基于DSP的小型船舶直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊立宏

(中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山528436)

0 引 言

由于永磁技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP 微處理器技術(shù)有很大突破，功率器件的開關(guān)速度和容量越來越好，功率器件MOSFET 以及IGBT 使得無刷直流電機(jī)(BLDCM)的驅(qū)動(dòng)功率越來越大、轉(zhuǎn)速越來越大、輸出轉(zhuǎn)矩不斷增大、整體性能越來越優(yōu)越。此外，隨著電子元器件的集成度越來越高和數(shù)字控制技術(shù)的不斷發(fā)展，全世界的科研人員對(duì)BLDCM 開展了大量研究，運(yùn)用復(fù)雜的控制算法實(shí)現(xiàn)BLDCM 的高性能控制，使其在電力推進(jìn)船舶中實(shí)現(xiàn)價(jià)值［1］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直流無刷電機(jī)的系統(tǒng)組成如圖1 所示，主要包括電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器、逆變器、控制器等，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。由于本文所涉及的是大功率的直流無刷電機(jī)，如果直流電源不是來自船舶電網(wǎng)，而是由串并聯(lián)組成的蓄電池網(wǎng)絡(luò)供電，對(duì)每個(gè)蓄電池單體選型要求就要比正常情況下要嚴(yán)格的多。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 Components of system

BLDCM 的本體一般都由定子、轉(zhuǎn)子、位置傳感器構(gòu)成。其中定子繞組一般為多組，能夠輸出多相電壓，位置傳感器的功能是實(shí)時(shí)采樣轉(zhuǎn)子的位置，并把位置信息反饋回去，形成偏差信號(hào)，從而調(diào)制出PWM 信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件、提供換相信號(hào)，也就是把轉(zhuǎn)子的位置信息變換成控制器可以處理的電信號(hào)后，再控制定子繞組上的輸出電壓進(jìn)行換相。位置傳感器有許多種，每一種傳感器都有其各自的特性，常見的一般包括電磁傳感器、光電傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。逆變器的主要任務(wù)是把位置傳感器的反饋回來的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行處理后直接驅(qū)動(dòng)功率管，從而控制功率管的飽和導(dǎo)通和截止斷開，從而實(shí)現(xiàn)把直流電能逆變成交流電能，使得電機(jī)可以一直進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

本文所設(shè)計(jì)的逆變器采用三相逆變器，功率管開關(guān)方式為兩相導(dǎo)通的星型，總共含有6 個(gè)狀態(tài)。BLDCM 的系統(tǒng)原理如圖2 所示，三相全控橋分別為A 相、B 相、C 相，對(duì)應(yīng)的電機(jī)本體上也有3 對(duì)定子繞組，三相定子繞組的連接方式為Y 形，其中繞組的一端都分別連接到逆變器的3 條橋壁的中點(diǎn)。三相逆變器總共包括6 個(gè)功率管，組成3 條橋壁，每條橋壁包括上橋壁和下橋臂2 個(gè)功率管。位置傳感器為光電傳感器，結(jié)構(gòu)比較清晰、成本低廉、占空間體積小、便于安裝等優(yōu)勢(shì)，光電傳感器輸出3 路正交信號(hào)A，B，Z，通過對(duì)這3 路信號(hào)進(jìn)行分析可以判斷轉(zhuǎn)子的速度和位置。以DSP 為核心的控制器對(duì)反饋的位置信號(hào)和速度信號(hào)進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)6 個(gè)功率管的開關(guān)控制，讓直流無刷電機(jī)進(jìn)行換相，最終輸出三相的交流方波來驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作［2］。

圖2 BLDCM 的系統(tǒng)原理示意圖Fig.2 System schematic diagram of BLDCM

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3 所示，硬件系統(tǒng)組成主要由以DSP 為核心的主控模塊、外圍接口模塊、通信模塊、逆變模塊等構(gòu)成，此外還包括CAN 總線接口、串口、仿真接口等。以往為控制器主要使用模擬信號(hào)院隊(duì)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，驅(qū)動(dòng)控制模塊都使用模擬電子元器件。隨著科技的不斷發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器(簡(jiǎn)稱DSP)的性能逐步提升，完全取代了以前的模擬信號(hào)分析裝置的位置。DSP 更能符合應(yīng)用的需求，運(yùn)用非常靈活，能夠進(jìn)行準(zhǔn)確控制、具有很好的抗干擾能力、處理數(shù)據(jù)的能力強(qiáng)和效率高以及工作非?？煽浚捎贐LDCM 的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)比較復(fù)雜，會(huì)使用到比較復(fù)雜的算法，而DSP 恰好滿足要求。只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的編程，采用對(duì)應(yīng)的控制算法，就能對(duì)電機(jī)硬性完美的控制。

