般在功率上会留有10%~15%的富裕功率，这部分的富裕功率要比船舶辅助柴油发电机的额定容量还要大，所以，可以利用船舶主柴油机的富裕功率给船舶电网供电。船舶主柴油机的能源利用率比船舶辅助柴油发电机要高，要发出一度电船舶主柴油机需要消耗120~140克燃油^[3]，船舶辅助柴油发电机发出一度电需要消耗150~170克燃油,由此可见，船舶轴带发电系统的节能效果很明显，同时还可以减低轻柴油和滑油的使用，延长发电机维修周期，改善机舱的工作环境。船舶轴带发电系统主要分为两类，一类为变动频率型，另外一类为固定频率型。变动频率型主要出现在轴带发电系统发明早期，也称为无频率补偿型轴带发电系统，船舶主柴油机直接或间接地使用增速设备来拖动发电机工作，所以发电机所发电的频率不稳定，将会跟着主机转速的变化而有所波动。变动频率型轴带发电系统适用于装配有变距桨的船舶，此系统具有三个主要缺点：①工作的范围受船舶主柴油的转速限制；②不能够长期与船舶辅助柴油发电机并联运行；③电力供应质量差。

频率补偿型轴带发电系统可以在船舶主柴油机转速变化时通过机械或电气控制方式保持输出频率的稳定，这种类型轴带发电系统可装配于定距浆船舶。随着半导体材料的飞速发展，通过电气控制方式来保持输出频率的稳定成为主流研究方向，当时运用最广泛的是晶闸管变流器式轴带发电系统^[4]。此类型轴带发电系统具有如下优点:
1、不受容量限制，变流器效率高；

2、稳定工作所允许的主机转速范围大；

3、可以和船舶辅助柴油发电机长期并联运行。

基于以上优点，在上世纪八十年代成为了主要的轴带发电系统类型，日本和德国先后在八十多艘船舶上配置此类型轴带发电系统。随着电力电子技术的发展，大功率全控型器件的出现和SVPWM调制技术的成熟，使得双PWM变频器得到广泛的运用。劳斯莱斯公司开创性地提出了采用PWM整流-逆变技术的船舶轴带发电系统，该类型船舶轴带发电系统具有如下优点:

1、可以单独地控制有功和无功功率，省去同步补偿机，简化系统；

2、使用SVPWM调制技术，降低所输出谐波，提高供电质量；

3、整流器和逆变器分开控制，大大增加了控制的灵活性;

4、主机可运行的转速范围得到大幅提高，提高了系统的适应性；

5、此系统拥有传统的轴带发电机模式、电机推进模式和增强模式三种模式。

正是因为上面的几大优点，采用双PWM技术的轴带发电系统已成为新一代绿色节能船舶的发展方向。

1.2无刷直流电动机的发展现状

无刷直流电动机（以下简称为BLDCM）是随着科学技术迅猛发展而研制出的一种新型微电机，它没有一般直流电动机的机械换向装置，而是用逆变器和转子位置传感器组成的电子换向装置将其代替。因此，BLDCM保持了有刷直流电机良好的控制特性，克服了由电刷的机械摩擦引起的噪声，火花，无线电干扰和寿命短的致命弱点。BLDCM也因此获得了广泛的应用。

目前，ＰＩＤ控制广泛应用于BLDCM调速控制系统中，然而BLDCM系统是一个非线性、多变量、强耦合的时变系统，当传统的ＰＩＤ控制用于调节BLDCM的转速时，难以优化其控制参数，而且抗干扰能力较差，无法满足用户对于伺服控制系统高精度的需求。为了让BLDCM调速系统拥有更优的响应速度、稳定性与自适应性，目前许多专家把新兴的智能控制算法：遗传算法^[5]、神经网络^[6]和模糊控制^[7]等，推广到BLDCM调速系统中使用。在这些只能控制算法中，模糊控制^[7]由于拥有自适应性强、在线调节能力高、容易理解与实现等长处，成为了最受重用的算法之一。

1.3轴带发电系统研究现状

双PWM船舶轴带发电系统作为新一代高技术船舶发展方向，目前已获得广泛关注与研究。从PWM逆变器出发，研究了两个PWM逆变器并联运行的控制策略，分析了PWM逆变器并联运行时，系统产生环流的原因，并通过对PWM逆变器并联控制策略进行改进，来减少环流，研究了配有两台轴带发电机的船舶轴带发电系统，研究的重点在PWM逆变器的并联运行控制上。文献^[8]针对基于逆变器的船舶轴带发电系统，重点研究了逆变器并网有功功率和无功功率的控制，为更好的抑制逆变器并网出现的环流，引入了模糊控制，提高控制系统的稳定性。文献^[9]研究了采用双PWM变频技术的船舶永磁轴带发电系统，建立了PWM整流器的数学模型，设计了PWM整流器及PWM逆变器的控制策略，并通过搭建系统调压平台验证了系统的正确性，但其没有研究轴带发电系统的并网过程，而在船舶实际运行中，要实现轴带发电系统给船舶电网供电之前需要实现轴带发电系统的并网过程，才能实现由辅助柴油发电机组给船舶电站供电，到由船舶轴带发电系统给船舶电网供电的无缝切换。

