來源：電子技術(shù)應用

針對永磁推進電機低轉(zhuǎn)速,、大轉(zhuǎn)矩、輕噪聲的運行要求,，其控制應具備良好的低速性能,。

　　該文提出了一套以數(shù)字信號處理器(DSP)為核心的全數(shù)字永磁同步電動機推進系統(tǒng)控制方案，給出了交-直-交脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動方式的硬件結(jié)構(gòu),，以及比例積分調(diào)節(jié),、空間矢量PWM(SVPWM)等軟件設計。仿真和實驗結(jié)果表明,，系統(tǒng)動態(tài)響應快,，轉(zhuǎn)矩脈動小,，諧波含量少，低速性能良好,，能移滿足艦船電力推進的需要,。

　　永磁推進電機因其體積小、重量輕,、效率高,、轉(zhuǎn)矩密度大等優(yōu)點，已經(jīng)開始替代傳統(tǒng)直流推進電機,，成為現(xiàn)代艦船電力推進系統(tǒng)中的常見動力裝置之一,。國外對大功率交流推進電機的驅(qū)動控制研究多集中在異步電機方面，而國內(nèi)目前還處于吸收引進階段,。就驅(qū)動方式而言,，文采用交-交循環(huán)變流器方式，具有低速性能好,、起動轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點,，但控制復雜，功率因數(shù)低,，高次諧波消除較為困難;文采用交-直-交PWM方式,，其主電路簡單，功率因數(shù)接近l,，能夠有效抑制和削弱諧波,。就控制方法而言，文對比了矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制,，指出前者著眼于磁鏈與轉(zhuǎn)矩的解耦,，電流,、轉(zhuǎn)矩控制性能良好,，調(diào)速范圍寬，后者動態(tài)響應快,，但低速時轉(zhuǎn)矩脈動大,，缺乏對電機電流的有

　　本文根據(jù)矢量控制理論和SVPWM原理,，采用交-直-交PWM驅(qū)動方式,，以TMS320LF2407ADSP為核心，給出了永磁同步電機推進系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程,。在此基礎上,，對該套方案進行了Matlab/Simulink仿真和低速運行實驗。

　　1 永磁同步電動機的矢量控制策略

　　矢量控制理論是由F.Blaschke于1971年提出的,，其基本原理是：在轉(zhuǎn)子磁鏈dqO旋轉(zhuǎn)坐標系中,，將定子電流分解為相互正交的兩個分量id和iq,其中id與磁鏈同方向,，代表定子電流勵磁分量，iq與磁鏈方向正交,，代表定子電流轉(zhuǎn)矩分量,，用這兩個電流分量所產(chǎn)生的電樞反應磁場來等效代替原來定子三相繞組電流ia、ib,、ic所產(chǎn)生的電樞反應磁場,，即進行Park變換：

　　式中：γ為轉(zhuǎn)子位置角，即轉(zhuǎn)子d軸領先定子a相繞組中心線的電角度,。

　　然后分別對id和io進行獨立控制,，即可獲得像直流電機一樣良好的動態(tài)特性。

　　表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機d,、q軸電感基本相同,，因而其電磁轉(zhuǎn)矩方程為

　　式中：pn為轉(zhuǎn)子極對數(shù)，Ψf為永磁體產(chǎn)生基波磁鏈的有效值,。

　　為使定子單位電流產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩,，提高電機的工作效率，本文選用最大轉(zhuǎn)矩/電流矢量控制,，由式(2)可知,，對于表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機，可令id=0,，通過調(diào)節(jié)iq來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的控制,。如圖1所示，整個伺服系統(tǒng)由3個控制環(huán)構(gòu)成,。

　　1)位置環(huán)：采集電機旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖信號,，鑒相、倍頻后進行計算,，提供坐標變換所需的轉(zhuǎn)子位置信息;

　　2)速度環(huán)：比較實際轉(zhuǎn)速n與設定轉(zhuǎn)速nref,所得差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后,作為q軸電流參考值iqr,再經(jīng)電流環(huán)調(diào)節(jié)后,，反過來控制電機轉(zhuǎn)速;

