楊立宏

(中山火炬職業(yè)技術(shù)學院，廣東 中山528436)

0 引 言

由于永磁技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP 微處理器技術(shù)有很大突破，功率器件的開關(guān)速度和容量越來越好，功率器件MOSFET 以及IGBT 使得無刷直流電機(BLDCM)的驅(qū)動功率越來越大、轉(zhuǎn)速越來越大、輸出轉(zhuǎn)矩不斷增大、整體性能越來越優(yōu)越。此外，隨著電子元器件的集成度越來越高和數(shù)字控制技術(shù)的不斷發(fā)展，全世界的科研人員對BLDCM 開展了大量研究，運用復雜的控制算法實現(xiàn)BLDCM 的高性能控制，使其在電力推進船舶中實現(xiàn)價值［1］。

1 系統(tǒng)設計

直流無刷電機的系統(tǒng)組成如圖1 所示，主要包括電機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器、逆變器、控制器等，結(jié)構(gòu)比較簡單。由于本文所涉及的是大功率的直流無刷電機，如果直流電源不是來自船舶電網(wǎng)，而是由串并聯(lián)組成的蓄電池網(wǎng)絡供電，對每個蓄電池單體選型要求就要比正常情況下要嚴格的多。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 Components of system

BLDCM 的本體一般都由定子、轉(zhuǎn)子、位置傳感器構(gòu)成。其中定子繞組一般為多組，能夠輸出多相電壓，位置傳感器的功能是實時采樣轉(zhuǎn)子的位置，并把位置信息反饋回去，形成偏差信號，從而調(diào)制出PWM 信號，從而驅(qū)動功率開關(guān)器件、提供換相信號，也就是把轉(zhuǎn)子的位置信息變換成控制器可以處理的電信號后，再控制定子繞組上的輸出電壓進行換相。位置傳感器有許多種，每一種傳感器都有其各自的特性，常見的一般包括電磁傳感器、光電傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。逆變器的主要任務是把位置傳感器的反饋回來的轉(zhuǎn)子位置信號進行處理后直接驅(qū)動功率管，從而控制功率管的飽和導通和截止斷開，從而實現(xiàn)把直流電能逆變成交流電能，使得電機可以一直進行運轉(zhuǎn)。

本文所設計的逆變器采用三相逆變器，功率管開關(guān)方式為兩相導通的星型，總共含有6 個狀態(tài)。BLDCM 的系統(tǒng)原理如圖2 所示，三相全控橋分別為A 相、B 相、C 相，對應的電機本體上也有3 對定子繞組，三相定子繞組的連接方式為Y 形，其中繞組的一端都分別連接到逆變器的3 條橋壁的中點。三相逆變器總共包括6 個功率管，組成3 條橋壁，每條橋壁包括上橋壁和下橋臂2 個功率管。位置傳感器為光電傳感器，結(jié)構(gòu)比較清晰、成本低廉、占空間體積小、便于安裝等優(yōu)勢，光電傳感器輸出3 路正交信號A，B，Z，通過對這3 路信號進行分析可以判斷轉(zhuǎn)子的速度和位置。以DSP 為核心的控制器對反饋的位置信號和速度信號進行分析，從而實現(xiàn)對6 個功率管的開關(guān)控制，讓直流無刷電機進行換相，最終輸出三相的交流方波來驅(qū)動電機工作［2］。

圖2 BLDCM 的系統(tǒng)原理示意圖Fig.2 System schematic diagram of BLDCM

2 硬件系統(tǒng)設計

如圖3 所示，硬件系統(tǒng)組成主要由以DSP 為核心的主控模塊、外圍接口模塊、通信模塊、逆變模塊等構(gòu)成，此外還包括CAN 總線接口、串口、仿真接口等。以往為控制器主要使用模擬信號院隊對控制系統(tǒng)進行研究，驅(qū)動控制模塊都使用模擬電子元器件。隨著科技的不斷發(fā)展，數(shù)字信號處理器(簡稱DSP)的性能逐步提升，完全取代了以前的模擬信號分析裝置的位置。DSP 更能符合應用的需求，運用非常靈活，能夠進行準確控制、具有很好的抗干擾能力、處理數(shù)據(jù)的能力強和效率高以及工作非?？煽浚捎贐LDCM 的驅(qū)動器系統(tǒng)比較復雜，會使用到比較復雜的算法，而DSP 恰好滿足要求。只需要進行簡單的編程，采用對應的控制算法，就能對電機硬性完美的控制。

