船舶電力推進六相感應(yīng)電機控制系統(tǒng)設(shè)計

王五桂,張?zhí)m勇，陳輝煌

(1.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064; 2.哈爾濱工程大學, 哈爾濱 150001;3.毫米波國家重點實驗室，南京 210096)

【信息科學與控制工程】

船舶電力推進六相感應(yīng)電機控制系統(tǒng)設(shè)計

王五桂1,張?zhí)m勇2,3，陳輝煌2

(1.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064; 2.哈爾濱工程大學, 哈爾濱 150001;3.毫米波國家重點實驗室，南京 210096)

船舶電力推進是一種先進的推進方式，近幾十年達到了空前繁榮。推進電動機及其控制技術(shù)是船舶電力推進的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文介紹的主要是六相感應(yīng)電機矢量控制系統(tǒng)。通過六相感應(yīng)電機在d-q坐標系的數(shù)學模型，給出了基于TMS320F2812DSP的六相感應(yīng)電機矢量控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，并通過實驗驗證了本文所提的控制策略。 本研究成果有望應(yīng)用于大功率船用驅(qū)動電機。

船舶電力推進；六相感應(yīng)電機；矢量控制；DSP

隨著發(fā)電系統(tǒng)和變頻傳動技術(shù)的快速發(fā)展，電力推進在各種船舶及近海設(shè)備中得到成功應(yīng)用，電力推進已成為21世紀海洋船舶技術(shù)裝備的重要發(fā)展方向[1]。

多相感應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng)已有30多年的發(fā)展歷史，尤其近年來，除了用于艦船驅(qū)動、宇航推進系統(tǒng)等國防軍事領(lǐng)域外，也逐步在核電站、電動混合燃料車輛、電力機車牽引等場合推廣[2]。多相感應(yīng)電機技術(shù)較傳統(tǒng)的三相感應(yīng)電機有很多優(yōu)點：首先，多相感應(yīng)電機因高相數(shù)的使用避免了功率器件的串并聯(lián)，設(shè)計者完全可以采用標準功率模塊進行變頻器設(shè)計，可以用低壓功率器件實現(xiàn)大功率；其次，多相結(jié)構(gòu)有利于電機磁動勢波形的改善、線電壓的減小以及工作效率的提高，并減小噪聲和損耗；多相電機還易于組成多相冗余形式，當多相感應(yīng)電機的一個或多個定子繞組開路的情況下，不會致使電機停機，而只需降載運行。多相感應(yīng)電機調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的研究[3]。

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及電機控制策略的不斷創(chuàng)新，多相感應(yīng)電機傳動系統(tǒng)的研究也取得了一定的成就。Y.Zhao和T.A.Lipo在六相感應(yīng)電機中引入了空間矢量解耦的方法，將六維空間分解為相互正交的三個子空間，通過使用空間矢量合成技術(shù)，實現(xiàn)了電機的高性能控制。R.Kianinezhad等人在六相感應(yīng)電機中加入了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，也取得了很好的控制效果。

本文首先對六相感應(yīng)電機的數(shù)學模型以及六相感應(yīng)電機矢量控制技術(shù)進行了分析，結(jié)合六相感應(yīng)電機的數(shù)學模型和六相感應(yīng)電機矢量控制技術(shù)，設(shè)計完成了基于DSP六相感應(yīng)電機矢量控制系統(tǒng)的硬件電路，設(shè)計了實現(xiàn)六相感應(yīng)電機矢量控制的程序。最后通過實驗，驗證了該控制系統(tǒng)的可行性。

1 六相感應(yīng)電機數(shù)學模型

首先是建立六相感應(yīng)電機數(shù)學模型，在研究六相感應(yīng)電機的數(shù)學模型時，作如下假定[4]：

① 電機定、轉(zhuǎn)子六相繞組在空間完全對稱；

② 電機定、轉(zhuǎn)子表面光滑、無齒槽效應(yīng)；

③ 電機氣隙磁勢在空間正弦分布；

④ 鐵芯的渦流、飽和、磁滯損耗忽略不計。

六相感應(yīng)電機在自然坐標系下的數(shù)學模型為[5]：

(1)

六相感應(yīng)電機是一個多變量、強耦合、非線性系統(tǒng)，直接求解這些方程有一定難度，通過一些解耦變換，可使問題簡化。六相諧波基變換矩陣T6×6如下：

(2)

通過坐標變換，將自然坐標系下的各個量分解到d-q子空間、z1-z2子空間和o1-o2子空間。只有d-q子空間的分量產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁動勢(MMF)，從而完成機電b能量的轉(zhuǎn)換；而其他子空間的分量不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的MMF，沒有定、轉(zhuǎn)子之間的相互作用，只是在定子繞組中產(chǎn)生諧波電流，引起銅損[6]。