　　3)電流環(huán)：比較電流實際值id、iq與參考值idr,、iqr,，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生d、g軸電壓參考值udr,、uqr,，將其轉(zhuǎn)換至靜止坐標系中得uαr、uβr,按SVPWM方式生成逆變器觸發(fā)信號,，驅(qū)動電機,。

　　2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　永磁同步電動機推進系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要提供以下3大功能：電動機控制策略的實現(xiàn)、控制量的檢測采樣以及功率驅(qū)動,。

　　2.1 TMS320LF2407A DSP

　　整個系統(tǒng)控制策略的實現(xiàn)由核心硬件TMS320LF2407A DSP完成,，它是TI公司專為電機控制而設計的定點芯片，具有低功耗和高速度的特點,，其單指令周期最短可達25 ns,。片內(nèi)兩個事件管理器(EVA和EVB)各有2個通用定時器，6個帶可編程死區(qū)功能的PWM輸出通道,，1個外部硬件中斷引腳,，3個捕獲單元(CAP)和1個正交編碼單元(QEP)。這些功能與串行外設接口(SPI)等模塊一起,，極大地方便了電機控制過程中的數(shù)據(jù)處理,、策略執(zhí)行和決策輸出等。

　　2.2 控制量檢測部分

　　電機機械量的采集由增量式光電編碼器來完成,，其輸出包括兩組脈沖信號：A,、B、Z和U,、V,、W，它們與DSP的連接如圖2所示,。其中A,、B信號正交，頻率為電機機械轉(zhuǎn)速頻率的2 500倍,，正交編碼單元將它們四倍頻后送入相應的計數(shù)器進行計數(shù),，計數(shù)方向由A、B信號的相位先后決定,。Z信號隨轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周輸出一個脈沖,，用以檢測電機轉(zhuǎn)速。U,、V,、W信號與電機三相反電勢同頻率、同相位,，根據(jù)它們的不同狀態(tài),，可將360°電角度平面分成6個部分，用以確定電機的初始轉(zhuǎn)子位置角,。

　　電機電流狀態(tài)量的采集由霍爾電流傳感器完成，其采樣電路如圖3所示,，輸入輸出關(guān)系為 

　　為了保證電流較小時的采樣精度,，改善電

機低速、輕載下的運行情況，本系統(tǒng)采用12 b雙A/D轉(zhuǎn)換器ADS7862來代替DSP內(nèi)部10 b的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,，通過DSP的外部存儲器擴展接口,，將式(3)的模擬電流量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量結(jié)果，輸入　DSP,。

　　2.3 功率驅(qū)動部分

　　永磁同步電機的功率驅(qū)動為交-直-交PWM方式,，其中整流部分采用單相橋式不控整流，逆變部分采用智能功率模塊(Intelligent Power Module,，IPM)PS21869,，它內(nèi)部集成了6個絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)及其驅(qū)動,、保護電路,，由DSP的PWMl～6引腳提供觸發(fā)信號，能夠在過流或欠壓故障發(fā)生時,，關(guān)閉IGBT驅(qū)動電路,，使模塊停止工作，同時在相應故障引腳輸出故障信號至DSP的PDPINTA引腳,，通過硬件中斷,，封鎖PWM脈沖輸出。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　永磁電機推進系統(tǒng)的軟件主要由3部分組成：初始化程序,、主程序和中斷服務子程序,。系統(tǒng)復位時，首先執(zhí)行初始化程序,，檢測,、設定DSP內(nèi)部各模塊的工作模式和初始狀態(tài)。主程序負責收集電機電流,、轉(zhuǎn)速,、轉(zhuǎn)子位置等一

　　3.1 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器

　　模擬PI調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為

　　其中：e(t)為參考值與實際值之差,，作為PI調(diào)節(jié)器的輸入;u(t)為輸出和被控對象的輸入;uo為PI調(diào)節(jié)器的初值;Kp為比例系數(shù);TI為積分常數(shù)。

　　將式(4)離散化,，即可得到數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的數(shù)學表達式：

　　式中：k為采樣序號,，T為PWM采樣周期,，KI=Kp/TI，為積分系數(shù),。

　　由于電機轉(zhuǎn)軸和負載軸轉(zhuǎn)動慣量的存在,，速度PI調(diào)節(jié)器的時間常數(shù)較大，調(diào)速時系統(tǒng)響應較慢,。而電流PI調(diào)節(jié)器則因為電時間常數(shù)較小,，在電機起動和大范圍加減速時能夠快速進行電流調(diào)節(jié)和限幅，增強了系統(tǒng)抗電源和負載擾動的能力,。

