基于DSP的全數字永磁電機推進(jìn)系統

1 永磁同步電動(dòng)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：在轉子磁鏈dqO旋轉坐標系中，將定子電流分解為相互正交的兩個(gè)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，代表定子電流轉矩分量，用這兩個(gè)電流分量所產(chǎn)生的電樞反應磁場(chǎng)來(lái)等效代替原來(lái)定子三相繞組電流ia、ib、ic所產(chǎn)生的電樞反應磁場(chǎng)，即進(jìn)行Park變換：

式中：γ為轉子位置角，即轉子d軸領(lǐng)先定子a相繞組中心線(xiàn)的電角度
　　

然后分別對id和io進(jìn)行獨立控制，即可獲得像直流電機一樣良好的動(dòng)態(tài)特性

表面凸出式轉子結構的永磁同步電機d、q軸電感基本相同，因而其電磁轉矩方程為
　　　　　　　　　　

式中：pn為轉子極對數，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)生最大轉矩，提高電機的工作效率，本文選用最大轉矩/電流矢量控制，由式(2)可知，對于表面凸出式轉子結構的永磁同步電機，可令id=0，通過(guò)調節iq來(lái)實(shí)現轉矩的控制如圖1所示，整個(gè)伺服系統由3個(gè)控制環(huán)構成

1)位置環(huán)：采集電機旋轉編碼器輸出的脈沖信號，鑒相、倍頻后進(jìn)行計算，提供坐標變換所需的轉子位置信息;
2)速度環(huán)：比較實(shí)際轉速n與設定轉速nref所得差值經(jīng)PI調節后作為q軸電流參考值iqr再經(jīng)電流環(huán)調節后，反過(guò)來(lái)控制電機轉速;
3)電流環(huán)：比較電流實(shí)際值id、iq與參考值idr、iqr，經(jīng)PI調節后產(chǎn)生d、g軸電壓參考值udr、uqr，將其轉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，驅動(dòng)電機

2 系統硬件結構

永磁同步電動(dòng)機推進(jìn)系統的硬件結構如圖2所示，它主要提供以下3大功能：電動(dòng)機控制策略的實(shí)現、控制量的檢測采樣以及功率驅動(dòng)

2．1 TMS320LF2407A DSP
　　 整個(gè)系統控制策略的實(shí)現由核心硬件TMS320LF2407A DSP完成，它是TI公司專(zhuān)為電機控制而設計的定點(diǎn)芯片，具有低功耗和高速度的特點(diǎn)，其單指令周期最短可達25 ns片內兩個(gè)事件管理器(EVA和EVB)各有2個(gè)通用定時(shí)器，6個(gè)帶可編程死區功能的PWM輸出通道，1個(gè)外部硬件中斷引腳，3個(gè)捕獲單元(CAP)和1個(gè)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(guò)程中的數據處理、策略執行和決策輸出等

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(lái)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器進(jìn)行計數，計數方向由A、B信號的相位先后決定Z信號隨轉子每轉一周輸出一個(gè)脈沖，用以檢測電機轉速U、V、W信號與電機三相反電勢同頻率、同相位，根據它們的不同狀態(tài)，可將360°電角度平面分成6個(gè)部分，用以確定電機的初始轉子位置角

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(guān)系為
　

　　為了保證電流較小時(shí)的采樣精度，改善電機低速、輕載下的運行情況，本系統采用12 b雙A／D轉換器ADS7862來(lái)代替DSP內部10 b的模／數轉換模塊，通過(guò)DSP的外部存儲器擴展接口，將式(3)的模擬電流量轉換為數字量結果，輸入　DSP

2．3 功率驅動(dòng)部分

永磁同步電機的功率驅動(dòng)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，它內部集成了6個(gè)絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)及其驅動(dòng)、保護電路，由DSP的PWMl～6引腳提供觸發(fā)信號，能夠在過(guò)流或欠壓故障發(fā)生時(shí)，關(guān)閉IGBT驅動(dòng)電路，使模塊停止工作，同時(shí)在相應故障引腳輸出故障信號至DSP的PDPINTA引腳，通過(guò)硬件中斷，封鎖PWM脈沖輸出

