劉憲珍

(青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島266404)

小型純電動船舶永磁同步電機控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

劉憲珍

(青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東青島266404)

摘要:隨著高能蓄電池和快速充電技術(shù)不斷發(fā)展，現(xiàn)代電動船舶完全可以用在短途的島際交通運輸中，可以實現(xiàn)與電動汽車同樣的性能。純電動船舶的電力推進系統(tǒng)采用蓄電池取代柴油機提供動力，可以避免柴油機產(chǎn)生的廢氣和噪聲對海洋環(huán)境造成的污染，極大提高推進系統(tǒng)效率。而影響電力推進系統(tǒng)效率的關(guān)鍵之一就是電機控制器的性能，由于永磁同步電機與其他推進電機相比，具有優(yōu)越的整體性能，因此本文以永磁同步電機作為純電動船舶的推進電機，對永磁同步電機控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計展開研究。

關(guān)鍵詞:電動船舶;永磁同步電機; DSP

The optimization design of the control system of permanent magnet synchronous motor on small electric ship

LIU Xian-zhen (Qingdao Harbor Vocational and Technical College，Qingdao 266404，China)

Abstract:With the development high of energy battery rapid charged technology，modern electric ship can completely realize the same performance as the electric cars in short island international transportation．Electric ship electric propulsion system use battery replace the diesel engine as the power supply，can avoid marine waste gas and noise environment pollution caused by diesel engine，and greatly improve the working efficiency．One of the key factor to the electric propulsion efficiency is motor controller．Because of the high performance of the permanent magnet synchronous motor compared with the other propulsion motor，this article take the permanent magnet synchronous motor as the propelling engine of the pure electric ship，studied on the optimization design of the permanent magnet synchronous motor system．

Key words:electric boat; permanent magnet synchronous motor;DSP

0　引言

現(xiàn)有的島際小型交通船大多采用柴油機作為動力，柴油機在運行過程中，不僅會產(chǎn)生巨大的噪聲，而且會排出大量的廢氣，破壞海洋環(huán)境。此外，柴油機船舶的缺點還包括操縱性能低、空間布局較差、輪機系統(tǒng)復(fù)雜、效率低等。然而，以蓄電池為供電來源的純電動船舶能夠克服柴油機船舶的缺點，其環(huán)境效益和經(jīng)濟效益前景不可估量［1］。

永磁同步電機(簡稱PMSM)與其他推進電機相比，不僅具有高效率、高比功率等顯性優(yōu)勢，而且環(huán)保節(jié)能，是電力推進船舶推進電機最理想的選擇。本文結(jié)合船舶電站的特點及目前船舶發(fā)展的復(fù)雜程度，對小功率的永磁同步電機控制系統(tǒng)展開研究，設(shè)計一款高性能的小功率永磁同步電機控制器［2］。

1　永磁同步電機的矢量控制模型

永磁同步電機控制系統(tǒng)，采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)控制，由一個速度外環(huán)和一個電流內(nèi)環(huán)回路構(gòu)成?？刂屏鞒痰拿枋鋈缦?首先位置傳感器(光電碼盤)采樣PMSM的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子所處的位置，然后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與給定的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nref進行比較，比較的結(jié)果再根

據(jù)公式:輸出轉(zhuǎn)矩= 9 550×輸出功率/輸出轉(zhuǎn)速可以得到速度PI調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)后的交軸電流分量iqref。由于文中采用id= 0的矢量控制方式，因此iqref= 0。PMSM實際的定子三相電流iA、iB以及iC通過電流傳感器進行采樣，值得注意的是:實際應(yīng)用中只需要兩個電流傳感器，因為只要知道其中任意兩相的電流值，就可以根據(jù)iA+ iB+ iC= 0得到剩下的一相電流大小。然后通過Clarke變換模塊把定子電流從ABC軸系中變換到αβ軸系里，再利用Park變換模塊把定子電流從αβ軸系變換到同步旋轉(zhuǎn)的dq軸系里，接著把勵磁電流id和轉(zhuǎn)矩電流iq分別與各自的目標(biāo)isqref與目標(biāo)isdref作比較，形成的誤差信號再分別利用PI調(diào)節(jié)模塊進行處理，調(diào)整的結(jié)果再傳給Park逆變換模塊，Park逆變換模塊把定子電流從dq軸系變換到αβ軸系里，得到的結(jié)果傳送給SVPWM控制器產(chǎn)生六路PWM調(diào)制信號，最終控制三相逆變器模塊給產(chǎn)生PMSM的本體提供三相輸入電源。

