基于PMSM的海上浮吊升沉位移补偿研究

行机构。此处以补偿吊物垂直方向升沉位移为目的，分析了海上浮吊动力学关系及绳与吊物的动力学关系，最

后搭建了整个波浪补偿系统，并通过仿真分析验证了模型的准确性。接着在系统中利用永磁同步电机(PMSM)

作为执行机构，模拟不同海况下对吊物升沉位移的补偿实验，实验结果达到了预期的目标。关键词：永磁同步电机；波浪补偿；海上浮吊；动力学中图分类号:TM351 文献标识码：A 文章编号:1000-100X(2019)07-0074-03Study on the Heave Compensation of Offshore Floating Crane Based on PMSMHUANG Xiao-gang1-2, ZHAO Jia-yi3, TANG Tian-hao1, ZHU Yi-Zhen1(1 .Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)Abstract: The development of heave compensation technology is closely related to power electronics technology, which

is mainly reflected in the improvement of hydraulic system to electrical system as the compensation actuator. With the

aim of compensating the vertical displacement of offshore floating crane, the motion state of the hull under wave inter­

ference is studied, the dynamic relation of the floating crane on the sea, the dynamic relation between the rope and the offshore floating crane are analyzed.Then use permanent magnet synchronous motor(PMSM) complete compensa­

tion for the hanging objects heave displacement in the system to achieve the movement.Finally, the static, rising and

falling conditions of the actuator are analyzed, simulation results verify the effectiveness of the compensation system.

Keywords : permanent magnet synchronous motor ； heave compensation ； offshore floating crane ； dynamics

Foundation Project: Supported by Shanghai Maritime University Graduate Student Innovation (No.2015ycx073); Qu-

zhou Science and Technology Program( No.2018K31 )1引言海上运输及货物补给、海底石油开采等行业 的发展及船舶与海洋工程技术的不断崛起，对我

移差，然后将位移差信号取反作为PMSM的输入 信号，进行电机的电流、速度、位移3闭环控制，从 而补偿由于扰动所产生的偏移，有效地保证浮吊

国海洋资源的开发与利用起到至关重要的作用⑴。 但起重船在海上进行作业时经常受到外部因素的 干扰，如海风、海浪等⑵，导致起重船这一整套系

系统在海上进行安全有效作业问。2波浪补偿系统动力学建模与分析基于PMSM的波浪补偿装置结构图见图1。统产生多体非线性的运动。这样会使得起降作业

变得十分危险，严重时吊物会碰撞到船舶上的其

他部件，导致设备受损，从而导致起重船海上作业

被迫停止。所以研究具有波浪补偿功能的海上浮 吊意义重大W此处研究的波浪升沉位移补偿对吊物系统的 摆动进行动力学建模分析，折算到垂直方向的位基金项目：上海海事大学研究生创新项目(2015ycx073)；衢 州市科技计划项目(2018K31)Fig. 1 Structure diagram of heave compensation device定稿日期：2018-11-28如图1所示，由姿态传感器检测船体的运动 状态，将信号传输到控制器，控制系统计算出吊物

作者简介：黄晓«(1986-),男，浙江东阳人，博士研究生，

研究方向为电机控制、波浪补偿控制、预测控制等。垂直方向的偏差量，并按一定的控制算法控制驱

74基于PMSM的海上浮吊升沉位移补偿研究动系统及PMSM动作。当船体上升时，PMSM正转

放出吊绳，使吊物下降，维持原有的高度。当船体

下降时，PMSM反转收紧吊绳，使吊物上升，从而 完成整个升沉位移补偿过程。2.1吊物系统动力学建模与分析吊物在波浪干扰下，吊物与吊绳有极强的耦

合性，其运动为非线性运动，具有典型的非线性特

征，其球体摆动模型如图2所示。Fig. 2 Model diagram of pendant ball swing图中P代表吊点，G代表吊物，吊绳长为厶， 面内角a和面外角0为吊点在横摇和纵摇时产生

的角度。吊点位置为(xP,yP,Zp),吊物坐标为(牝,％,

zc)。由此吊物位置可表示为：兀卄厶月inaco明yG=yP-LJsin(3

(1)Zg二■厶Qosaco的在实际的海况中，吊物有一定的升降运动，将 式(1)两边对时间进行求导，可得到吊物速度为：%G=%/H-£tsinaco^8+aLrcosaco^3-j8LIsinasir^3\"yc=yr-irsi^8-/3£rco^3

(2)z c=z /rbZrCosaco的-a 厶月inaco叩丿厶rCosasii^B 系统总动能和总势能分别为：T=mxcl2+mycl2+mz c2/2

( 3)V=-mgLfiosa (i) co^3 (f)由式(3)得到系统拉格朗日函数为：L^=T-V

(4)根据拉普拉斯方程，可得到吊物系统的动力

学模型为：aco^3-2aj8sin/8+gsina/£r+x pcosa/Lr-z ,sinalL,+• 2aLJLr=0 ('丿/ u、P+o^sin^cosfi+gcosasin/i/L-x^inasinp/L,-y；>co輕厶r-Z/CosasirV?/厶r+率2 丿厶=02.2吊点P的运动模型吊物在空间中的运动过程与P的运动状态

(%P,yp,Z/>)密切相关，P的激励可以表不为：xp(t)=Axcos(&>ji)-yP(t')=Aycos(cOjt')

