0 引　言

船舶吊舱推进系统是近年发展起来的一种新型船舶电力推进装置，受到了世界造船业的广泛关注^[1]。它主要由支架、吊舱和螺旋桨等部件构成，其推进电机被置于一个能360°回转的吊舱内，推进电机两端直接驱动螺旋桨，转子为螺旋桨的共同轴，由于采用了可靠性更高的电气控制系统，使得系统冗余度得到极大提高，可实现船舶的快速启动及平稳调速等优良操纵性能。但是，由于船舶吊舱推进系统没有传动机构，使得推进电机对负载的变化和扰动更加敏感，如推力纹波以及齿槽效应等非线性因素对系统的跟踪精度影响都很大^[2]，在这种背景下，开发一种低成本、鲁棒性好，在风浪条件下有利于充分发挥动力装置效能的推进电机驱动控制系统已成为当前国内外的研究热点之一。

相比于传统轴系式推进器的螺旋桨，船舶吊舱推进器螺旋桨工作于稳流场中，且省去了中间轴承等长轴系，取消了螺旋桨支撑装置及舵，提高了推进效率，并具有布置方便、传动效率高、结构紧凑、振动小、噪声低等优点^[3]。而且，船舶柴油机的故障不会导致船舶失去动力，提高了船舶的安全性。正是由于这些优点，使吊舱推进电机成为船舶节能减排领域的重要研究方向。

本文首先对吊舱推进电机的形式、结构、负载特性以及控制系统等进行分析研究，然后对推进电机的控制策略进行探讨，最后讨论了先进控制理论在船舶吊舱推进电机控制系统中应用的主要发展方向。

1 吊舱推进电机的研究与应用现状

吊舱推进电机被广泛应用在船舶电力推进系统中，它能够360°旋转，可以完成对船舶的航向及航速控制，其安全可靠性对船舶的安全运营起到至关重要的作用，因此，吊舱推进电机系统是船舶电力推进领域需要重点研究的技术。

早期阶段直流电机为船舶电力推进系统的主要形式，直流电机具有扭矩波动平滑、启动性能较好等优点，但是由于其结构复杂、体积大、维护困难等缺点，使其在吊舱推进系统中的应用受到了限制。近年来随着人类社会的发展和科学技术的进步，交流电机迅速应用到吊舱推进系统中，并取得了诸多进展。

当前，各国正在使用和处于研究当中的推进电机主要有直流电机、感应电机、永磁电机以及高温超导电机等。其中，永磁电机由于其体积比常规电机小很多而成为吊舱推进电机的理想选择，对永磁同步电机的应用研究成为当前吊舱推进控制系统研究的热点。

1.1 永磁推进电机

永磁推进电机主要由永磁电机本体、电源模块、控制模块组成。与常规推进电机相比，永磁推进电机具有转动惯量小、体积小、重量轻、噪声低等优势。根据其转子型式，分为表面式磁路结构、切向式磁路结构、横向磁通磁路结构以及径向式气隙磁场结构等。

国外对于高效永磁同步推进电机的研究设计已有近40年的历史。早在1978年，法国CEM公司就获得了18.5 kW以下的高效永磁电机发明专利，其效率比感应电机高2%～8%，功率因数提高0.005～0.15，堵转转矩倍数为1.6～2.2。1986年初，德国Siemens公司研制出1 100 kW，230 r/min的六相永磁同步电动机，并做了对比航行试验，使得系统效率特别是在低速工况下的效率大大提高。而后又研制出1 700 ~5 000 kW，150 r/min的PERMASYN永磁推进电机，其转子采用多极表面式磁路结构。近年来西门子与肖特尔公司联合研制出5~30 MW SSP推进电机，该电机利用了Schottel双螺旋桨设计思想，利用2个螺旋桨均担负载，使系统效率提高20%，目前，SSP推进电机已安装于中远集团“泰安口”和“康盛口”，2011年中远集团“祥云口”采用了SSP6型推进电机系统。1986年德国磁电机公司与瑞士BBC公司为瑞典潜艇设计了1台1 500 kW永磁同步电动机^[4]，其速度范围可达0~180 r/min。1987年法国热蒙-施奈德（Jeumont-Schneider）公司研制成功1台400 kW，500 r/min永磁推进电机，后续相继设计了1 800 kW以及3 300 kW的永磁推进电机，已装备智利海军“蝎子”号潜艇。1990年加拿大M.A.Rahman教授研制成功25 hp四极异步起动永磁同步电动机^[5]，该机包括径向磁路结构、弧形排列永磁体结构和弧形永磁体磁路结构等3种转子结构，效率可达到94%。1997年英国Rolls-Royce公司研制出16~24 MW，180 r/min的永磁横向磁通电动机，目前已装备于皇家海军舰船永磁推进系统^[6]。1994年美国卡曼（Kaman）公司研制了1台3 000 hp永磁电动机，并于1999年研制成功1台18.375 MW，100 r/min的大功率永磁推进电机，该机总效率可达95%^[7]。另外，俄罗斯电气物理装置研究所已研制采用切向式磁路结构的永磁推进电机，其功率可达4 100 kW，并投入实艇使用^[8]。