圖3 硬件系統(tǒng)組成Fig.3 Components of hardware system

目前，DSP 的品種繁多，其選型至關(guān)重要。DSP 經(jīng)過綜合考慮，本文最終采用TI 公司的TMS320C2000 系列的芯片，因?yàn)榇暗墓ぷ鳝h(huán)境比較惡例，工況比較多，控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，此款芯片可以把所有復(fù)雜的數(shù)字控制算法都做到一個(gè)體積很小的芯片里，其很強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析能力和控制效果使得其在船舶推進(jìn)電機(jī)中凸顯出來。如DSP 芯片28335 除了具備以上優(yōu)點(diǎn)之外，它的內(nèi)核有浮點(diǎn)處理模塊，使得復(fù)雜的控制算法能夠輕松實(shí)現(xiàn)。通過結(jié)合船舶電力推進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用背景，本文最終選擇28335 作為直流無刷電機(jī)的主控制器。

此款DSP 的脈沖寬度調(diào)制模塊包括6 個(gè)子功能模塊，并且一個(gè)通道能夠輸出2 路PWM 調(diào)制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器中逆變?nèi)珮虬? 個(gè)功率管，任何一個(gè)橋臂上的上橋臂功率管和下橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都互補(bǔ)，即上橋臂的開關(guān)狀態(tài)為1，對(duì)應(yīng)的下橋臂的開關(guān)狀態(tài)必須為0，必須杜絕短路事故的發(fā)生。DSP 引腳的電流輸出能力很弱，一般情況下不能夠直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，因此輸出的脈沖信號(hào)都要通過驅(qū)動(dòng)電路把其進(jìn)行放大，才能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，本文最終選擇的驅(qū)動(dòng)芯片為通用的功率管驅(qū)動(dòng)芯片74HC245。

IPM 是目前使用比較方便的一種集成功率模塊，它把電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主控系統(tǒng)集成在一起，能夠給電機(jī)進(jìn)行智能供電，具有使用方便、大大縮短電機(jī)控制器產(chǎn)品的研發(fā)周期的優(yōu)點(diǎn)，把電機(jī)功率模塊、控制模塊以及各種保護(hù)模塊都集成在一起，不但結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而且成本比較低廉，此外電機(jī)控制器的整體性能得到了很強(qiáng)的提升，綜合考慮，逆變電路采用集成芯片，其主要IR2264 和功率MOS 管IRF3206 組成。

二極管分別與電容構(gòu)成三路斬波電路進(jìn)行升壓，二極管的作用是避免電流反過來流，因?yàn)殡姍C(jī)既是電動(dòng)機(jī)也是發(fā)電機(jī)，電容的作用是把電能進(jìn)行存儲(chǔ)，在輸出的PWM 信號(hào)的頻率比較大的情況下，升壓電路的最終輸出電壓為輸入電路兩端的電壓和電容兩端的電壓之和，從而把輸入電壓進(jìn)行提升。升壓電路的作用是把輸入電壓進(jìn)行放大后傳遞給驅(qū)動(dòng)芯片，使其能夠非常穩(wěn)定地控制功率開關(guān)器件工作。六路PWM 信號(hào)分別輸出到三相逆變電路中的功率MOS 管的柵極。其中每相都由2 個(gè)功率管進(jìn)行控制，功率管輸出信號(hào)與輸入信號(hào)是反向的，從以上分析可以得出DSP 引腳輸出的六路PWM 信號(hào)需要通過許多電路的分析和處理后，最終才能驅(qū)動(dòng)功率管［3］。

