船用推進變頻器矢量控制的研究

康樂， 李帆， 劉忠舉

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

船用推進變頻器矢量控制的研究

康樂， 李帆， 劉忠舉

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文對船用推進變頻器矢量控制的原理進行了分析，給出了以數(shù)字信號處理器為核心的異步電機矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計方法及軟硬件的實現(xiàn)，同時還對空間矢量脈寬調(diào)制方式進行了理論分析。仿真和實驗結(jié)果證明其有效性。

矢量控制 數(shù)字信號處理器 空間矢量脈寬調(diào)制

0 引言

船舶采用異步電機調(diào)速系統(tǒng)作為推進動力已有近百年歷史，隨著發(fā)電系統(tǒng)和變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，使得交流調(diào)速技術(shù)已逐步應(yīng)用到各種船舶推進系統(tǒng)及近海設(shè)備中。以高功率密度電機、新型電力電子裝置、吊艙技術(shù)等高新技術(shù)為核心的全新驅(qū)動設(shè)計大大提高了艦船的可靠性和使用周期，并呈現(xiàn)出低成本、低維護費用等趨勢，已成為21世紀海洋船舶技術(shù)裝備的重要發(fā)展方向[1]。

產(chǎn)生于20世紀70年代的矢量控制理論是一種高性能的交流電機控制技術(shù)，后被應(yīng)用于各種電機的控制中。脈沖寬度調(diào)制作為電力電子逆變技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，常用的方法有基于三角波與正弦波比較的電壓脈寬調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM）以及將三相系統(tǒng)作為一個整體考慮的空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation,SVPWM)[2]。

1 矢量控制原理及空間矢量脈寬調(diào)制

1.1 矢量控制原理

設(shè)電動機的電流為對稱的三相正弦波電流，忽略電機鐵心的飽和，不計電機中的渦流和磁滯損耗。由此得到異步電機的數(shù)學(xué)模型為

在磁場定向矢量控制系統(tǒng)中，一般把d-q坐標(biāo)系放在同步旋轉(zhuǎn)磁場上，把靜止坐標(biāo)系中的各交流量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，并使d軸與轉(zhuǎn)子磁場方向重合，此時轉(zhuǎn)子磁通q軸分量為零。省去推導(dǎo)過程，得到轉(zhuǎn)子磁通定向矢量控制方程式：

1.2 空間矢量調(diào)制方式

經(jīng)典的SPWM控制主要著眼于使逆變器輸出電壓盡量接近正弦波，也就是希望輸出的PWM電壓波形的基波成分盡量大，諧波成分盡量小，然而交流電機需要輸入三相正弦電流的目的是在空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。SVPWM控制方法將逆變器和被控交流電機視為一個整體，從電機的角度出發(fā)，是電機產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。由于磁鏈的軌跡是靠不同的電壓空間矢量相加得到的，而不同的電壓空間矢量對應(yīng)于不同的變頻器開關(guān)模式，所以通過選擇變頻器的不同開關(guān)模式，使電機的實際磁鏈盡可能接近理想磁鏈圓[2]。

三相電壓型變換器輸出的合成電壓空間矢量表達式如下式（13）所示：

三相電壓型變換器中6個開關(guān)管有8種允許的開關(guān)組合，假設(shè)開關(guān)管導(dǎo)通用“1”表示，關(guān)斷用“0”表示，并依a,b,c相序排列。則這8種工作狀態(tài)可相應(yīng)表示為U1(000),U2(010),U3(011),U4(100),U5(101),U6(110),U7(111)與U0(000)。根據(jù)電機模型，這8種狀態(tài)可以用圖1所示矢量關(guān)系表示，U1-U6是6個非零矢量，U0,U7是2個位于原點的零矢量。SVPWM的目的就是通過控制這6個開關(guān)器件的8中工作狀態(tài)來是實現(xiàn)任意時刻電機工作所需的電壓矢量Us[4].