由于吊舱推进器在国外尤其是欧洲的盛行，使得他们对吊舱推进电机的研究高度重视，目前发达国家对大型永磁同步电机的研究比较充分，在理论研究、实际应用和生产工艺等方面都取得了很多的研究成果并积累了大量的工程经验。相比较而言，中国在吊舱推进领域的起步比较晚，国内对永磁同步推进电机的研究还较少，只有中船重工712研究所、沈阳工业大学等几所高校和研究所开展了这方面的研究。1980年，沈阳工业大学率先开展永磁电动机研制，并研发出我国第1台4kW四极稀土钻永磁同步电动机和第1台1.1kW六极钦铁硼永磁同步电动机；1987年，沈阳工业大学研制出3kW四极永磁同步电动机，其功率因数比Y系列电机高0.12，效率比Y系列电动机高3.8%；1998年该校又研发了高效高起动转矩永磁同步电动机，该机不仅在额定负载时效率和功率因数高，而且在轻载时效率高于89%，功率因数高于0.83^[9]。2013年7月中船重工712研究所研制成功国内首套3 MW级永磁同步推进电机，这标志着我国具备了船舶大容量中压电力推进系统制造能力，但是，目前我国还不具有完全独立设计和研发制造船舶吊舱推进电机的能力，与国外综合全电力推进方案相比还存在着很大的差距。

1.2 高温超导同步电机

目前世界各国在研究船舶吊舱永磁同步电机的同时，还大力研究新型船舶推进电机，包括高温超导同步电机等。高温超导电机定子冷却方式与传统电机的定子冷却方式相同，如强迫空气冷却和水内冷技术等。转子冷却系统保证了线圈处于超导状态，是整个电机的关键技术之一。

美国在高温超导电机的研究和开发上处于世界领先地位。2004年，美国超导公司率先研发出5 MW高温超导同步电机^[10]。德国西门子公司于2004年研制出4 MW高温超导电机，目前已经进行了实船试验。英国CONVERTEAM公司与德国Zenergy公司研发出8 MW超导风力发电机。日本研发出10 MW级高温超导风力发电机。韩国在此领域也取得了较大的进展，并有不同容量的样机问世^[11]。

近年来，国家863计划对高温超导电机加大了支持力度，其中，2012年中船重工712所研制的兆瓦级高温超导电机实现满负荷稳定运行，标志着我国在兆瓦级高温超导电机的研制方面走在了世界前列。当前，船舶吊舱的体积以及噪声已成为其发展的瓶颈，高温超导电机可能成为船舶吊舱用推进电机的最终发展方向。

2 船舶吊舱推进电机负载分析

船舶在海上航行，需要克服航行时的阻力包括海水和风力阻力等，因此吊舱推进电机需要产生相应的推力来维持船舶运动。由于螺旋桨与吊舱推进电机直接相连，因此两者的非线性动力学特性一致。对于螺旋桨负载的研究，主要是对吊舱螺旋桨的推力特性和扭矩特性进行分析。吊舱螺旋桨推力特性主要反映为螺旋桨的推力F_p和扭矩T_p以及敞水效率等随船舶转速和进速比的变化关系。螺旋桨扭矩特性指的是螺旋桨的扭矩与转速之间的关系，包括自由航行特性、抛锚特性以及反转特性等。

