小型船舶直流無刷推進(jìn)器控制系統(tǒng)

韓俊青

(德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 德州253000)

0 引 言

近幾年，隨著我國海洋開發(fā)的深入，政府對海洋環(huán)境的關(guān)注也越來越多。2011年3月出臺的國家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃中，多次強(qiáng)調(diào)了對海洋環(huán)境的保護(hù)。同年5月11日我國發(fā)布了首個國家海洋發(fā)展報告，以2009年為例，詳細(xì)介紹了我國近岸海域總體污染的情況。5月24日，國家海洋局又宣布將新建5個國家級海洋特別保護(hù)區(qū)，這些都表明我國對海洋環(huán)境保護(hù)的重視。

現(xiàn)有小型交通船大多采用柴油機(jī)作為動力，而柴油機(jī)在運(yùn)行中由于機(jī)械部件不斷振動會產(chǎn)生巨大的噪聲，同時由于柴油燃燒不充分會產(chǎn)生大量的廢氣，這些都對海洋環(huán)境造成污染。而電力推進(jìn)船舶不能進(jìn)入民用市場的真正原因是由于造價高，亟需性能可靠但價格低廉的推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，無刷直流推進(jìn)電機(jī)正好能夠滿足現(xiàn)實(shí)要求［1］。

1 推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

電機(jī)驅(qū)動模塊是電力推進(jìn)船舶的核心部分，其主要作用是接受來自駕駛室操縱人員的控制信號。主要功能包括:

1)電機(jī)驅(qū)動模塊根據(jù)控制信號調(diào)整推進(jìn)電機(jī)的實(shí)時工作狀態(tài)，十分高效地將高能蓄電池所儲存的電能轉(zhuǎn)化為推進(jìn)電機(jī)輸出的機(jī)械能。

2)實(shí)時監(jiān)測推進(jìn)電機(jī)和自身的工作狀態(tài)。當(dāng)工作不正常時，報警模塊和顯示模塊會做出對應(yīng)的顯示和提醒。其硬件整體框架如圖1所示，其主要包含DSP 主控電路模塊、主功率逆變橋電路模塊和外圍接口電路模塊。

圖1 硬件整體框架Fig.1 Hardware overall framework

主控器選擇TI 公司的高速芯片DSP，基本的外圍接口電路用于實(shí)現(xiàn)信號的輸入和輸出，此外還包括通訊接口?？刂菩酒珼SP 對采集的模擬信號進(jìn)行處理后輸出相應(yīng)的控制信號，控制信號通過輸出接口對功率器件進(jìn)行PWM控制，可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制［2］。

2 電源電路設(shè)計

電源電路是直流無刷推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)直接影響到整個控制系統(tǒng)的性能，因此將進(jìn)行充分討論。推進(jìn)系統(tǒng)的能量來源是動力蓄電池。本方案的供電模塊采用隔離多副邊高頻變壓器DC/DC 變換，將高壓轉(zhuǎn)換為低壓5 V，12 V，15 V 輸出給系統(tǒng)供電，以減少主功率變換回路的電磁干擾和緩沖一些高電壓、大電流的能量沖擊，此模塊采用兼容性比較好的電源芯片UC2842B 來實(shí)現(xiàn)。此外，為了最大限度地降低動力電源對低壓控制系統(tǒng)的影響甚至損壞，需要將控制系統(tǒng)的電源部分與動力電源進(jìn)行有效隔開，功率回路的監(jiān)控信號和測量信號則通過耦合電路進(jìn)行信號隔離后再傳輸［3］。

本控制系統(tǒng)中包含有許多數(shù)字信號和模擬信號，為減小模擬線路和數(shù)字線路之間的干擾，不僅數(shù)字部分和模擬部分應(yīng)分別供電，而且控制系統(tǒng)中的數(shù)字地和模擬地也應(yīng)分開，最后再通過單點(diǎn)連接的形式把模擬地和數(shù)字地匯總到一起。