(6)zP(«) =A zcos (2a)f)式中:A„Ar,AI分别为x,y,z 3个方向上的振幅;®为P的

激励频率。P的加速度可由式(6)进行二次微分得到：Xp(t') =-A /o；2cos (wjf)'/p(t) =-/1/»j2cos(&>/) (7)zP(t) =-44 /t>j2cos (2a)f)2.3 PMSM的数学模型此处对PMSM进行d,g轴数学模型分析，利 用这种模型可以将电机解耦，从而完成对PMSM

的高精度准确控制。解耦后有电压方程：u 尸 Ljdi/dt+R £厂3厶-u,=L,di/d«+/?爲+s( L命 些)式中：如,吗分别为电机d,q轴电压;亦,必分别为电机d,q轴

电流;人,厶< 分别为电机d,g轴电感；&为定子等效电阻；

5为电机电角速度；比为转子永磁体磁链。电磁转矩方程为：7>(3/2九(0爲-0拯)

(9)式中：为电机极对数。其中有：哄站％比=%

(10)一般情况下LfS=L,*由上面两式可以得到：7=(3/2)^¾

(11)电机运动方程为：Jd3』dt=T「Ti

(12)式中：J为电机的转动惯量;3”为电机的机械角速度；7；为

负载转矩。3 基于PMSM的补偿控制系统设计基于PMSM补偿控制系统结构原理图见图3。波浪

电流、速度、位置 扰动二环控制系统图3系统结构原理图Fig. 3 System structure schematic由图3可见，在受到波浪的扰动之后，浮吊系

统会产生6个自由度方向的复杂耦合运动，因此

位于浮吊上的吊物会受到干扰而产生非线性运 动。此处将吊物的运动趋势取反后作为输入信号，

输入到PMSM的位置环，通过控制PMSM的正转 反转来实现对输入信号的实时跟随。在PMSM的 实时动态跟随补偿下，吊物在升沉方向产生的偏

75第53卷第7期电力电子技术2019年7月Power ElectronicsVol.53 , No.7July 2019移被PMSM几乎全部补偿，因此可以维持吊物在

升沉方向保持位置相对不变，从而达到位移升沉 补偿的目的。4仿真和实验验证4.1

规则波作用下仿真分析在Matlab/Simulink中建立波浪、浮吊、PMSM

三闭环补偿控制系统的模拟系统，假设规则波处 于4级海况中，风速取8 m/s,遭遇角0=45。。船体参数如下：起重船质量为5 5OOxlO3 kg,

吊物质量为200xl03kg,水密度为1 025 kg/n?,船 长66m,吃水深度3.1m,船宽30.6 mo电机参数

如下：电机额定功率圧4 kW上尸25 mH厶=23.3 mH, 定子绕组等效内阻R=2Q,妁=0.513 Wb,%\"。由 式(1)可得x,y,z 3个方向的位移差为：△%=厶r-L^inaco^S< △尸厶r+厶iSip/8 (13 )Az=Lr-£rcosaco^B4.1.1 浮吊系统在起吊作业时的仿真分析当£=0.2 m/s时，即吊物以0.2m/s的速度匀 速上升，在规则波的干扰下，垂直方向绳长变化和

位移差Az在补偿前后变化如图4a,b所示。Fig. 4 Simulation waveforms when lifting4.1.2 浮吊系统在下放作业时的仿真分析当£=-0.2 m/s时，即吊物以0.2 m/s的速度匀 速下降，在规则波的干扰下，垂直方向绳长变化和

Az在补偿前后变化如图5a,b所示。图5下放作业时仿真波形Fig. 5 Simulation waveforms when working on a job由仿真结果可见，在规则波的干扰下，无论是

76起吊还是收紧状态，补偿系统都能很好地进行补 偿，补偿效率达到了 95%以上。4.2 实测数据下分析验证在波浪补偿实验台上采用9轴MPU9250加 速度计作为姿态传感器。测得x,y,z 3个方向的加 速度变化量，将加速度变量进行二次积分得到3个

方向的位移变化量，把位移变化量输入到控制系 统里，进行位移补偿实验。图6a,b分别为4级和

6级海况下，垂直方向&在补偿前后的对比图。(a)4级海况

(b)6级海况图6 Az补偿前后对比图Fig. 6 Comparison before and after compensation of Az由实测数据的结果可以看出，在4级海况下， 补偿效果较好，补偿效率达到了 90%；在6级海况

下，补偿效果变得不是很好，补偿效率仅达到了

50%左右。5结论此处首先对基于PMSM的波浪补偿系统进行 动力学建模与分析；然后建立了波浪补偿控制系

统；最后分别在规则波和实测数据情况下验证补 偿效果。从实验结果来看，规则波情况下补偿效率

很高，在实测数据情况下，在较低海况下效果好一

些,在较高海况下，补偿效果还有待加强。参考文献[1] Woodacre J K, Bauer R J, Irani R A.A Review of Verti­

cal Motion Heave Compensation Systems [J]. Ocean Engi­

neering, 2015 ,104( 8 ) ： 140-154.[2] M Q Chen, J N Xu , Q Liu, et al.Position and Speed Fu­

sion Algorithm in Underwater Towed System [A].Inter­

national Conference on Signal Processing[C].2010: 622- 626.[3] 汤天浩.电机及拖动基础[M].北京：中国电力出版社，

2008.[4] 任会礼，王学林，胡于进，等.起重船吊物系统动力响

应仿真分析[J].系统仿真学报,2007,19(12):2665-

2668.[5] 林建洪，周扬忠.基于DSP的永磁同步电机伺服控制

系统设计[J].电力电子技术,2012,46(1):79-81.