目前，吊舱推进电机负载的研究工作很大部分集中在对船舶正车启动和启动后倒车以及恶劣海况和机动航行等工况进行分析。Damir和Qyvind等对螺旋桨在多种复杂工况下的负载特性进行研究，并应用瓦格宁根实验图谱（Wageningen B-Serew Series），建立了适合控制系统设计和试验的仿真模型，通过敞水试验得到动态特性^[12]。美国海军对吊舱推进器敞水性能以及船舶吊舱推进器与船体间的作用力等性能进行研究，由此进行推进器敞水性能、伴流系数以及推力减额等负载特性参数的预报。美国国家可再生实验室Steurer等为了模拟风力发电螺旋桨负载而建立了风电实验平台，通过应用电机达到了实验目的，该平台中的负载模拟系统为吊舱推进电机负载研究提供了理论依据^[13]。

在国内，哈尔滨工程大学、大连海事大学、武汉理工大学、上海海事大学以及中远海集团技术研发中心等科研单位都已建设了吊舱推进实验室。其中，大连海事大学给出了关于推力系数和扭矩系数的螺旋桨特性计算方法，满足了船舶电力推进驱动全工况范围的仿真需要^[14]。哈尔滨工程大学建立了舰船电力推进仿真系统，其负载电机采用直流电机，通过控制电机的电枢电流来动态实现螺旋桨负载特性^[15]。武汉理工大学为了逼真地模拟螺旋桨负载，采用Chebyshev多项式拟合Nordstrom系列试验图谱，并可根据不同桨型灵活修正^[16]。上海海事大学的半实物吊舱式电力推进系统利用交流异步电机、变频器以及相应负载控制系统，进行吊舱推进电机负载特性的研究^[17]。中远集团技术中心利用西门子最新驱动技术建立了吊舱推进电机实验室，实现了SSP推进系统的半实物仿真及控制算法的模拟实验^[18]。另外，文献[19]利用Matlab软件对船桨数学模型进行仿真研究，分析分级启动时螺旋桨转矩变化以及在倒车时最大负转矩的情况，为推进电机及其控制系统的设计提供依据。文献[20]以螺旋桨负载特性的半实物仿真平台为研究对象，从螺旋桨的四象限模型出发，建立了船舶吊舱推进的运动模型和风浪流干扰模型，对拖式吊舱推进器负载进行研究。

3 船舶吊舱推进电机控制策略应用研究 3.1 先进控制理论在吊舱推进电机控制系统中的应用现状

吊舱推进器不仅需要性能良好的推进电机，还需要能实现船舶在不同的运行工况时能安全航行的推进控制系统。为了解决这一问题，需要研究吊舱推进电机主要是永磁同步电机的先进控制理论，目前永磁同步电机的基本控制方法主要有矢量控制（Vector Control，VC）和直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）。

近年来，国内外学者针对矢量控制和直接转矩控制这2种基本的永磁同步电机动态模型控制方法，提出了许多采用解耦后的线性控制和线性控制方法以提高系统的控制性能及鲁棒性。李鹏等^[31]根据系统数学模型计算PI参数值和内环补偿量，提出了基于PI参数混合整定的矢量控制方法，提高了系统的动态性能和稳态精度。Florent等^[32]针对直接转矩控制中转矩脉动过大等问题，提出基于预测控制的空间电压矢量调制方法，它根据转矩的偏差值，通过矢量调制技术来预测定子电压空间矢量值，有效抑制了转矩和磁链脉动。周华伟等^[33]针对电机的解耦模型，提出基于内模的滑模电流解耦控制策略，解决了传统PI矢量控制无法实现解耦以及电压前馈解耦策略对参数敏感等问题。Lian和Linb^[34]利用灰色预测模型的超前预测功能预测下一状态磁链、转矩和位置角，解决了永磁同步电机参数变化及滞后效应的影响。李亮亮等^[35]针对永磁同步电机矢量控制PI控制器，运用ITAE最优控制方法对其进行参数整定，提高了矢量控制的性能。Andon和Giuseppe等^[36]在考虑电流控制不确定因素的情况下，提出自适应滑模电流控制方法，实现了模型不确定情况下的电流控制。Angelo和Bossio等^[37]研究了永磁同步电机的无源控制策略，实现了全局稳定性控制，但对负载参数变化较敏感。Ortega等^[38]针对无源控制提出了端口受控的耗散哈密顿方法，并将其应用到永磁电机的控制中，具有鲁棒性高等特点，但是计算量较大。王礼鹏等基于永磁同步电机的精确数学模型，将积分反步控制作为矢量控制的速度和电流控制器，实现速度和电流的无静差跟踪。