DSP 包含6 個(gè)加強(qiáng)的捕捉模塊，每個(gè)捕捉模塊都包括一個(gè)以時(shí)間為基準(zhǔn)的計(jì)數(shù)器，4 個(gè)以時(shí)間為標(biāo)簽的捕捉寄存器，4 個(gè)狀態(tài)排序器，他們都能夠單獨(dú)實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)的捕捉功能。直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)首先要對(duì)3 個(gè)定子繞組上的定子電流和位置傳感器的信號(hào)進(jìn)行采樣反饋，然后交給DSP 去處理。DSP 可以提供2 個(gè)八通道的A/D 轉(zhuǎn)換模塊。此外，直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)要對(duì)定子電流、直流總線電壓以及總線電流進(jìn)行采樣，檢測(cè)三相定子電流用來分析輸出的轉(zhuǎn)矩，并對(duì)其進(jìn)行控制，直流總線電壓采樣電路和直流總線電流采樣電路的作用是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。一旦發(fā)生總線電流過大、總線電壓過高以及電壓不夠的情況，就立馬將電源進(jìn)行斷開操作。

本文亦使用線性的ABS154 電流傳感器來進(jìn)行電流檢測(cè)。ABS154 為一種線性度很高的一款電流傳感器，它的內(nèi)部包括準(zhǔn)確的低偏移的霍爾傳感器模塊，可以把和采樣的交直流按照一定的比例進(jìn)行輸出，有點(diǎn)包括電磁噪聲非常低、響應(yīng)速度非常迅速、轉(zhuǎn)換精度高、能夠隔離的電壓很大、便于運(yùn)用等。如果需要和上位機(jī)進(jìn)行通信，需要把DSP 上的SCI接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后才能和上位機(jī)上的RS232 接口進(jìn)行通信。多機(jī)通信通過CAN 總線接口，用于多個(gè)推進(jìn)電機(jī)之間的通信，比如同步、協(xié)調(diào)等［4］。RTC時(shí)鐘模塊，提供整個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)序，類似于一個(gè)時(shí)間，每個(gè)單位時(shí)間內(nèi)改執(zhí)行什么操作，從而使得整個(gè)系統(tǒng)按部就班進(jìn)行運(yùn)作。LCD 顯示器是把需要監(jiān)控的參數(shù)進(jìn)行顯示，便于操作人員進(jìn)行操作，是一種可視化的人機(jī)界面。鍵盤控制模塊是一種輸入設(shè)備，操作人員可以把信息通過此輸入進(jìn)去。FLASH 靜態(tài)存儲(chǔ)器是對(duì)DSP 內(nèi)部存儲(chǔ)器容量的一種擴(kuò)充，使得數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)有更多的空間。外部中斷模塊是對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)中斷，它跟普通輸入和輸出引腳的主要區(qū)別在于其響應(yīng)速度非?？?，甚至可以忽略掉響應(yīng)時(shí)間。其中，鍵盤控制模塊和液晶顯示模塊都是CPLD 實(shí)現(xiàn)與DSP 通訊的，F(xiàn)LASH 靜態(tài)存儲(chǔ)器是直接通過DSP 的EMIF 與DSP 實(shí)現(xiàn)通信的，CAN 總線接口是通過eCAN 來實(shí)現(xiàn)通信的。RTC 時(shí)鐘模塊是通過I2C 總線接口來實(shí)現(xiàn)通信的。DSP 內(nèi)置了PWM 模塊，能夠直接輸出PWM 信號(hào)，PWM信號(hào)首先利用光耦進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離，然后傳遞給功率管的驅(qū)動(dòng)芯片，最終驅(qū)動(dòng)功率管進(jìn)行工作。值得注意的一點(diǎn)是，IPM 模塊必須與電機(jī)的負(fù)載進(jìn)行匹配，因?yàn)榇霸诤Ｉ虾叫袝r(shí)，工況特別多，電機(jī)的負(fù)載會(huì)隨著天氣的變化而變化。數(shù)字信號(hào)控制器作為直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的控制核心，集中管理協(xié)調(diào)各個(gè)模塊工作，它能夠在很短的時(shí)間內(nèi)快速地處理大量的信息，功能非常強(qiáng)大，能夠滿足電機(jī)控制的要求。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)不僅要負(fù)責(zé)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)工作，還要完成所有輔助工作，比如和上位機(jī)之間通信，電機(jī)工作過程中所有參數(shù)的監(jiān)控等。此外，還包括控制器在突發(fā)狀況下能夠主動(dòng)做出判斷并進(jìn)行正確的處理，避免整個(gè)直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)不能正常工作。

