魏平芬，王元奎

（1.海軍駐昆明705研究所軍代表室，云南 昆明 650118；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所昆明分部，云南 昆明 650118）

0 引 言

無刷直流電機(jī)（BLDCM）以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、高效率、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)在航空航天、機(jī)器人、雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1～3]。近年來，水下無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域的研究成為熱點(diǎn)[4～6]。而 BLDCM 具有非線性、多變量、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，很難建立其精確的數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件開發(fā)的控制算法有一定的局限性，往往達(dá)不到預(yù)期控制效果[7]。

無刷直流電機(jī)的性能直接影響水下航行器的任務(wù)執(zhí)行能力，根據(jù)水下航行器的使用要求，給出了一種控制系統(tǒng)方案。該方案采用提前換向控制算法，使用高性能DSP芯片，同時(shí)引入了半定制專用芯片CPLD和高度集成的IPM模塊，滿足了電機(jī)控制系統(tǒng)不斷增加計(jì)算速度和邏輯處理實(shí)時(shí)性的要求，簡(jiǎn)化了邏輯處理的復(fù)雜性。經(jīng)樣機(jī)驗(yàn)證，整個(gè)控制系統(tǒng)控制靈活、實(shí)用性強(qiáng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 功率電路

系統(tǒng)功率電路結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)功率電路結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)功率電路由濾波電路和逆變電路組成。前者采用高頻無感電力電容，吸收母線紋波，提高供給IPM的電壓品質(zhì)；后者采用PM450CLA060，內(nèi)置6單元高速、低導(dǎo)通壓降的IGBT功率管，由它構(gòu)成向無刷電機(jī)供電的三相橋式主電路，而且模塊中集成了IGBT驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路等，從而使功率模塊具有較高的可靠性，布局更加合理，無外部驅(qū)動(dòng)線，抗干擾能力強(qiáng)。

1.2 全數(shù)字控制電路

數(shù)字控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分見圖2。由電機(jī)控制專用數(shù)字處理器（DSP）TMS320LF2407A和可編程邏輯器件（CPLD）EPM7128AETC100構(gòu)成。具有豐富外設(shè)、超強(qiáng)數(shù)據(jù)計(jì)算能力、高度集成的DSP與編程簡(jiǎn)單、超強(qiáng)邏輯處理能力以及I/O接口配置靈活的CPLD組合在一起，能有效提高電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性、節(jié)省電路板空間、簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)、改善控制電路的靈活性、提高電磁兼容性。U、V、W 電流檢測(cè)用于控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和限制流過IPM的電流，防止由于過電流損壞功率模塊。IPM輸出的六路故障信號(hào)經(jīng)CPLD合成為一路故障信號(hào)，直接送到DSP的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷輸入引腳，當(dāng)產(chǎn)生故障時(shí)，中斷保護(hù)直接切斷6路PWM輸出，有效保護(hù)整個(gè)控制系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)和位置信號(hào)經(jīng)過CPLD后，能有效去除由于干擾而產(chǎn)生的毛刺，有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力。通過CAN2.0B總線或I/O方式實(shí)現(xiàn)給定電機(jī)速度，同時(shí)通過CAN2.0B總線實(shí)時(shí)提供控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。

圖2 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2.1 電機(jī)軟啟動(dòng)

利用DSP實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)，即PWM脈寬的逐漸展開，不但可以降低電機(jī)的啟動(dòng)沖擊，而且可以控制電機(jī)的啟動(dòng)電流，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生過流。當(dāng)控制系統(tǒng)接收到啟動(dòng)命令后，DSP首先執(zhí)行軟啟動(dòng)子程序，產(chǎn)生一系列脈寬逐漸增加的PWM波見圖3。

2.2 PWM控制策略

PWM產(chǎn)生機(jī)制采用上下橋前60o PWM后60o ON的斬波方式見圖4，該控制策略非常有利于橋臂上6只IGBT均衡發(fā)熱，能有效延長(zhǎng)IPM的使用壽命。