张春朋等采用反馈线性化控制对永磁电机进行完全解耦，较好地抑制参数变化和外部干扰的影响。李擎等运用逆系统控制将电机解耦成转速与磁链2个线性子系统，可以实现电机电磁转矩和磁链的全局渐进跟踪。孙凯等将韩京清先生提出的自抗扰控制应用到永磁同步电机的矢量控制中，该方法提高了控制系统的鲁棒性，抑制参数波动及负载扰动的影响。

值得指出的是，由于船舶吊舱推进系统是一类典型的复杂非线性系统，其某些参数未知、负荷及工况变动不确定，很难建立吊舱推进电机精确的数学模型，从而，以往需要已知受控系统阶数、模型等先验知识的基于模型的控制方法受到了挑战，如自适应控制、反推控制、无源控制、内模控制、预测控制、灰色控制、滑模变结构控制等先进控制策略以及模糊控制、神经网络控制、支持向量机控制、专家控制、遗传算法等智能控制方法。这些方法对模型的依赖性较强，且数学工具较抽象，控制算法较复杂，难以工程实现，因此它们在处理结构时变、参数时变、阶数时变的具有较强未建模动态的吊舱推进电机系统的控制问题时具有一定的局限性。

在实船应用中，矢量控制调速系统仍占主要地位，其结构简单，稳定性好。文献为使矢量控制系统工作在最佳状态，提出了采用基于模型的离线式整定与模糊PI在线整定相结合的混合整定法；文献提出了以电磁转矩误差和定子磁链误差作为PI控制器输入的矢量控制算法，并对电力推进系统的控制性能进行研究。这些方法使得系统的稳态性能得到了改善，但是在实船应用中当遭遇恶劣海况时，需要重新对调节器的参数进行调整，且要使电流能很好地跟随，需要较大的比例增益系数，这会导致超调，另外由于吊舱推进电机电流、逆变器驱动电压较大，当速度变化较大时，将出现windup现象，这在实船应用中具有一定局限性。

3.2 无模型自适应控制在吊舱推进电机控制系统中的应用研究

对于复杂非线性系统控制问题，侯忠生教授给出了一种新的非参数动态线性化方法，进而提出了无模型自适应控制理论（Model-free Adaptive Control，MFAC）。无模型自适应控制摆脱了对系统数学模型的依赖及未建模动态的影响，仅用系统的I/O数据设计控制器，并且无模型自适应控制的计算量很小，响应速度快。目前，该方法已被应用到船舶吊舱推进电机的矢量控制系统中，该方法无需建立推进电机控制系统的数学模型，所需参数少、对参数变化的适应能力强。其算法过程描述如下：

对于船舶吊舱推进电机控制系统，假设期望船速设为 ${n_d}(t)$ 。控制目标是寻找控制输入序列 ${i_q}(t)$ ，使得跟踪误差 $e(t + 1) = {n_d}(t + 1) - n(t + 1)$ 随着时间t趋于无穷而收敛于0。

考虑如下控制输入准则函数

$J({i_q}(t)) = {\left| {e(t + 1)} \right|^2} + \lambda {\left| {{i_q}(t) - {i_q}(t - 1)} \right|^2}{\text{，}}$

(1)

其中λ是一个正的权重因子。

由式（1）可得 $J({i_q}(t))$ 新的表达式如下：

$\begin{split}J({i_q}(t)) = & \left| {{n_d}(t + 1) - n(t) - } \right.{\left. {\theta (t)\left( {{i_q}(t) - {i_q}(t - 1)} \right)} \right|^2} + \\& \lambda {\left| {{i_q}(t) - {i_q}(t - 1)} \right|^2}{\text{。}}\end{split}$

(2)

利用最优条件 $\displaystyle\frac{1}{2}\frac{{\partial J({i_q}(t))}}{{\partial {i_q}(t)}} = 0$ ，可得

${i_q}(t) = {i_q}(t - 1) + \frac{{{\gamma _t}\theta (t)}}{{\lambda + {{\left| {\theta (t)} \right|}^2}}}\left( {{n_d}(t + 1) - n(t)} \right){\text{。}}$

(3)

其中，γ_t为步长序列。

由于 $\theta (t)$ 未知，可用 $\theta (t)$ 的在线估计值，其表达式为

${i_q}(t) = {i_q}(t - 1) + \frac{{{\gamma _t}{\hat \theta} (t)}}{{\lambda + {{\left| {{\hat \theta} (t)} \right|}^2}}}\left( {{n_d}(t + 1) - n(t)} \right){\text{，}}$

