基于DSP的全數(shù)字永磁電機推進系統(tǒng)

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)子結構的永磁同步電機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)子結構的永磁同步電機，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)硬件結構

永磁同步電動機推進系統(tǒng)的硬件結構如圖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)子位置等一系列實時運行信息，在滿足條件時設置系統(tǒng)標志位，執(zhí)行相應中斷服務子程序其中，外部保護中斷子程序由PDPINTA引腳觸發(fā)，用于在故障發(fā)生時切斷DSP的PWM及定時器輸出；而定時中斷子程序則是實現(xiàn)電機矢量控制策略的核心程序，主要完成PI調(diào)節(jié)和SVPWM波形發(fā)生這兩大功能，其流程圖如圖4所示　　　　　　

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狀態(tài)不變，有利于開關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CMPRlt1+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，以減小器件的開關損耗

4 仿真與實驗結果

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，三相電機的電路結構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 論

仿真和實驗結果表明，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