　　3.2 SVPWM波形發(fā)生

　　SVPWM是一種從磁通角度出發(fā)的PWM方式,，其基本原理及扇區(qū)劃分見文。利用EVA的全比較單元,，可直接在PWMl～6引腳上輸出五段式SVPWM波形,，它在每個PWM周期中，能夠保證一相的開關(guān)狀態(tài)不變,，有利于開關(guān)損耗的減小,。其主要步驟如下：

　　1)將比較控制寄存器(COMCONA)第12位置l，使SVPWM發(fā)生功能有效;

　　2)設置比較方式控制寄存器(ACTRA),，令SVPWM輸出矢量正向旋轉(zhuǎn),，使PWMl、3,、5引腳高有效,，PWM2、4,、6引腳低有效;

　　3)設置定時器TI計數(shù)方式為“連續(xù)增/減”,，相應周期寄存器TIPR的初始值為PWM采樣周期的一半，即Tc/2;

　　4)計算輸出空間電壓矢量Uout在兩相靜止坐標系中的分量uα,、iβ;

　　5)確定組成Uout所在扇區(qū)的兩個非零空間矢量Ur,、Ux+60,按其值裝配ACTRA;

　　6)根據(jù)表1計算Ux、Ux+60的作用時間t1,、t2,，將t1裝入比較寄存器CMPRl,t1+t2裝入CMPR2，啟動定時器操作,。

　　當TI值與CMPRl或CMPR2值發(fā)生匹配時,，PWM輸出就會產(chǎn)生跳變。通過及時更新每個采樣周期中CMPRl,、CMPR2的值,，就可以形成一系列不等寬的脈沖，使輸出電壓矢量的磁鏈軌跡為圓形,，達到SVPWM的目的,。此外,，為避免IPM同一橋臂上下兩只IGBT的直通,，程序通過死區(qū)控制寄存器對PWMl～6引腳設置死區(qū)時間;同時濾除PWM序列中的過窄脈沖,，以減小器件的開關(guān)損耗。

　　4 仿真與實驗結(jié)果

　　本文利用Matlab/Simulink工具箱,，根據(jù)圖1搭建系統(tǒng)模型,，對一臺3對極永磁同步電機進行了矢量控制策略的仿真，所得仿真波形如圖5所示,。

　　從仿真結(jié)果可以看出,，本矢量控制系統(tǒng)響應快速，轉(zhuǎn)矩脈動小,，動態(tài)性能良好;id能夠較好地跟隨參考值0,，從而保證了單位電流下最大轉(zhuǎn)矩的輸出，有利于推進電機效率的提高,。

　　實際實驗中,，TMS320LF2407A時鐘頻率為30 MHz，SVPWM采樣頻率為3 kHz,，死區(qū)時間設為8 μs,，并濾除正負脈寬小于6%脈沖周期的過窄脈沖。當轉(zhuǎn)速為300 r/min時,，可得永磁電機推進系統(tǒng)輸出電壓,、電流波形及其頻譜如圖6、圖7所示,。

　　由圖7a可以看出,，SVPWM方式生成的電壓基波幅值較大，諧波分布比較分散,，但其低次諧波主要為三

次諧波;由圖7b可以看出,，三相電機的電路結(jié)構(gòu)對三次諧波成分有自然抑制作用，高次諧波則通過電機繞組電感的濾波作用得到削弱和消除,，從而大大減小了諧波電流,。

　　5 結(jié) 論

　　仿真和實驗結(jié)果表明，采用交-直-交PWM驅(qū)動和最大轉(zhuǎn)矩/電流矢量控制的全數(shù)字永磁同步電動機推進系統(tǒng),，電壓利用率較高,，轉(zhuǎn)矩脈動小，能夠較好地抑制了電機電流中的諧波,，低速性能優(yōu)于直接轉(zhuǎn)矩控制,，可以滿足推進電動機低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩,、輕噪聲的要求,，為現(xiàn)代艦船電力推進系統(tǒng)數(shù)字化操控的實現(xiàn)提供了一定參考,。