(4)

其中： ${hat \theta} (t)$ 的在线更新律为如下估计准则函数的最优解：

$\begin{split}J({\hat \theta} (t)) = & {\left| {n(t) - n(t - 1) - {\hat \theta} (t)\Delta {i_q}(t - 1)} \right|^2} + \\& \mu {\left| {{\hat \theta} (t) - {\hat \theta} (t - 1)} \right|^2}{\text{，}}\end{split}$

(5)

μ为权重因子。

利用最优条件 $\displaystyle\frac{1}{2}\frac{{\partial J({i_q}(t))}}{{\partial {i_q}(t)}} = 0$ ，由式（15）可得“伪偏导数”

$\begin{split}\hat \theta (t) = & \hat \theta (t - 1) + \frac{{{\eta _t}\Delta {i_q}(t - 1)}}{{\mu + \Delta {i_q}{{(t - 1)}^2}}} \times \\ &\left[ {\Delta n(t) - \hat \theta (t - 1)\Delta {i_q}(t - 1)} \right]{\text{。}}\end{split}$

(6)

其中，η_t为步长序列。

为了使 $\left| {\Delta {i_q}(t)} \right| \ne 0$ 总能满足，给出重置算法

${\hat \theta} (t) = {\hat \theta} (0),if {\hat \theta} (t) \leqslant \varepsilon ,or\left| {\Delta {i_q}(t - 1)} \right| \leqslant \varepsilon {\text{。}}$

(7)

其中ε为一个充分小的正数。

由此可以给出船舶吊舱推进电机无模型自适应矢量控制方案

$\begin{split}\hat \theta (t) = & \hat \theta (t - 1) + \frac{{{\eta _t}\Delta {i_q}(t - 1)}}{{\mu + \Delta {i_q}{{(t - 1)}^2}}} \times \\ &\left[ {\Delta n(t) - \hat \theta (t - 1)\Delta {i_q}(t - 1)} \right]{\text{，}}\end{split}$

(8)

$\begin{split}{\hat \theta} (t) = & {\hat \theta} (1),if{\hat \theta} (t) \leqslant \varepsilon ,or\left| {\Delta {i_q}(t - 1)} \right| \leqslant\varepsilon , {\rm or}\\& {\rm sign}\left( {\hat \theta} (t) \right) \ne {\rm sign}\left( {\hat \theta} ({\rm{1}}) \right){\text{，}}\end{split}$

(9)

${i_q}(t) = {i_q}(t - 1) + \frac{{{\gamma _t}{\hat \theta} (t)}}{{\lambda + {{\left| {\hat \theta} (t) \right|}^2}}}\left( {{n_d}(t + 1) - n(t)} \right){\text{。}}$

(10)

经过20余年的发展，无模型自适应控制算法已经取得了许多理论成果，随着MFAC理论的研究和发展，MFAC在不同领域中得到了广泛应用。目前，无模型自适应控制算法常与跟踪微分器等其他数据驱动方法相结合，以便提高其在线挖掘能力、“学习”系统的更多信息。

4 结　语

本文对吊舱推进电机进行系统研究，通过对国内外学者发表的关于吊舱推进电机研究工作的整理、研究和分析，得出以下结论：

1）研发低成本、低噪声以及高效紧凑的吊舱推进电机是未来吊舱推进系统发展的主要方向。在高效紧凑方面，永磁同步电机成为无可争议的首选，现有吊舱推进系统大都采用该形式，但永磁体易失磁且安装维护复杂等缺点，增加了船舶日后的维护保养成本，因此，高温超导电机成为目前最有竞争力以及技术含量最高的机型。

2）吊舱推进电机负载特性主要表现为螺旋桨动力学特性，与前期单纯软件拟合螺旋桨特性的仿真相比，采用软件拟合与半实物仿真能够更精确地对螺旋桨系统的特性进行分析，为推进电机的设计和控制提供参考依据。

3）为使推进电机更好地适应实船海况的变化，需要对推进电机的控制算法进行研究，先进控制理论可以提高系统的控制精度，但是对数学模型的依赖性较强并且实现方法较复杂，不利于实船应用。基于数据驱动的无模型自适应控制只依赖于系统的输入输出数据，方法简单，具有较强的抗干扰性和鲁棒性，是以后的研究热点。