船舶电力推进双三相永磁同步电机驱动及
容错技术研究
摘要
随着国家“双碳”战略目标的提出，船舶电力推进系统因其可提高能效并
减少碳排放，对实现“双碳”目标具有重要意义。船舶在海上运行时，往往面
临复杂的海洋环境和长时间连续运行的工作需求，这对电机的可靠性提出了很
高的要求。双三相永磁同步电机因其功率密度高、转矩脉动小和容错性能好的
特点，在船舶电力推进系统中得到了广泛关注。如何降低船舶振动和保障突发
故障下可靠稳定地运行是船舶电力推进电机控制方面亟需解决的问题。论文以
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一台双Y接相移电角度的双三相永磁同步电机作为研究对象，从数学模型
的建立、脉宽调制技术、位置传感器故障时的观测技术和缺相容错控制策略等
方面入手展开深入研究。
建立双三相永磁同步电机在双d-q坐标系和矢量空间解耦坐标系下的数学
模型，通过将双d-q坐标系下的磁链模型进行解耦，和矢量空间解耦模型对比
分析，揭示矢量空间解耦模型中谐波子空间产生电流的原因，提出可通过抑制
其谐波子空间电压实现抑制谐波电流，从而抑制船舶振动和噪声。对基于双d-
q坐标系和矢量空间解耦坐标系的数学模型分别进行仿真，验证其数学模型的
正确性。
针对常用的空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法无法有效抑制多相电机谐
波电流造成的转矩脉动问题，结合模型预测理论与SVPWM算法的矢量合成原
理，提出一种改进的模型预测脉宽调制（MPC-PWM）算法。该算法以谐波子
空间合成电压矢量为零作为约束，在一个控制周期内采用三个电压矢量作用合
成虚拟电压矢量，由虚拟电压矢量和α-β平面次外围大电压矢量构建矢量控制
集预测电流，并设计抑制谐波子平面电流的代价函数实现谐波电流闭环控制；
为了降低模型预测方法对数学模型精度的依赖，设计自抗扰控制器提高电机的
抗干扰性能。通过仿真及实验对提出的控制方法进行验证，证明该方法可以有
效降低电流谐波，从而改善船舶振动问题。
针对船舶在高湿度、盐雾和极端温度变化的航行环境下可能导致位置传感
I
器故障的问题，设计基于扩展卡尔曼滤波的位置观测器。和常用的基于反电动
势的位置观测器相比较，分析两种观测器的性能优劣，确定适用于船舶推进电
机的位置观测器。考虑到船舶的工作环境复杂多变可能影响位置观测精度，设
计基于扩展滑模控制器的参数摄动和负载扰动观测器，其中的滑模控制器中应
用饱和函数代替传统开关函数解决开关抖振问题。最后通过扰动补偿提高位置
观测器的估计精度和鲁棒性。
针对船舶在复杂海洋环境中受到强烈振动冲击可能导致电机发生缺相故障
的问题，对双三相电机的容错控制策略进行研究。分析电机缺相运行时的转矩
谐波，为改善故障电机的转矩谐波问题，提出基于谐波基的双三相电机容错控
制策略。该策略不改变原双三相电机的数学模型，改变谐波和零序子空间的给
定电流，结合所设计的MPC-PWM算法实现容错控制。分析容错后的电机转
矩谐波，验证该容错控制策略抑制转矩谐波的有效性，保障船舶系统在发生缺
相故障时仍能平稳可靠地运行。
关键词双三相永磁同步电机；脉宽调制；模型预测；无位置传感器；容错控制
策略
II
ResearchonDualThree-PhasePermanentMagnet
SynchronousMotorDriveandFaultTolerance
TechnologyforShipElectricPropulsion
Abstract
WiththeproposalofthenationalDualCarbonstrategicgoal,theshipelectric
propulsionsystemisofgreatsignificanceforachievingtheDualCarbongoalasit
canimproveenergyefficien