考慮到船舶上推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)對(duì)程序的以上所述的要求，本文提出了一種建立以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的多個(gè)任務(wù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也就是把實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)接到控制系統(tǒng)里面，并把其建設(shè)成軟件的編寫流程，把電機(jī)的控制系統(tǒng)里所有需要采樣的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，然后采用算法進(jìn)行計(jì)算，并通過DSP 輸出的脈沖信號(hào)對(duì)功率管進(jìn)行控制。

為了滿足船舶推進(jìn)電機(jī)的要求，把直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)植入現(xiàn)代流行的控制算法，具體過程如下所述:把模糊PID 算法依據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速大小和傳感器反饋回來的實(shí)際轉(zhuǎn)速的偏差和變化速率進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，模糊PID 算法在DSP 中實(shí)現(xiàn)，然后控制引腳輸出PWM 控制信號(hào)，并通過采樣的每相定子電流信號(hào)和定子的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)來對(duì)直流無刷電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)過程需要進(jìn)行查表，然后通過數(shù)字信號(hào)處理器DSP 去控制6個(gè)功率MOS 管進(jìn)行開關(guān)操作。通過以上對(duì)直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的分析，軟件系統(tǒng)包括:

1)啟動(dòng)操作。這由操作系統(tǒng)決定。

2)與上位進(jìn)行通信。把直流無刷電機(jī)的實(shí)際狀況的信號(hào)反饋給DSP，DSP 再把信息傳達(dá)給上位機(jī)，最后上位機(jī)根據(jù)此信息再下達(dá)響應(yīng)的控制命令，包括改變船舶的行駛方向、航行速度、船舶的啟動(dòng)與停止等。

3)鍵盤的輸入操作和液晶顯示操作。不能和上位機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，對(duì)直流無刷推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并顯示。

4)模糊PID 算法的操作。通過速度偏差和速度的變化率進(jìn)行模糊PID 控制，輸出脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以數(shù)字信號(hào)處理器DSP 為控制核心的控制板和以功率開關(guān)管MOS 管為驅(qū)動(dòng)核心的驅(qū)動(dòng)板共同構(gòu)成的硬件實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示。程序的編寫平臺(tái)是在德州儀器公司出品的CCS 軟件開發(fā)平臺(tái)，其不僅給出了配置功能，還提供了對(duì)所編寫程序進(jìn)行分析的工具，軟件編寫人員可以很方便地DSP 的程序進(jìn)行開發(fā)、軟件調(diào)試、在線調(diào)試等，大大縮短了開發(fā)周期。實(shí)驗(yàn)裝置的目的是檢測(cè)本文所涉及的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)的要求［5］。

圖4 硬件實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Hardware experimental device

在電流環(huán)和速度環(huán)的2 個(gè)閉合回路中都應(yīng)用模糊PID 算法對(duì)速度偏差和轉(zhuǎn)矩偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，PID 算法是最經(jīng)典的控制算法，需要對(duì)它的比例系數(shù)、積分系數(shù)以及微分系數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的選取，需要通過大量的實(shí)驗(yàn)，但與模糊算法之后，可以在線對(duì)這3 個(gè)系數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，最后確定比例系數(shù)為0. 4、積分系數(shù)為0. 12、微分系數(shù)為0. 19，直流無刷推進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩曲線如圖5 和圖6 所示，其中圖5 為負(fù)載發(fā)生變化情況下的直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)曲線，圖6 為負(fù)載發(fā)生變化情況下的直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)曲線，可以看出，整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能良好，響應(yīng)時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)誤差很小，一個(gè)參數(shù)變化時(shí)，另一個(gè)參數(shù)能夠很快恢復(fù)正常。

圖5 負(fù)載變化時(shí)，電機(jī)的響應(yīng)曲線Fig.5 Response curve of the motor when load changes

圖6 速度變化時(shí)，電機(jī)的響應(yīng)曲線Fig.6 Response curve of the motor when speed changes

5 結(jié) 語

DSP 的運(yùn)算能力比較強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，因此本文通過DSP 運(yùn)用模糊PID 算法來控制無刷直流電機(jī)，對(duì)高性能的推進(jìn)電機(jī)在電力推進(jìn)船舶中的應(yīng)用進(jìn)行探索。實(shí)驗(yàn)證明，基于DSP 的PID 算法在小型船舶直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)中的實(shí)際運(yùn)行效果良好，能夠提高電機(jī)性能，能夠輸出更優(yōu)越的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

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