TMS320F2802 主控電路及其外圍接口電路分別都需要多種電源輸入，12 V的直流電源給外圍接口電路和一些傳感器供電，5 V的直流電壓給主控模塊供電。DSP 正常工作時既需要給片上資源3.3 V 直流電源，也需要給內(nèi)核供電的1.8 V 直流電源。方案中選用REG1117 型號的電源芯片，最大輸出電流為800 mA，該芯片在瞬態(tài)響應(yīng)速度和輸出電壓質(zhì)量都比同類電源芯片要好。電源部分的電路如圖2所示。

其中電源芯片REG1117-3.3 是為TMS320F2802的片上資源提供能量，REG1117-1.8 是為TMS320F2802的內(nèi)核提供能量。還需要在輸出端都串有電感，電感量的取值在0.1 uH 左右，以降低互相的干擾，電源的輸出應(yīng)在模擬地和數(shù)字地之間用一個小電感相連，以降低模擬信號和數(shù)字信號之間的干擾。盡可能地保證主控芯片DSP 能夠輸出穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的控制信號。

圖2 電源電路Fig.2 Power circuit

3 元器件的布局設(shè)計

控制電路板上元器件的布局設(shè)計非常重要。在進(jìn)行元器件布局時，需要將功率層和控制層布在不同的層面上，可以按照2 層結(jié)構(gòu)進(jìn)行PCB 設(shè)計，這樣做可以確保各個層之間不會產(chǎn)生干擾和控制器在正常工作時能夠具有良好的抗震性能。上層主要放置有加速踏板輸入模塊、通訊接口模塊，DSP 芯片、采集外部開關(guān)量信號模塊、功率管驅(qū)動模塊、輸入電源模塊、所有的電容器件、傳感器輸入模塊等。下層主要放置功率器件，并以導(dǎo)熱硅膠耦合的方式與散熱器進(jìn)行散熱。

此外，當(dāng)電機(jī)啟動時，瞬間的電流值會非常大，會超過蓄電池的最大放電電流，因此需要在瞬間啟動過程中，在中間層上面并聯(lián)許多大電容，讓這些電容參與放電以彌補(bǔ)蓄電池的缺陷。根據(jù)控制器所需要的供電直流電壓為72 V，選用標(biāo)稱容量值為330 uF，耐壓值為100 V 為電容。底層功率逆變橋上的功率管都選擇表貼式封裝，這樣便可以貼在PCB 上，由于功率管上走的電流很大，因此PCB的厚度要保持一定的余量，方案中的厚度為5 盎司。為了便于MOS 管散熱，通過PCB 與鋁基板之間設(shè)計導(dǎo)熱絕緣層把熱量傳遞給鋁基板，鋁基板用導(dǎo)熱硅膠與外部散熱片耦合，產(chǎn)生的熱量最終通過散熱片進(jìn)行散熱。

圖3 元器件的布局Fig.3 Layout of components

元器件采用這種布局方式不僅結(jié)構(gòu)看上去很清晰，而且非常便于進(jìn)行PCB 測試和排查故障。整體分局分為2 層，當(dāng)其中一層損壞時，可以根據(jù)兼容的模塊直接更換，十分方便。

4 軟件設(shè)計

小型船舶直流無刷電機(jī)控制器的智能化程度比起硬件來更取決于軟件的設(shè)計合理性，船舶在正常航行時會遇到各種復(fù)雜多變的惡劣環(huán)境。要當(dāng)操縱人員發(fā)出指令信號后，控制器根據(jù)船舶的環(huán)境狀態(tài)對船舶所有部件發(fā)送控制信號，還要對功率逆變橋模塊發(fā)送控制信號以優(yōu)化電機(jī)性能。通過檢測操縱人員發(fā)出的控制信號和加速踏板的控制信號，并采集定子電流信號、轉(zhuǎn)子位置信號以及一些外部信號等。利用DSP 處理數(shù)據(jù)的高效性能處理這些信號后輸出供電電流，從而對電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時控制。軟件的設(shè)計應(yīng)力求高效，以縮短處理的時間。