2 變頻器矢量控制的硬件實現(xiàn)

推進變頻器采用主回路為電壓型的“交-直-交”變頻結(jié)構(gòu)，如圖2所示，主要由12脈波整流電路、逆變電路、輸出濾波電路、軟啟動電路及能耗制動電路組成。控制電路以DSP為核心，采用電壓空間矢量算法生成PWM波形。檢測電路包括電流檢測單元、直流電壓檢測單元和轉(zhuǎn)速檢測單元，DSP控制電機轉(zhuǎn)速采樣并計算電機轉(zhuǎn)速和位置，最后運用矢量算法得到電壓空間矢量脈寬調(diào)制的信號，輸出PWM波形，經(jīng)過光耦隔離驅(qū)動保護電路輸送給逆變器的功率開關(guān)器件驅(qū)動異步電機[5]。

為實現(xiàn)以上功能，推進變頻器硬件回路主要有電源板、CPU板(DSP處理器)、調(diào)理板、IO板和光纖板組成。電源板將電源板將外部輸入的+24 VDC經(jīng)DC/DC變換為各電路板所需的+15 VDC、-15 VDC、+5 VDC電源。CPU板是控制硬件的核心部分，由DSP（TMS320F2812）、CPLD以及一些外圍擴展電路組成。可實現(xiàn)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等復(fù)雜的控制算法運算、生成PWM信號、信號采集、系統(tǒng)保護、電機位置及速度檢測、與上位機通訊等功能。信號調(diào)理板完成電壓、電流信號的檢測、故障判斷及報警功能，將調(diào)理后的數(shù)送至CPU板的外部ADC進行采樣，并通過總線將故障信息傳送至CPU板。IO板通過總線與CPU板連接，完成開關(guān)量狀態(tài)的檢測及輸出斷路器的控制，同時實現(xiàn)增量式編碼器的轉(zhuǎn)速測量。光纖驅(qū)動板主要實現(xiàn)PWM驅(qū)動信號的光電轉(zhuǎn)換、開關(guān)器件反饋信號的檢測與判斷等功能。

3 變頻器矢量控制的軟件實現(xiàn)

推進變頻器矢量控制的軟件系統(tǒng)控制基于前文所述的硬件平臺，其主要功能為實現(xiàn)電機的調(diào)速控制，并同時實現(xiàn)監(jiān)測、保護、控制、事故分析、事件記錄、調(diào)試與軟件升級等。控制軟件由DSP軟件，PLC軟件，面板操作軟件組成?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3.1 DSP控制軟件

DSP控制軟件是電機矢量控制的核心算法。DSP控制單元軟件主要完成控制指令的接收，控制對象參數(shù)以及控制軟件的調(diào)節(jié)參數(shù)的接收，根據(jù)接收到的給定轉(zhuǎn)速或者給定功率，相應(yīng)的選擇轉(zhuǎn)速控制模式或者功率控制模式，采樣實際轉(zhuǎn)速與輸出電流，經(jīng)過電機矢量控制，實現(xiàn)三相逆變橋臂的PWM輸出，達到電機轉(zhuǎn)速或者功率的精確控制；并傳送變頻器的運行參數(shù)（電壓,電流，實際轉(zhuǎn)速，功率，功率因數(shù)等）與變頻器發(fā)生故障時的故障信息到集控臺顯示，通過通訊采集柜體控制單元信息做集中協(xié)調(diào)控制處理。DSP控制系統(tǒng)主要有以下幾個基本環(huán)節(jié)組成：

1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié) 對于轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，一般都有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，其輸入為給定值，輸出為轉(zhuǎn)矩給定值或轉(zhuǎn)矩電流給定值。

2）磁鏈與轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié) 磁鏈調(diào)節(jié)器的輸入為給定值或一個由轉(zhuǎn)速決定的函數(shù)，輸出為電流量或電壓量。由于異步電機可以根據(jù)不同的運行點調(diào)整相應(yīng)的磁通大小，比如在恒功率狀態(tài)下，通過減小磁通可以達到提升轉(zhuǎn)速，從而擴大運行范圍的目的，也就是“弱磁升速”；而在低速時，則可以使電機工作在過飽和狀態(tài)來增強每安培電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，提高電機出力。

對于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，其輸入為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出值或給定值，輸出為電流量或電壓量。這兩個調(diào)節(jié)器是方便控制系統(tǒng)對電磁轉(zhuǎn)矩或電機磁場的控制。