圖3 逐漸展開的PWM信號(hào)

圖4 PWM波形

2.3 提前角和轉(zhuǎn)速計(jì)算

通過轉(zhuǎn)換為時(shí)間量值來實(shí)現(xiàn)提前角，而該時(shí)間量和轉(zhuǎn)速經(jīng)過DSP的捕獲口間接完成，霍耳位置傳感器輸出的位置信號(hào)經(jīng)CPLD處理后為60o的方波信號(hào)，有效提高了位置信號(hào)的精度。CPLD內(nèi)部譯碼程序?yàn)椋?/p>

SS=(SA+/SB+/SC)*(/SA+SB+/SC)* (/SA+/SB+SC)

捕獲口測(cè)得剛轉(zhuǎn)過60o電角度的時(shí)間為T，則提前θ角的時(shí)間為（/60Tθ×），提前角不能超過60o電角度，否則提前已經(jīng)沒有意義。轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：

式中：n——捕獲單元捕獲值；TSP——捕獲單元定時(shí)器輸入時(shí)鐘預(yù)定標(biāo)系數(shù)；T——DSP控制器系統(tǒng)時(shí)鐘周期（s）；P——電機(jī)極對(duì)數(shù)。

2.4 軟件流程

整個(gè)控制系統(tǒng)軟件由主程序和中斷子程序組成，系統(tǒng)軟件流程見圖5。其中，圖5（a）為系統(tǒng)軟件的主程序流程。主程序用來完成系統(tǒng)的初始化、獲取控制命令、電機(jī)軟啟動(dòng)、A/D電流采樣等。圖5（b）、5（c）為CAP1～CAP3捕獲中斷子程序和CAP4捕獲中斷子程序流程。CAP1～CAP3捕獲用于獲得換向時(shí)刻，并根據(jù)當(dāng)前換向控制字進(jìn)行換向。CAP4捕獲中斷則用于計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)速及設(shè)定提前角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

圖5 系統(tǒng)軟件流程

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)用無刷直流電機(jī)基本參數(shù)為：額定功率12kW、4對(duì)極、額定電壓118V、額定電流110A、額定轉(zhuǎn)速2400r/min。試驗(yàn)波形見圖6。從圖6（a）可知，控制算法中加入提前換向角后，反電勢(shì)波形滯后位置信號(hào)波形，即換向點(diǎn)提前，這樣有利于改善逆變器輸出U、V、W三相的電流波形（見圖6（b）），已接近最佳狀態(tài)，使電機(jī)本身的損耗減小，提高電機(jī)的效率。而隨著提前角的變化（見圖6（c）），輸出電流波形也將發(fā)生改變。無提前角時(shí)，換向點(diǎn)稍微有點(diǎn)滯后，從而導(dǎo)致電流波形尖峰比較高，使效率有所降低；比如加12o提前角后，換向點(diǎn)提前，電流波形得到明顯改善，效率有所增加；再如增大提前角為25o，電流尖峰開始變大。需要說明的是，不同的電機(jī)本體，需要提前換向的角度不同；不同功率點(diǎn)，需要提前換向的角度也不同，具體提前角的大小，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)調(diào)整確定，依據(jù)是使電流波型平直和電機(jī)系統(tǒng)效率最大。

圖6 試驗(yàn)波形

4 結(jié) 語

本方案設(shè)計(jì)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，采用提前換向控制算法實(shí)現(xiàn)了無刷電機(jī)的高效率運(yùn)行，電機(jī)系統(tǒng)效率高達(dá) 92%（PWM100%占空比下測(cè)定）。該控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化了硬件設(shè)備，運(yùn)行可靠，獲得了滿意的試驗(yàn)運(yùn)行效果，該控制系統(tǒng)可用作為相關(guān)水下航行體（如蛙人輸送艇、電動(dòng)力魚雷等）的無刷直流電機(jī)控制裝置。

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