圖1　PMSM矢量控制模型Fig.1 Vector control model of PMSM

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖2所示為PMSM控制系統(tǒng)的硬件整體框架示意圖，采用TMS320F2812信號的DSP數(shù)字信號處理器作為整個系統(tǒng)的控制核心。

TMS320F2812芯片是32位的定點高速數(shù)字處理器，最高工作頻率為150 MHz。片內(nèi)內(nèi)置了一個128 K×16位的Flash存儲器，利用仿真器和RS－232串口可以把用戶自己編寫程序燒寫到里面去，同時Flash存儲器是可以加設(shè)密碼以增加其安全性，阻止別人把內(nèi)容寫進Flash。片內(nèi)還內(nèi)置了一個18K×16位的SRAM存儲器和一個4K×16位的BOOT ROM，一個1K×16位OTP ROM，并擴展了一個型號為IS61LV25616的256K×16位的SRAM。它的運算速度非?？?，計算能力強，可運用在對要求速度響應(yīng)時間和精確度要求比較挑剔的PMSM的控制系統(tǒng)中。DSP的高速的特性使得它能夠自我過濾到一些高頻噪聲、錯誤輸入和反饋的信號。

圖2　PMSM控制系統(tǒng)硬件框架Fig.2 Hardware diagram of PMSM control system

TMS320F2812 DSP的數(shù)據(jù)總線相互獨立，其內(nèi)核采用Harvard結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)采用串行結(jié)構(gòu)，可以加快程序的運算速度，在一個運算周期內(nèi)可以對加法運算、乘法運算及移位進行處理，內(nèi)核速度為20 MIPs，1 s可以運算大量的指令。外設(shè)資源十分豐富，包括大容量存儲器、定時器比較單元、高速異同步串行口、PWM發(fā)生器和可復(fù)用的I/O口等。其內(nèi)部運算通過PWM發(fā)生器及死區(qū)發(fā)聲單元進行內(nèi)部邏輯運算，使得DSP的整個控制系統(tǒng)得到了大大的簡化。此外DSP通過中斷、硬件尋址、指針逆序?qū)ぶ返瓤刂浦噶?，使得TMS320F2812 DSP可以在船舶電站的復(fù)雜監(jiān)控中體現(xiàn)出自己的優(yōu)勢［3］。

基本工作過程是，首先對增量式光電編碼器反饋回來的六路信號進行處理和分析，得到PMSM輸出的實際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的實際位置，同時DSP的AD模塊通過霍爾傳感器采樣蓄電池組的母線電壓、母線電流以及PMSM的定子電流信號，DSP將這些采集來的數(shù)據(jù)進行處理，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量參與控制運算，通過SVPWM算法輸出六路PWM波去控制逆變電路模塊中的IGBT的關(guān)斷，最終達到控制PMSM的目的。此外，還可以通過RS232串口與PC機進行通信等。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的程序部分，按功能可以分為主程序、電壓電流檢測子程序、轉(zhuǎn)子速度位置檢測子程序和

SVPWM發(fā)生子程序。

其中主程序部分，主要功能是對系統(tǒng)進行初始化，同時對寄存器、時間管理器、PWM發(fā)生器初始化程序、變量、控制系統(tǒng)參數(shù)賦值等進行初始化。PMSM控制系統(tǒng)的主程序工作流程如圖3所示。

圖3　PMSM控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig.3 Flow chart of PMSM control system

上提高了轉(zhuǎn)速控制的快速性。增量式PI控制器不同于普通的PI調(diào)節(jié)器，其輸出與速度的變化率成正比，而不是與電機轉(zhuǎn)速成正比，因此其可以在很大程度上保障速度環(huán)的動態(tài)性能。

