隨著控制理論和電力電子以及永磁材料的發(fā)展,，永磁推進電機被廣泛用于各種變速驅動場合，這主要是因為永磁推進電動機具有結構簡單,、運行可靠,、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,。

　　傳統(tǒng)的永磁同步電機調(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現(xiàn)數(shù)字控制，而內(nèi)環(huán)的電流控制一般不容易實現(xiàn)數(shù)字控制,，這主要是因為電機的電氣時間常數(shù)比較小,，對電流控制的實時性要求很高，一般的微處理器很難滿足要求,。但是隨著電力電子技術和微處理器技術的發(fā)展,，特別是TI公司針對電機控制而推出的DSP-F240為實現(xiàn)全數(shù)字控制提供了比較現(xiàn)實的手段。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控制的外圍設備，使得整個系統(tǒng)的實現(xiàn)相對比較容易,。本文介紹以TMS320LF2407ADSP為核心的永磁同步電機推進系統(tǒng)的硬件結構和軟件流程,，并對該套方案進行了Matlab/Simulink仿真和低速運行實驗。
 

　　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為轉子位置角,，即轉子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(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,通過調(diào)節(jié)iq來實現(xiàn)轉矩的控制如圖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子位置信息；

　　2）速度環(huán)：比較實際轉速n與設定轉速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動,。

　　2.1 TMS320LF2407A DSP

　　整個系統(tǒng)控制策略的實現(xiàn)由TMS320LF2407A DSP完成，它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,，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,，這就方便了電機控制過程中的數(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3所示其中A、B信號正交,，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信號隨轉子每轉一周輸出一個脈沖,，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，這里采用12 b雙A/D轉換器ADS7862來代替DSP內(nèi)部10 b的模/數(shù)轉換模塊,，通過DSP的外部存儲器擴展接口,，將式（3）的模擬電流量轉換為數(shù)字量結果，輸入DSP,。

　　2.3 功率驅動部分

　　永磁同步電機的功率驅動為交-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PS21869,它內(nèi)部集成了6個絕緣柵雙極型晶體管及其驅動,、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驅動電路,，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,，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,、轉速等一系列實時運行信息,；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),。

　　由于電機轉軸和負載軸轉動慣量的存在，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，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，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

　　仿真與實驗結果表明,，采用交-直-交PWM驅動和最大轉矩/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)于直接轉矩控制，滿足推進電動機低轉速,、大轉矩,、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,。