3）電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié) 電流調(diào)節(jié)器的作用是根據(jù)離散控制選擇優(yōu)化的電壓矢量，以期實現(xiàn)定子電流的有效控制。在某些情況下，也可利用磁通調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出的電壓指令值加補償后直接形成優(yōu)化電壓矢量作用于變頻器。因此，電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的作用不僅是控制定子電流跟蹤所需要的電流指令，而是同時要考慮到各種調(diào)節(jié)方法的應(yīng)用是為了選擇合適的電壓矢量，進而對變頻器進行PWM控制，輸出優(yōu)化電壓。

4）磁通與轉(zhuǎn)矩觀測 轉(zhuǎn)矩和磁通控制的好壞很大程度上取決于轉(zhuǎn)矩和磁通的觀測是否準(zhǔn)確。轉(zhuǎn)矩的觀測值來源于磁通的觀測和定子電流值。因此磁通的觀測尤為重要。因此設(shè)計合理有效的磁通觀測器對以異步電機矢量控制有著極為重要的作用[3]。

以上幾個環(huán)節(jié)構(gòu)成矢量控制算法的核心組成部分，從程序流程和框架上又把控制程序主要分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、啟動停止等狀態(tài)指令查詢、顯示、參數(shù)讀取及處理等；中斷主要完成讀取AD采樣、轉(zhuǎn)矩磁力計算、扇區(qū)確定、PWM產(chǎn)生及發(fā)生故障時的封鎖等。

3.2 其它控制軟件

PLC軟件主要完成通訊工作與變頻器的外圍開關(guān)量控制，接收集控臺遙控控制指令并通過RS485轉(zhuǎn)發(fā)給DSP，接收來自DSP的變頻器運行參數(shù)和故障報警信息并轉(zhuǎn)發(fā)給集控臺以備顯示，根據(jù)DSP傳達的指令完成相應(yīng)階段的開關(guān)量操作，檢測到外部報警信息或者故障信息時發(fā)送信號到DSP與集控臺，采集外圍設(shè)備（如推進電機，變壓器等）的溫度信息并上傳集控臺。

面板主要完成就地操作的控制、變頻器參數(shù)上傳顯示與設(shè)置下載、運行信息監(jiān)控與報警故障定位。

4 仿真與試驗

根據(jù)以上矢量控制的原理進行了一系列的仿真和試驗，按圖1所示搭建實驗平臺，推進電機采用300 kW異步電機，負載為300 kW交流自勵同步發(fā)電機組，異步電機三角形形接法時額定電壓為380 V, 額定電流為526 A，本文對此異步電機采用了星形接法，則額定電壓為658 V, 額定電流為304 A。

用MATLAB仿真軟件進行仿真驗證上面理論。4.1提到的磁鏈觀測采用電壓模型, 載波頻率1 kHz。

5 結(jié)論

本文從異步電機矢量控制的數(shù)學(xué)模型和出發(fā)，采用空間矢量調(diào)制方式，對船用推進變頻器的矢量控制的控制系統(tǒng)進行了詳細的理論分析，最后通過仿真與試驗驗證了本文所采用的控制系統(tǒng)在異步電機控制中的正確性與有效性，為在船用推進變頻器上推廣和使用奠定了良好的理論和實踐基礎(chǔ)。

[1] C.G. Hodge, D. J. Mattick. The electric warship[J]. Transaction on International Marine Engineering, 108, part2, 1996:109-125.

[2] 任俊杰，劉彥呈等. 船用大功率永磁電機矢量控制方案的比較.電機與控制學(xué)報，2011，2（5）：32-37.

[3] 李永東. 交流電機數(shù)字控制系統(tǒng). 北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[4] 于國慶，張穎等. 基于DSP的異步電機SVPWM控制系統(tǒng)及優(yōu)化研究. 河北科技大學(xué)學(xué)報，2012，33（3）：258-262.

[5] 鮑秋燕，周濤. 基于TMS320F2812的船用異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng). 船電技術(shù)，2010，30（10）：20-24.

Research on Vector Control System for Marine Propulsion Converter

Kang Le ,Li Fan, Liu Zhongju
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

In this paper, the principles of vector control for marine propulsion converter are analyzed, the software and hardware design of vector control for asynchronous-motor are given based on DSP, and the basic principles of SVPWM are also presented. Some simulated and experimental results show that the proposed system is effective.

vector control; DSP; SVPWM

TM461

A

1003-4862（2014）03-0041-04

2013-05-17

康樂(1979-)，男，碩士。研究方向：電力電子技術(shù)。