何　軍

(四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000)

一種嵌入式電機(jī)控制系統(tǒng)

何軍

(四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000)

摘要：隨著電子信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，船舶電力推動(dòng)技術(shù)的推進(jìn)動(dòng)力、機(jī)動(dòng)性能、自動(dòng)化程度也越加得到改善和加強(qiáng)，船舶推進(jìn)是未來整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分。本文重點(diǎn)研究船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)中的永磁同步電機(jī)控制技術(shù)，首先分析永磁同步電機(jī)(PMSM)的數(shù)學(xué)原理，建立數(shù)學(xué)模型，并改進(jìn)現(xiàn)有的永磁同步電機(jī)矢量控制技術(shù)，提出基于模糊矢量的控制方式。最后設(shè)計(jì)基于DSP的永磁同步電機(jī)的嵌入式系統(tǒng)，并利用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：船舶電力推動(dòng)系統(tǒng)；永磁同步電機(jī)；模糊矢量控制

0引言

船舶電力推進(jìn)技術(shù)隨著現(xiàn)在電子信息技術(shù)、控制理論及變頻技術(shù)的發(fā)展得到了飛速發(fā)展，其在整個(gè)船舶動(dòng)力系統(tǒng)中越來越成為關(guān)鍵組成部分。而永磁同步電機(jī)由于推進(jìn)動(dòng)力強(qiáng)、可靠性高并且體積小、噪聲較低、轉(zhuǎn)動(dòng)阻力較小等成為船舶電力推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域中最熱門的技術(shù)[1-3]。

本文首先研究永磁同步電機(jī)(PSPM)的數(shù)學(xué)原理，分析PSPM矢量控制技術(shù)的利弊(矢量控制將發(fā)電系統(tǒng)的三相電流通過動(dòng)態(tài)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化為勵(lì)磁電流及力矩電流，利用定量靜止坐標(biāo)解析三相交流電，通過控制電磁轉(zhuǎn)矩從而穩(wěn)定電壓矢量，需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，但現(xiàn)代船舶的電力系統(tǒng)復(fù)雜度集成度越來越高，對(duì)其建立精確的數(shù)學(xué)模型很難實(shí)現(xiàn))，本文改進(jìn)現(xiàn)有的永磁同步電機(jī)矢量控制技術(shù)，提出基于模糊矢量的控制方式。

最后，本文設(shè)計(jì)基于DSP的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，利用真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)PSPM控制理論研究具有重要的指導(dǎo)作用。

1永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型分析

1.1　永磁同步電機(jī)兩相坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

三相交流電一般采用u，v，w坐標(biāo)來表示，矢量控制利用定量靜止坐標(biāo)解析三相交流電，對(duì)u，v，w變換至α，β，稱之為Clarke變換，如圖1所示。

圖1　三相交流坐標(biāo)到兩相坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖Fig.1　The relationship between three-phase AC coordinate　system and two-phase AC

α， β坐標(biāo)與u， v， w坐標(biāo)在電壓、電流等物理量之間有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系：

(1)

式中：z為變換中的輔助參數(shù)，一般用0表示；c為變換矩陣，滿足ccT=[1]；m為變換常數(shù)。

一般u， v， w坐標(biāo)滿足下列方程：

vu+vv+vw=0且iu+iv+iw=0。

則式(1)表示為[4]：

(2)

1.2　矢量控制下電機(jī)控制方程

永磁同步電機(jī)在靜止坐標(biāo)α， β下的控制模型如圖2所示。

圖2　永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型圖Fig.2　Mathematical model of PMSM

矢量控制下的船舶電機(jī)如下式：

(3)

式中：vaa和vβa為電壓在靜止坐標(biāo)α， β相電壓；iaa和iβa為坐標(biāo)α， β相電流；eaa和eβa為船舶電力控制系統(tǒng)中的磁場(chǎng)在α、β坐標(biāo)下引起的運(yùn)動(dòng)電勢(shì)；Ra為永磁同步電機(jī)的中樞電阻；La為永磁同步電機(jī)的中樞電感。