為了便于調(diào)試，在進(jìn)行軟件設(shè)計時，采用模塊化方法。整個軟件主要包括主程序和中斷子程序。主程序里主要包括系統(tǒng)的初始化程序、外部信號的檢測程序、產(chǎn)生PWM 程序等。中斷子程序主要負(fù)責(zé)對中斷事件進(jìn)行響應(yīng)，并及時處理中斷事件以達(dá)到控制滿足控制系統(tǒng)的實(shí)時性。

圖4 為軟件設(shè)計流程圖，系統(tǒng)啟動后首先進(jìn)行初始化處理。初始化程序包括通過各個傳感器采集當(dāng)前的工作參數(shù)和內(nèi)部系統(tǒng)的檢測程序，它能夠保證信號采集工作的正常進(jìn)行。中斷服務(wù)子程序包含情況如下:

1)采集推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號，為功率器件的換相時間提供依據(jù);

2)采集船舶的方向信號，為船舶的航行方向提供依據(jù);

3)采集加速踏板的控制信號，為電機(jī)轉(zhuǎn)速的輸出提供依據(jù)。

圖4 軟件設(shè)計流程圖Fig.4 Flow chart of software design

船舶在正常航行時，采用某一控制策略，控制器對操控員輸入指令進(jìn)行處理后，輸出電機(jī)的控制信號［4］。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)測試的目的是調(diào)試各種參數(shù)使其滿足船舶電力推進(jìn)的要求，使其能夠長時間地在海洋中各種復(fù)雜多變的環(huán)境中穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。因此，超負(fù)荷工作測試和海上實(shí)船試航是船舶推進(jìn)系統(tǒng)測試中至關(guān)重要的2 道流程。

測試硬件系統(tǒng)如圖5所示。硬件系統(tǒng)包括控制器、直流屏、輸出電壓為72 V、容量為140 A的蓄電池組、功率為7.5 kW的無刷直流電機(jī)、熱溫槍、鉗形表等。

其中直流屏信息為:供電電壓380 V，輸入電流0～150 A，輸出電壓為12～120 V，輸出電流0～200 A。蓄電池組信息為:已注水的鉛酸蓄電池，采用輸出電壓為12 V、容量為140 AH 相同參數(shù)的6個蓄電池串聯(lián)而成。

圖5 測試硬件系統(tǒng)Fig.5 Test hardware system

圖5 中包含有2個控制器，其中一個控制器作為推進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，輸入直流電源經(jīng)直流屏連接到此控制器，控制器輸出三相電源驅(qū)動7.5 kW的無刷直流推進(jìn)電機(jī);另一個控制器的電源由蓄電池直接供電，控制器的3個接線端子分別和另一個7.5 kW的無刷直流電機(jī)的輸入相連接，代替推進(jìn)電機(jī)的負(fù)載。

5.1 能量回饋實(shí)驗(yàn)

電機(jī)驅(qū)動器控制推進(jìn)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，帶動另一臺相當(dāng)于發(fā)電機(jī)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)負(fù)載控制器只需要開啟信號，相當(dāng)于逆流或制動航行過程。通過測量流進(jìn)蓄電池的總電流，發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電流大小保持遞增關(guān)系，可以達(dá)到能量回饋目的［5］。

5.2 高溫實(shí)驗(yàn)

溫度的升高對控制器性能參數(shù)影響很大，可能會破壞其工作的穩(wěn)定性甚至徹底損壞控制器?？刂破餍枰诟邷丨h(huán)境中超負(fù)荷工作一段時間，用阻值為0.2 Ω的純電阻負(fù)載代替電機(jī)的負(fù)載，負(fù)載如圖5所示。把電阻分別接到U 相和V 相之間以及V 相和W 相之間，然后進(jìn)行過流測試。在20～25 kW的靜態(tài)功率下測試功率器件在超過額定功率時的極限實(shí)驗(yàn)，檢測其是否具有過載能力。測試電力場效應(yīng)功率管的耐受時間和溫升狀況，進(jìn)而推斷出控制器在額定功率下的穩(wěn)定性能。此外，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，溫度保護(hù)功能以及長時間過流過載保護(hù)功能等必須關(guān)閉，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表1 過載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.1 Overload experimental data table