圖3 硬件系統(tǒng)組成Fig.3 Components of hardware system

目前，DSP 的品種繁多，其選型至關(guān)重要。DSP 經(jīng)過綜合考慮，本文最終采用TI 公司的TMS320C2000 系列的芯片，因為船舶的工作環(huán)境比較惡例，工況比較多，控制系統(tǒng)更加復雜，此款芯片可以把所有復雜的數(shù)字控制算法都做到一個體積很小的芯片里，其很強的數(shù)據(jù)分析能力和控制效果使得其在船舶推進電機中凸顯出來。如DSP 芯片28335 除了具備以上優(yōu)點之外，它的內(nèi)核有浮點處理模塊，使得復雜的控制算法能夠輕松實現(xiàn)。通過結(jié)合船舶電力推進電機的應用背景，本文最終選擇28335 作為直流無刷電機的主控制器。

此款DSP 的脈沖寬度調(diào)制模塊包括6 個子功能模塊，并且一個通道能夠輸出2 路PWM 調(diào)制信號。驅(qū)動器中逆變?nèi)珮虬? 個功率管，任何一個橋臂上的上橋臂功率管和下橋臂功率管的驅(qū)動信號都互補，即上橋臂的開關(guān)狀態(tài)為1，對應的下橋臂的開關(guān)狀態(tài)必須為0，必須杜絕短路事故的發(fā)生。DSP 引腳的電流輸出能力很弱，一般情況下不能夠直接驅(qū)動負載，因此輸出的脈沖信號都要通過驅(qū)動電路把其進行放大，才能驅(qū)動負載，本文最終選擇的驅(qū)動芯片為通用的功率管驅(qū)動芯片74HC245。

IPM 是目前使用比較方便的一種集成功率模塊，它把電機驅(qū)動系統(tǒng)和主控系統(tǒng)集成在一起，能夠給電機進行智能供電，具有使用方便、大大縮短電機控制器產(chǎn)品的研發(fā)周期的優(yōu)點，把電機功率模塊、控制模塊以及各種保護模塊都集成在一起，不但結(jié)構(gòu)比較簡單，而且成本比較低廉，此外電機控制器的整體性能得到了很強的提升，綜合考慮，逆變電路采用集成芯片，其主要IR2264 和功率MOS 管IRF3206 組成。

二極管分別與電容構(gòu)成三路斬波電路進行升壓，二極管的作用是避免電流反過來流，因為電機既是電動機也是發(fā)電機，電容的作用是把電能進行存儲，在輸出的PWM 信號的頻率比較大的情況下，升壓電路的最終輸出電壓為輸入電路兩端的電壓和電容兩端的電壓之和，從而把輸入電壓進行提升。升壓電路的作用是把輸入電壓進行放大后傳遞給驅(qū)動芯片，使其能夠非常穩(wěn)定地控制功率開關(guān)器件工作。六路PWM 信號分別輸出到三相逆變電路中的功率MOS 管的柵極。其中每相都由2 個功率管進行控制，功率管輸出信號與輸入信號是反向的，從以上分析可以得出DSP 引腳輸出的六路PWM 信號需要通過許多電路的分析和處理后，最終才能驅(qū)動功率管［3］。

DSP 包含6 個加強的捕捉模塊，每個捕捉模塊都包括一個以時間為基準的計數(shù)器，4 個以時間為標簽的捕捉寄存器，4 個狀態(tài)排序器，他們都能夠單獨實現(xiàn)各種信號的捕捉功能。直流無刷電機控制系統(tǒng)首先要對3 個定子繞組上的定子電流和位置傳感器的信號進行采樣反饋，然后交給DSP 去處理。DSP 可以提供2 個八通道的A/D 轉(zhuǎn)換模塊。此外，直流無刷電機控制系統(tǒng)要對定子電流、直流總線電壓以及總線電流進行采樣，檢測三相定子電流用來分析輸出的轉(zhuǎn)矩，并對其進行控制，直流總線電壓采樣電路和直流總線電流采樣電路的作用是對系統(tǒng)進行保護。一旦發(fā)生總線電流過大、總線電壓過高以及電壓不夠的情況，就立馬將電源進行斷開操作。