3 系統軟件設計

永磁電機推進(jìn)系統的軟件主要由3部分組成：初始化程序、主程序和中斷服務(wù)子程序系統復位時(shí)，首先執行初始化程序，檢測、設定DSP內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、轉速、轉子位置等一系列實(shí)時(shí)運行信息，在滿(mǎn)足條件時(shí)設置系統標志位，執行相應中斷服務(wù)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(shí)切斷DSP的PWM及定時(shí)器輸出；而定時(shí)中斷子程序則是實(shí)現電機矢量控制策略的核心程序，主要完成PI調節和SVPWM波形發(fā)生這兩大功能，其流程圖如圖4所示　　　　　　

3．1 數字PI調節器

模擬PI調節器的控制規律為

其中：e(t)為參考值與實(shí)際值之差，作為PI調節器的輸入;u(t)為輸出和被控對象的輸入；uo為PI調節器的初值；Kp為比例系數；TI為積分常數

將式(4)離散化，即可得到數字PI調節器的數學(xué)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

由于電機轉軸和負載軸轉動(dòng)慣量的存在，速度PI調節器的時(shí)間常數較大，調速時(shí)系統響應較慢而電流PI調節器則因為電時(shí)間常數較小，在電機起動(dòng)和大范圍加減速時(shí)能夠快速進(jìn)行電流調節和限幅，增強了系統抗電源和負載擾動(dòng)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，其基本原理及扇區劃分見(jiàn)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(gè)PWM周期中，能夠保證一相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)不變，有利于開(kāi)關(guān)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，使PWMl、3、5引腳高有效，PWM2、4、6引腳低有效；
　　3)設置定時(shí)器TI計數方式為“連續增／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所在扇區的兩個(gè)非零空間矢量Ur、Ux+60按其值裝配ACTRA；
　　6)根據表1計算Ux、Ux+60的作用時(shí)間t1、t2，將t1裝入比較寄存器CMPRlt1+t2裝入CMPR2，啟動(dòng)定時(shí)器操作

當TI值與CMPRl或CMPR2值發(fā)生匹配時(shí)，PWM輸出就會(huì )產(chǎn)生跳變通過(guò)及時(shí)更新每個(gè)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(guò)死區控制寄存器對PWMl～6引腳設置死區時(shí)間；同時(shí)濾除PWM序列中的過(guò)窄脈沖，以減小器件的開(kāi)關(guān)損耗

4 仿真與實(shí)驗結果

本文利用Matlab／Simulink工具箱，根據圖1搭建系統模型，對一臺3對極永磁同步電機進(jìn)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，本矢量控制系統響應快速，轉矩脈動(dòng)小，動(dòng)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矩的輸出，有利于推進(jìn)電機效率的提高

實(shí)際實(shí)驗中，TMS320LF2407A時(shí)鐘頻率為30 MHz，SVPWM采樣頻率為3 kHz，死區時(shí)間設為8 μs，并濾除正負脈寬小于6％脈沖周期的過(guò)窄脈沖當轉速為300 r／min時(shí)，可得永磁電機推進(jìn)系統輸出電壓、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(guò)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(shí)驗結果表明，采用交-直-交PWM驅動(dòng)和最大轉矩／電流矢量控制的全數字永磁同步電動(dòng)機推進(jìn)系統，電壓利用率較高，轉矩脈動(dòng)小，能夠較好地抑制了電機電流中的諧波，低速性能優(yōu)于直接轉矩控制，可以滿(mǎn)足推進(jìn)電動(dòng)機低轉速、大轉矩、輕噪聲的要求，為現代艦船電力推進(jìn)系統數字化操控的實(shí)現提供了一定參考