由表1 可得出，在大電流下進(jìn)行系統(tǒng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)時，溫升和電流都滿足電力推進(jìn)船舶的實(shí)際應(yīng)用需求，具有可靠的熱穩(wěn)定性能。

整個實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時間為60 min，船艙內(nèi)溫度為30℃，控制器中散熱器的溫度保持在51℃左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:控制器的散熱效果很好，功率開關(guān)器件等電子元器件工作正常，沒有受到功率器件等大量發(fā)熱的干擾。控制器的開蓋測試是在環(huán)境溫度為55.4℃的條件下。

5.3 海上試航實(shí)驗(yàn)

海上試航實(shí)驗(yàn)主要測試電機(jī)的定子電流的變化、推進(jìn)電機(jī)的控制器性能以及適應(yīng)性能，為接下來的多次控制器的優(yōu)化參數(shù)提供依據(jù)。實(shí)際裝船測試的船體為最常見的普通漁船，船體和蓄電池的重量為1.2 t，推進(jìn)電機(jī)為定制的7.5 kW的無刷直流推進(jìn)電機(jī)，最大載重可以達(dá)到300 kg，蓄電池的輸出電壓可達(dá)到72 V、容量為280 AH的動力鉛酸蓄電池。測試時間在上午，測試環(huán)境為風(fēng)平浪靜的海面，船艙外的測試溫度在20℃左右。

動態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面:當(dāng)扳動前進(jìn)擋位并踩下油門進(jìn)行啟動時，無刷直流推進(jìn)電機(jī)的過載能力非常好。當(dāng)進(jìn)行連續(xù)加速并達(dá)到最大速度79 km/h，響應(yīng)時間只有20.8 s。當(dāng)載3個成人時，可以以1.5 km/h的速度前行，航行距離達(dá)到4 km 時才進(jìn)行溫度報警。當(dāng)把蓄電池組充滿電時，在裝載20個人并進(jìn)行變速航行的條件下進(jìn)行測試，續(xù)航的總距離可以達(dá)到200 km。在進(jìn)行推進(jìn)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)時，拉起剎車，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，此時打開總電源，扳動前進(jìn)擋位，踩下腳踏板進(jìn)行緩慢加速，電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。接著扳動檔位至后退擋，踩下腳踏板進(jìn)行緩慢加速，電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。兩次測量的的堵轉(zhuǎn)電流都在360 A 左右，持續(xù)20 min 后，測量控制器的散熱鋁基板溫度約為48℃。再運(yùn)行5 min 后，控制器開始溫度報警。經(jīng)過在實(shí)驗(yàn)室的靜態(tài)測試和海上試航試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)都可以滿足電力推進(jìn)船舶的需求，可以進(jìn)行推廣應(yīng)用。

6 結(jié) 語

本設(shè)計以德州儀器公司型號為TMS320F2802的DSP控制器為主控制器，以大功率場效應(yīng)管為功率器件組成逆變器，完成了小型船舶直流無刷推進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。其中，DSP 芯片的選擇至關(guān)重要，利用它高效的數(shù)據(jù)處理性能，才使得電機(jī)的控制性能保持良好。最后，關(guān)于大功率的無刷直流推進(jìn)電機(jī)控制器還需要進(jìn)行性能改進(jìn)，例如電磁兼容性的設(shè)計、控制算法的優(yōu)化以及無位置傳感器、整體的PCB 布局及散熱處理等都值得科研人員在今后進(jìn)行更深入地研究。

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