最后得到永磁同步電機(jī)在靜止坐標(biāo)α、β下的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：

(4)

式中：Te為最終永磁同步電機(jī)的輸出控制轉(zhuǎn)矩。

2永磁同步電機(jī)的模糊矢量控制技術(shù)

2.1　模糊矢量控制數(shù)學(xué)原理

模糊矢量控制對(duì)船舶電力系統(tǒng)中的勵(lì)磁電流id及轉(zhuǎn)矩電流iq利用磁場(chǎng)定向公式進(jìn)行控制，從而控制電機(jī)的輸出控制轉(zhuǎn)矩[5]。

假設(shè)在靜止坐標(biāo)α， β下， (vda， vqa， ida， iqa)物理量在以(ida， iqa)為中間變量的狀態(tài)方程如下：

(5)

同樣，轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下：

Te=pφfaiqa。

(6)

式中φfa為坐標(biāo)β繞線電阻與永磁磁極之間的磁場(chǎng)，在整個(gè)船舶電力系統(tǒng)中基本保持恒定。

對(duì)永磁同步電機(jī)坐標(biāo)α， β之間的干擾電勢(shì)進(jìn)行解耦，得到損耗的電勢(shì)，此部分電勢(shì)需要作為補(bǔ)償部分加到整個(gè)船舶電力系統(tǒng)中去，如圖3所示。

圖3　電機(jī)電流補(bǔ)償圖Fig.3　The diagram of current compensation

由圖3可知，坐標(biāo)α， β在補(bǔ)償坐標(biāo)軸為α^， β^的補(bǔ)償電壓公式如下：

Δvda=-ωreLαidα，

Δvpa=-ωre(Lαidα+φfα)。

(7)

式中：La及φfa為恒定值；ωre，ida及iqa在實(shí)際船舶電機(jī)裝置中可測(cè)量，則永磁同步電機(jī)在α， β坐標(biāo)軸進(jìn)行解耦后的電流電壓傳遞函數(shù)如下：

學(xué)生學(xué)習(xí)了一段時(shí)間的語文知識(shí)之后，語文老師可以對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行相應(yīng)的考查。老師可以采用檢測(cè)的方式對(duì)學(xué)生的語文學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分析，在這個(gè)檢測(cè)過程中老師也要根據(jù)學(xué)生的具體情況進(jìn)行分層，實(shí)施分層檢測(cè)。如可以分為A、B兩種檢測(cè)試卷，對(duì)班級(jí)中的優(yōu)秀生和中等生采用A試卷進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)班級(jí)中的學(xué)困生采用B試卷進(jìn)行檢測(cè)，將B試卷的檢測(cè)內(nèi)容單獨(dú)設(shè)置為考核文章中的基礎(chǔ)性知識(shí)[5]。

Gmd(s)=Gmq(s)=1La>s+RaLa>>，

(8)

最終可得到船舶電機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)方程：

Pida

iqa=-RaLa>0

0-RaLa>ida

(9)

2.2　模糊矢量電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

模糊矢量控制是將模糊控制理論與矢量控制理論相結(jié)合的方式。

1)模糊矢量控制原理

矢量控制如2.1節(jié)描述，需要對(duì)電機(jī)的三相電壓電流進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，建立精確船舶電機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)模型。但是現(xiàn)代船舶的電力系統(tǒng)復(fù)雜度集成度越來越高，對(duì)其建立精確的數(shù)學(xué)模型很難實(shí)現(xiàn)。模糊控制搜集之前的控制經(jīng)驗(yàn)，利用自反饋機(jī)制進(jìn)行調(diào)整來執(zhí)行之前的規(guī)則，達(dá)到修正的有效控制。

模糊矢量控制器主要由模糊控制器輸入控制接口﹑模糊自適應(yīng)反饋及模糊解析接口3個(gè)接口組成。如圖4所示。

圖4　模糊控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.4　The structure of fuzzy controller

3基于DSP的永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

3.1　軟件流程設(shè)計(jì)