本文亦使用線性的ABS154 電流傳感器來進行電流檢測。ABS154 為一種線性度很高的一款電流傳感器，它的內(nèi)部包括準確的低偏移的霍爾傳感器模塊，可以把和采樣的交直流按照一定的比例進行輸出，有點包括電磁噪聲非常低、響應速度非常迅速、轉(zhuǎn)換精度高、能夠隔離的電壓很大、便于運用等。如果需要和上位機進行通信，需要把DSP 上的SCI接口進行轉(zhuǎn)換，然后才能和上位機上的RS232 接口進行通信。多機通信通過CAN 總線接口，用于多個推進電機之間的通信，比如同步、協(xié)調(diào)等［4］。RTC時鐘模塊，提供整個系統(tǒng)的工作時序，類似于一個時間，每個單位時間內(nèi)改執(zhí)行什么操作，從而使得整個系統(tǒng)按部就班進行運作。LCD 顯示器是把需要監(jiān)控的參數(shù)進行顯示，便于操作人員進行操作，是一種可視化的人機界面。鍵盤控制模塊是一種輸入設備，操作人員可以把信息通過此輸入進去。FLASH 靜態(tài)存儲器是對DSP 內(nèi)部存儲器容量的一種擴充，使得數(shù)據(jù)的存儲有更多的空間。外部中斷模塊是對外部信號進行實時中斷，它跟普通輸入和輸出引腳的主要區(qū)別在于其響應速度非?？?，甚至可以忽略掉響應時間。其中，鍵盤控制模塊和液晶顯示模塊都是CPLD 實現(xiàn)與DSP 通訊的，F(xiàn)LASH 靜態(tài)存儲器是直接通過DSP 的EMIF 與DSP 實現(xiàn)通信的，CAN 總線接口是通過eCAN 來實現(xiàn)通信的。RTC 時鐘模塊是通過I2C 總線接口來實現(xiàn)通信的。DSP 內(nèi)置了PWM 模塊，能夠直接輸出PWM 信號，PWM信號首先利用光耦進行強弱電隔離，然后傳遞給功率管的驅(qū)動芯片，最終驅(qū)動功率管進行工作。值得注意的一點是，IPM 模塊必須與電機的負載進行匹配，因為船舶在海上航行時，工況特別多，電機的負載會隨著天氣的變化而變化。數(shù)字信號控制器作為直流無刷電機控制系統(tǒng)的控制核心，集中管理協(xié)調(diào)各個模塊工作，它能夠在很短的時間內(nèi)快速地處理大量的信息，功能非常強大，能夠滿足電機控制的要求。

3 軟件系統(tǒng)設計

直流無刷電機控制系統(tǒng)不僅要負責電機的驅(qū)動工作，還要完成所有輔助工作，比如和上位機之間通信，電機工作過程中所有參數(shù)的監(jiān)控等。此外，還包括控制器在突發(fā)狀況下能夠主動做出判斷并進行正確的處理，避免整個直流無刷電機的控制系統(tǒng)不能正常工作。

考慮到船舶上推進電動機的控制系統(tǒng)對程序的以上所述的要求，本文提出了一種建立以實時操作系統(tǒng)為基礎的多個任務調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也就是把實時的操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)接到控制系統(tǒng)里面，并把其建設成軟件的編寫流程，把電機的控制系統(tǒng)里所有需要采樣的信號進行檢測，然后采用算法進行計算，并通過DSP 輸出的脈沖信號對功率管進行控制。

為了滿足船舶推進電機的要求，把直流無刷電機的控制系統(tǒng)植入現(xiàn)代流行的控制算法，具體過程如下所述:把模糊PID 算法依據(jù)設定的轉(zhuǎn)速大小和傳感器反饋回來的實際轉(zhuǎn)速的偏差和變化速率進行實時控制，模糊PID 算法在DSP 中實現(xiàn)，然后控制引腳輸出PWM 控制信號，并通過采樣的每相定子電流信號和定子的反電動勢信號來對直流無刷電機的輸出轉(zhuǎn)矩進行控制，實現(xiàn)過程需要進行查表，然后通過數(shù)字信號處理器DSP 去控制6個功率MOS 管進行開關(guān)操作。通過以上對直流無刷電機的控制系統(tǒng)進行詳細的分析，軟件系統(tǒng)包括:

1)啟動操作。這由操作系統(tǒng)決定。

2)與上位進行通信。把直流無刷電機的實際狀況的信號反饋給DSP，DSP 再把信息傳達給上位機，最后上位機根據(jù)此信息再下達響應的控制命令，包括改變船舶的行駛方向、航行速度、船舶的啟動與停止等。

3)鍵盤的輸入操作和液晶顯示操作。不能和上位機進行通信時，對直流無刷推進電動機的運行參數(shù)進行設置并顯示。

4)模糊PID 算法的操作。通過速度偏差和速度的變化率進行模糊PID 控制，輸出脈沖寬度調(diào)制信號。

4 實驗結(jié)果與分析

以數(shù)字信號處理器DSP 為控制核心的控制板和以功率開關(guān)管MOS 管為驅(qū)動核心的驅(qū)動板共同構(gòu)成的硬件實驗裝置如圖4 所示。程序的編寫平臺是在德州儀器公司出品的CCS 軟件開發(fā)平臺，其不僅給出了配置功能，還提供了對所編寫程序進行分析的工具，軟件編寫人員可以很方便地DSP 的程序進行開發(fā)、軟件調(diào)試、在線調(diào)試等，大大縮短了開發(fā)周期。實驗裝置的目的是檢測本文所涉及的直流無刷電機控制系統(tǒng)是否滿足設計的要求［5］。

圖4 硬件實驗裝置Fig.4 Hardware experimental device

在電流環(huán)和速度環(huán)的2 個閉合回路中都應用模糊PID 算法對速度偏差和轉(zhuǎn)矩偏差進行調(diào)節(jié)，PID 算法是最經(jīng)典的控制算法，需要對它的比例系數(shù)、積分系數(shù)以及微分系數(shù)進行嚴格的選取，需要通過大量的實驗，但與模糊算法之后，可以在線對這3 個系數(shù)進行自動調(diào)節(jié)，最后確定比例系數(shù)為0. 4、積分系數(shù)為0. 12、微分系數(shù)為0. 19，直流無刷推進電機的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩曲線如圖5 和圖6 所示，其中圖5 為負載發(fā)生變化情況下的直流無刷電機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的響應曲線，圖6 為負載發(fā)生變化情況下的直流無刷電機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的響應曲線，可以看出，整個系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動態(tài)性能良好，響應時間短，穩(wěn)態(tài)誤差很小，一個參數(shù)變化時，另一個參數(shù)能夠很快恢復正常。

圖5 負載變化時，電機的響應曲線Fig.5 Response curve of the motor when load changes

圖6 速度變化時，電機的響應曲線Fig.6 Response curve of the motor when speed changes

5 結(jié) 語

DSP 的運算能力比較強，能夠?qū)崿F(xiàn)比較復雜的控制算法，因此本文通過DSP 運用模糊PID 算法來控制無刷直流電機，對高性能的推進電機在電力推進船舶中的應用進行探索。實驗證明，基于DSP 的PID 算法在小型船舶直流無刷電機控制系統(tǒng)中的實際運行效果良好，能夠提高電機性能，能夠輸出更優(yōu)越的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

［1］王國偉. 基于DSP2812 的無刷直流電機控制系統(tǒng)研究［D］.合肥:安徽大學，2010.

［2］芮江，由大偉.艦船綜合電力推進技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.艦船科學技術(shù)，2010，32(4):3 -6.RUI Jiang，YOU Da-wei. Survey and preview on warship integrated electric propulsion ［J］. Ship Science and Technology，2010，32(4):3 -6.

［3］葛俊峰.基于DSP 的無刷直流電機控制系統(tǒng)設計［J］.赤峰學院學報(自然科學版)，2015(1):47 -48.

［4］湯建華，趙烏恩，楊子龍.船舶綜合電力推進技術(shù)發(fā)展思路研究［J］.艦船科學技術(shù)，2010，32(5):133 -138.TANG Jian-hua，ZHAO Wue-en，YANG Zi-long. Research on ship′ integrated power system development notion［J］.Ship Science and Technology，2010，32(5):133 -138.

［5］韓俊青.小型船舶直流無刷推進器控制系統(tǒng)［J］. 艦船科學技術(shù)，2015，37(3):151 -154，159.HAN Jun-qing. Research and design of control system for DC brushless propulsion motor on the small ship［J］. Ship Science and Technology，2015，37(3):151 -154，159.