1.3.1PWM整流器的研究现状

在船舶轴带发电系统中，交流发电机由船舶主柴油机拖动运行时，输出的电压和频率都是不稳定的， PWM整流器可用于将电压和频率不稳定的交流电整流成直流电。随着PWM整流器在实际中的广泛使用，诸多学者对其进行了深入的分析研究。为了更好的分析PWM整流器，A.W.Greer等提出了坐标变换的PWM整流器数学模型。WuR、Devan S.B.等建立了PWM整流器的时域模型19201。YAO H等在Rim和DongX.Hu两人建立的基于变压器的低频等效电路的基础之上，建立了一种降阶小信号模型。为了提高PWM整流器的可控特性，文献^[10]针对传统同步发电机输出电压不稳定，谐波含量高的问题，提出了一种基于矢量PID控制器内环为电流，外环为瞬时功率平衡的电压平方的双闭环控制方案，设计了轴带发电机试验样机，通过样机加卸载实验验证控制策略的有效性。文献^[11]提出多滑膜可变结构的控制方案，用来改善三相PWM整流器的动态和静态性能，电压外环可采用滑模变结构控制方案设计，将电流内环线性化，通过设计实验样机和仿真建模，验证了设计模变结构控制律，提高了电流内环滑模控制方案的有效性。控制策略，磁链的概念，提高了文献^[12]提出预测电流控制策略，解决了在两相同步旋转坐标系统的动态响应速度,对整流流器主电路拓扑结构进行了改进，提出了基于软开关控制的拓扑结构，设计了一种对称控制的全桥谐振PWM变频器,并用实验验证了此理论的准确性。

综上所述，对PWM整流器的研究主要分为数学模型优化、控制策略改进和拓扑结构改进三个方向，其中以对控制策略改进的研究最多，并提出了几种不同的控制策略和控制算法，与传统PID控制相比，在控制性能上拥有一定的提升，然而大多控制策略都提高了控制系统计算量和系统结构多样性。针对PWM整流器的控制方案的研究相对较少，对控制方案的改进可在不大幅提高运算量的基础上提高控制系统的动静态性能。

1.3.2PWM逆变器研究现状

逆变器的功能是将直流电变换成频率与幅值不变的交流电供给交流负载或和交流电网并网。PWM逆变器能实现网侧电流正弦化，并可以实现四象限运行。在现今各种新能源的出现，PWM逆变器成为了新能源高效利用的关键技术，可以将新能源产生的电能变换成交流电能。PWM逆变器已经在船舶轴带发电系统，风力发电和新能源汽车上得到运用。

对逆变器直接电流控制提出了优化设计，将模糊控制与变环宽滞环控制相结合引入控制环路中，提高了控制系统的电流跟踪效果,提出了准谐振控制器,其能快速准确的跟踪给定的正弦波电流，抑制电流中的谐波电流分量，有效的改善电能质量,提出了自适应控策略，采用电容电流反馈有源阻尼控制解决了LCL滤波器产生的谐振问题，通过对电流指令跟踪控制降低电流中的谐波^[13]。

综上所述，PWM逆变器控制方案使用最多的为电压和电流双闭环控制，不少学者针对控制方案进行研究，将现代控制理论引入控制系统中，对PWM控制系统有一定的改良，但在实际应用中，还是以PID控制为主，因为PID控制具有结构简单，易于实现的显著优势。

1.4本文主要研究内容

本文的研究对象是无刷直流电动机的转速控制系统，在船舶双PWM轴带发电系统中，无刷直流电动机的转速稳定控制，对所发电质量至关重要。本文将对无刷直流电机的转速控制进行介绍，并分析模糊参数自适应PID控制器在转速控制系统中的作用，工作安排如下：

第一章讲述论文的研究背景及意义，介绍了BLDCM与船舶轴带发电系统的发展现状，从而确立本文的主要研究内容。

第二章介绍了直流无刷电机，对直流无刷电机的结构、工作原理进行了详细介绍，并阐述了无刷直流电机在轴带发电系统中的关键作用，为本文提供了理论基础。

第三章介绍了本文所要研究的无刷直流电机模型，以及其运行特性，为本文的研究提供了硬件基础

第四章介绍了无刷直流电动机的三种转速调节策略，传统PID控制、常规模糊PID控制以及模糊自适应PID控制，并构建基于DSP的无刷直流电机调速系统，在给定转速的条件下，将常规模糊PID控制和模糊自适应PID控制进行比较并分析调速性能

第五章得出本文的结论。

第2章 直流无刷电机

无刷直流电动机是随着科学技术迅猛发展而研制出的一种新型微电机，它没有一般直流电动机的机械换向装置，而是用逆变器和转子位置传感器组成的电子换向装置将其代替。因此，无刷直流电机保持了有刷直流电机良好的控制特性，克服了由电刷的机械摩擦引起的噪声，火花，无线电干扰和寿命短的致命弱点。新型电力电子器件（如电力晶体管、金氧半场效晶体管、绝缘栅双极型晶体管）的创新发展，以及高性能永磁材料（钐钴、铷铁硼）的发现,BLDCM的使用得到了长足的发展，它的功率范围从毫瓦级至千瓦级,转速也从近于零转至数十万转每分钟，可用作为常见的直流电动机，伺服电动机，力矩电动机等。特别适用于先进的电子设备，数控设备，航空航天装置，计算机外围装备，医疗化工仪器仪表等。

2.1直流无刷电机结构

无刷直流电动机的基本结构框图如图2.1所示，“电动机系统”由三部分构成：电子开关电路，永磁式同步电动机和位置传感器。DC电源的电能通过开关线路给定子绕组提供电能, 而且通过位置传感器确定转子的状态,产生一个信号，触发开关线路中的电力电子元件从而控制通断。定子是电动机的电枢，定子铁心中设置有对称的多相绕组，它们以星形连接或者三角形连接方式相连，每个绕组与网路中的对应功率管逐个相连。电机定子的每一相分别通电以产生电流,并与转子磁极的主磁场相互作用以产生转矩，从而控制电动机的转动。

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