基于DSP的永磁電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著控制理論和電力電子以及永磁材料的發(fā)展，永磁推進(jìn)電機(jī)被廣泛用于各種變速驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，這主要是因?yàn)橛来磐七M(jìn)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、重量輕以及具有較高的效率和功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。

　　傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一般采用雙閉環(huán)系統(tǒng)，外環(huán)的速度控制一般可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，而內(nèi)環(huán)的電流控制一般不容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，這主要是因?yàn)殡姍C(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)比較小，對(duì)電流控制的實(shí)時(shí)性要求很高，一般的微處理器很難滿(mǎn)足要求。但是隨著電力電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，特別是TI公司針對(duì)電機(jī)控制而推出的DSP-F240為實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制提供了比較現(xiàn)實(shí)的手段。DSP-F240主要由CPU、片內(nèi)RAM和可編程FLASH ROM、事件管理器、片內(nèi)周邊接口等部分組成，它的工作頻率比較高，一般要大于20MIPS,并且片上集成了很多面向電機(jī)控制的外圍設(shè)備，使得整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較容易。本文介紹以TMS320LF2407ADSP為核心的永磁同步電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程，并對(duì)該套方案進(jìn)行了Matlab/Simulink仿真和低速運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

　　1 永磁同步電動(dòng)機(jī)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(biāo)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(lì)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(gè)電流分量所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)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(yīng)磁場(chǎng)，即進(jìn)行Park變換：

　　式中：γ為轉(zhuǎn)子位置角，即轉(zhuǎn)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(duì)id和io進(jìn)行獨(dú)立控制，即可獲得像直流電機(jī)一樣良好的動(dòng)態(tài)特性。表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)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(duì)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(jī)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(duì)于表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)，可令id=0,通過(guò)調(diào)節(jié)iq來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的控制如圖1所示，整個(gè)伺服系統(tǒng)由3個(gè)控制環(huán)構(gòu)成。

　　1）位置環(huán)：采集電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖信號(hào)，鑒相、倍頻后進(jìn)行計(jì)算，提供坐標(biāo)變換所需的轉(zhuǎn)子位置信息；

　　2）速度環(huán)：比較實(shí)際轉(zhuǎn)速n與設(shè)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；

　　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(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(biāo)系中得uαr、uβr按SVPWM方式生成逆變器觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

　　2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　永磁同步電動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要提供以下3大功能：電動(dòng)機(jī)控制策略的實(shí)現(xiàn)、控制量的檢測(cè)采樣以及功率驅(qū)動(dòng)。

　　2.1 TMS320LF2407A DSP

　　整個(gè)系統(tǒng)控制策略的實(shí)現(xiàn)由TMS320LF2407A DSP完成，它具有低功耗和高速度的特點(diǎn)，其單指令周期最短可達(dá)25 ns片內(nèi)兩個(gè)事件管理器（EVA和EVB）各有2個(gè)通用定時(shí)器，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(shè)接口（SPI）等模塊一起，這就方便了電機(jī)控制過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理、策略執(zhí)行及決策輸出等。

　　2.2 控制量檢測(cè)部分

　　電機(jī)機(jī)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(hào)：A、B、Z和U、V、W,它們與DSP的連接如圖3所示其中A、B信號(hào)正交，正交編碼單元將它們四倍頻后送入相應(yīng)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)方向由A、B信號(hào)的相位先后決定Z信號(hào)隨轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周輸出一個(gè)脈沖，根據(jù)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(jī)的初始轉(zhuǎn)子位置角。

　　電機(jī)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(jī)低速、輕載下的運(yùn)行情況，這里采用12 b雙A/D轉(zhuǎn)換器ADS7862來(lái)代替DSP內(nèi)部10 b的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，通過(guò)DSP的外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口，將式（3）的模擬電流量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量結(jié)果，輸入DSP。

　　2.3 功率驅(qū)動(dòng)部分

　　永磁同步電機(jī)的功率驅(qū)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PS21869,它內(nèi)部集成了6個(gè)絕緣柵雙極型晶體管及其驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路，由DSP的PWMl~6引腳提供觸發(fā)信號(hào)，能夠在過(guò)流或欠壓故障發(fā)生時(shí)，關(guān)閉IGBT驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)在相應(yīng)故障引腳輸出故障信號(hào)至DSP的PDPINTA引腳，通過(guò)硬件中斷，封鎖PWM脈沖輸出。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　永磁電機(jī)推進(jìn)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(wù)子程序系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，先執(zhí)行初始化程序，檢測(cè)、設(shè)定DSP內(nèi)部各模塊的工作模式和初始狀態(tài)主程序負(fù)責(zé)收集電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速等一系列實(shí)時(shí)運(yùn)行信息；定時(shí)中斷子程序則是實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(shí)際值之差，作為PI調(diào)節(jié)器的輸入；u（t）為輸出和被控對(duì)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(xué)表達(dá)式：

　　式中：k為采樣序號(hào)，T為PWM采樣周期，KI=Kp/TI,為積分系數(shù)。

　　由于電機(jī)轉(zhuǎn)軸和負(fù)載軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的存在，速度PI調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)較大，調(diào)速時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)較慢而電流PI調(diào)節(jié)器則因?yàn)殡姇r(shí)間常數(shù)較小，在電機(jī)起動(dòng)和大范圍加減速時(shí)能夠快速進(jìn)行電流調(diào)節(jié)和限幅，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗電源和負(fù)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(qū)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(shè)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(shè)置定時(shí)器TI計(jì)數(shù)方式為"連續(xù)增/減",相應(yīng)周期寄存器TIPR的初始值為PWM采樣周期的一半，即Tc/2;

　　4）計(jì)算輸出空間電壓矢量Uout在兩相靜止坐標(biāo)系中的分量uα、iβ；

　　5）確定組成Uout所在扇區(qū)的兩個(gè)非零空間矢量Ur、Ux+60按其值裝配ACTRA;

　　6）根據(jù)表1計(jì)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(dāng)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，為避免IPM同一橋臂上下兩只IGBT的直通，程序通過(guò)死區(qū)控制寄存器對(duì)PWMl~6引腳設(shè)置死區(qū)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(yàn)結(jié)果

　　本文利用Matlab/Simulink工具箱，根據(jù)圖1搭建系統(tǒng)模型，對(duì)一臺(tái)3對(duì)極永磁同步電機(jī)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(jié)果可以看出，本矢量控制系統(tǒng)響應(yīng)快速，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩的輸出，有利于推進(jìn)電機(jī)效率的提高。

　　實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，TMS320LF2407A時(shí)鐘頻率為30 MHz,SVPWM采樣頻率為3 kHz,死區(qū)時(shí)間設(shè)為8 μs,并濾除正負(fù)脈寬小于6%脈沖周期的過(guò)窄脈沖當(dāng)轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，可得永磁電機(jī)推進(jìn)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可看出，SVPWM方式生成的電壓基波幅值較大，諧波分布比較分散，其低次諧波主要為三次諧波；由圖7b可以看出，三相電機(jī)的電路結(jié)構(gòu)對(duì)三次諧波成分有自然抑制作用，高次諧波則通過(guò)電機(jī)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(jié) 論

　　仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用交-直-交PWM驅(qū)動(dòng)和最大轉(zhuǎn)矩/電流矢量控制的全數(shù)字永磁同步電動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，電壓利用率較高，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，能夠較好地抑制了電機(jī)電流中的諧波，低速性能優(yōu)于直接轉(zhuǎn)矩控制，滿(mǎn)足推進(jìn)電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、輕噪聲的要求，為現(xiàn)代艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字化操控的實(shí)現(xiàn)提供了一定參考。