2)電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器

電流內(nèi)環(huán)包括2個PI調(diào)節(jié)器，分別對等效勵磁電流和等效轉(zhuǎn)矩電流進行調(diào)節(jié)。由于PMSM的矢量控制方式采用的是id= 0控制，所以等效的勵磁電流調(diào)節(jié)器的給定輸入為0，這里給定輸入指的是把PMSM的定子中實際的三相電流進行采樣并進行坐標(biāo)變換到直軸后的等效的勵磁電流。給定輸入指的是把PMSM的定子中實際的三相電流進行采樣并進行坐標(biāo)變換到交軸后的等效轉(zhuǎn)矩電流。

3.3 SVPWM發(fā)生子程序

DSP的內(nèi)部包含2個事件管理器，每個事件管理器包含一個功率保護中斷引腳，主要用來對過壓、過流、過溫等故障情況進行指示。當(dāng)管腳電平被拉低時，所有的PWM輸出引腳均為高阻狀態(tài)，并生成一個中斷。事件管理器中包含有和比較器有聯(lián)系的PWM電路，只需要設(shè)置對應(yīng)的寄存器就能實現(xiàn)SVPWM。

圖4　SVPWM發(fā)生流程圖Fig.4 SVPWM flowchart

4　PMSM控制器仿真試驗

在進行控制器的調(diào)試之前，有必要對PMSM的矢量控制系統(tǒng)進行仿真。通過仿真，可以預(yù)測產(chǎn)品

性能，這對改進產(chǎn)品性能的后續(xù)工作非常有幫助?；跀?shù)學(xué)工具Matlab中的Simulink仿真環(huán)境，依據(jù)PMSM的設(shè)計參數(shù)，模擬PMSM的實際工作狀況。

4.1仿真模型的建立

根據(jù)PMSM的工作原理及控制策略，基于Matlab/Simulink功能，搭建了基于SVPWM算法的仿真模型，如圖5所示。該仿真模型按照功能，包括Clarke變換模塊、Park變換模塊、Park逆變換模塊和SVPWM變換模塊等，這些相對獨立的子模塊經(jīng)過有機整合，就構(gòu)成了基于SVPWM的算法仿真系統(tǒng)［5］。

圖5　基于SVPWM的矢量控制仿真模型Fig.5 Vector control simulation model based on SVPWM

4.2仿真結(jié)果分析

搭建好推進電機的矢量控制模型后，啟動仿真，根據(jù)相應(yīng)的仿真結(jié)果，對本文設(shè)計的系統(tǒng)性能加以驗證。選則蓄電池電動船空載運行、速度恒定，負(fù)載變化、負(fù)載恒定，速度變化這3種典型的工況來驗證所設(shè)計的大功率PMSM的控制效果。

圖6　空載情況下的定子電流波形及轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線Fig.6　Stator current waveform and speed torque response curve on no-load condition

從圖6可看出:不僅定子三相電流一直近似為0、等效的轉(zhuǎn)矩電流近似為0，而且等效的勵磁電流也非常小，幾乎為0。系統(tǒng)啟動過程中，轉(zhuǎn)速會有一定的超調(diào)和輕微的振蕩，但能夠在很短的時間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，其穩(wěn)態(tài)誤差近似為0。此外，轉(zhuǎn)矩電流始終保持近視為0的狀態(tài)，證明在空載情況下，系統(tǒng)可以實現(xiàn)良好的動靜態(tài)性能。

5　結(jié)語

以蓄電池為供電來源的純電動船舶能夠克服柴油機船舶的缺點，永磁同步電機具有高效率、高比功率環(huán)保節(jié)能等顯性優(yōu)勢，是電力推進船舶推進電機最理想的選擇。本文對小型純電動船舶的永磁同步電機的驅(qū)動器展開研究，設(shè)計了一種可用于小型蓄電池電動船的永磁同步電機調(diào)速控制系統(tǒng)，并在Matlab/Simulink平臺下搭建了仿真模型，進行了仿真試驗，實驗證明系統(tǒng)可以實現(xiàn)良好的動靜態(tài)性能。

參考文獻:

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作者簡介:劉憲珍(1972－)，男，副教授，研究方向為輪機自動化與智能化。

收稿日期:2014－12－26;修回日期: 2015－02－27

文章編號:1672－7649(2015) 07－0132－04doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.030

中圖分類號:U665．11

文獻標(biāo)識碼:A