基于DSP的模糊矢量控制軟件程序包含以下幾

個(gè)部分：主程序流程控制模塊、中斷(定時(shí)器)控制器模塊、α軸電壓電流坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及補(bǔ)償模塊、β軸電壓電流坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及補(bǔ)償模塊、扇區(qū)轉(zhuǎn)換模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)控制子模塊。

核心模塊α軸電壓電流坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和補(bǔ)償模塊及電機(jī)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)控制子模塊的流程如圖5和圖6所示。

圖5　電流調(diào)節(jié)軟件流程圖Fig.5　The flow char of current regulation

圖6　模糊自適應(yīng)控制流程圖Fig.6　The flow char of fuzzy adaptive control

3.2　基于DSP的嵌入式設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

整個(gè)永磁同步電機(jī)的模糊矢量控制核心系統(tǒng)包括：坐標(biāo)變換控制系統(tǒng)、模糊矢量控制系統(tǒng)及電流控制器模塊等，整個(gè)系統(tǒng)如圖7所示。在對(duì)永磁同步電機(jī)的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，系統(tǒng)系數(shù)如下：p=2， Ra=0.425 Ω， Lα=Lβ=3.78mh， φfa=0.265Wb， J=0.005 416kg·m2， 過載能力為500%，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖7　基于DPS的永磁同步電機(jī)控制仿真系統(tǒng)Fig.7　Embedded system of PMSM based on DSP

圖8　仿真結(jié)果圖Fig.8　The results of the simulation

當(dāng)整個(gè)船舶電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為100 r/min，永磁同步電機(jī)負(fù)載為4 N·m，基于模糊矢量控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速在420 r/min趨于穩(wěn)定，調(diào)節(jié)時(shí)間相對(duì)于非模糊矢量控制器縮短了30 ms左右，并且電機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)量相對(duì)于非模糊矢量控制的永磁同步電機(jī)由60%下降至35%，輸出轉(zhuǎn)矩超調(diào)量由300%下降至68.5%。

通過以上圖形和數(shù)據(jù)分析可以得到，在使用本文模糊矢量控制器的永磁同步電機(jī)無論在調(diào)節(jié)時(shí)間、系統(tǒng)轉(zhuǎn)速以及輸出轉(zhuǎn)矩超調(diào)量等系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)方面，都有較大提升。

4結(jié)語

在現(xiàn)代船舶動(dòng)力系統(tǒng)中，電力推進(jìn)系統(tǒng)以其自動(dòng)化程度高、推進(jìn)動(dòng)力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)越來越成為整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)中重要組成。而永磁同步電機(jī)由于其可靠性高、體積小、噪聲較低、轉(zhuǎn)動(dòng)阻力較小等成為船舶電力推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域中最熱門的技術(shù)。

本文研究了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)原理，分析了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要控制技術(shù)。針對(duì)現(xiàn)代船舶的電力系統(tǒng)復(fù)雜度集成度越來越高，對(duì)其建立精確的數(shù)學(xué)模型很難實(shí)現(xiàn)，提出了一種基于模糊矢量的控制技術(shù)。最后設(shè)計(jì)了基于DSP的嵌入式系統(tǒng)并進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，表明了新的控制方法的有效性。

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Research on the ocean ambient noise prediction based on neural net

HE Jun

(Sichuan Vocational and Technical College,Suining 629000,China)

Abstract：With the rapid development of electronic information technology and automation technology, vessel electric propulsion motor driver is an important part of ship power system .The paper study the permanent magnet synchronous motor which is one of the major part of vessel electric propulsion motor driver, establish the mathematical model. At last, this paper design embedded system of permanent magnet synchronous motor based on DSP.

Key words：vessel electric propulsion system; permanent magnet synchronous motor; fuzzy vector

作者簡(jiǎn)介：何軍( 1963 - ) ，男，副教授，研究方向?yàn)殡姎夤こ獭?/p>

收稿日期：2014-03-21； 修回日期： 2014-06-18

文章編號(hào)：1672-7649(2015)02-0152-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.033

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A