轉(zhuǎn)子相對于定子旋轉(zhuǎn)，可以利用旋轉(zhuǎn)變換，把轉(zhuǎn)子上的電壓、電流量變換到定子上。此時，固定在定子上的d-q坐標系也被稱為α-β坐標系。轉(zhuǎn)子到定子的變換矩陣為：

(3)

將旋轉(zhuǎn)變換矩陣Trs作用于d-q子空間的電壓方程兩側(cè)，而且該電機采用鼠籠型轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子電壓為0，得六相感應(yīng)電機在α-β坐標系下的電壓方程：

(4)

六相感應(yīng)電機在d-q坐標系下的電壓方程與三相感應(yīng)電機在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓方程是一致的。而三相感應(yīng)電機的一些控制策略如直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制等都是基于三相感應(yīng)電機在兩相靜止坐標系下的電壓方程實現(xiàn)的，因此這些控制策略也可以應(yīng)用到六相感應(yīng)電機的控制中。

本設(shè)計中采用轉(zhuǎn)子磁場定向技術(shù)[7]所示。采用轉(zhuǎn)子磁場定向時，選擇d軸的方向和轉(zhuǎn)子磁場方向相同，則有：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Tr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，Tr=Lr/Rr；ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈；ωs為轉(zhuǎn)差。

六相感應(yīng)電機采用電壓源型逆變器供電，電壓源型逆變器共有64種開關(guān)狀態(tài)，與開關(guān)狀態(tài)的64種空間電壓矢量一一對應(yīng)的。本文中采用的是空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)，SVPWM將逆變器和電動機作為一個整體考慮，從電動機的角度出發(fā)，著眼于如何使電動機的“磁鏈空間矢量”運動軌跡逼近圓形。具體做法是利用逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)所形成的不同的“電壓空間矢量”控制實際的“磁鏈空間矢量”，使其逼近圓形。與傳統(tǒng)的SPWM相比，其諧波電流和轉(zhuǎn)矩脈動更小、直流側(cè)電壓利用率更高[8]。

2 六相感應(yīng)電機矢量控制系統(tǒng)

3 六相感應(yīng)電機矢量控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

基于TMS320F2812的矢量控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2。整個系統(tǒng)為交直交變壓變頻電路，由主回路、控制回路和輔助回路三大部分組成。系統(tǒng)主電路采用的變頻器是交-直-交電壓源型變壓變頻器，以DSP數(shù)字處理器為核心完成矢量控制核心算法、SVPWM脈沖的產(chǎn)生等。其他輔助部分為提供電源設(shè)計，為系統(tǒng)中各芯片提供所需的電壓。

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要完成六相感應(yīng)電機的控制器設(shè)計，感應(yīng)電機控制器主要包括以下兩部分，功率電路和控制電路。功率電路主要完成功率的轉(zhuǎn)換，主要形式是AC-DC-AC的電力轉(zhuǎn)換?？刂齐娐分饕峭瓿筛鞣N信號的接收，經(jīng)過控制計算發(fā)出控制信號控制功率電路，以實現(xiàn)對六相感應(yīng)電機的控制?？刂破靼▋蓧K電路板，功率電路和控制電路分別放到兩個電路板上，這樣可以避免兩個電路之間的相互干擾?？刂破髦饕▋蓚€電源的輸入，380 V的三相電供給功率電路，220 V的單相電產(chǎn)生各種控制電供給功率電路和控制電路[10]。

圖1 六相感應(yīng)電機矢量控制系統(tǒng)

圖2 矢量控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

3.1 功率電路的設(shè)計

本設(shè)計中使用的是應(yīng)用最為廣泛的交-直-交電壓型逆變器，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。電路主要分為兩個部分：整流部分，交-直(AC-DC)；逆變部分，直-交(DC-AC)。

3.1.1 整流電路

系統(tǒng)的輸入為三相交流電，整流電路的目的就是把三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。本系統(tǒng)采用的是三相不可控整流橋(60 A，1 600 V)，整流電路輸出的直流電會出現(xiàn)脈動，而且由于整流部分以及負載變化也會產(chǎn)生脈動，因此在整流電路輸出的直流母線上需要并入大電容。直流母線上的電壓平均值為U=1.35×380=514 V。在本系統(tǒng)中采用的是兩個容量為3 300 μF，耐壓為450 V的電容串聯(lián)，這樣可以有效抑制直流母線上的諧波。

在給整流電路上電的時候，產(chǎn)生大電流，如果不進行限流的話會對元件產(chǎn)生沖擊。因此加入繼電器、限流電阻，在上電開始時繼電器斷開，這時候限流電阻串入母線，給電流充電；當母線電壓高于一定值時，接通繼電器，使限流電阻切開。

3.1.2 逆變電路

本系統(tǒng)采用的功率器件是智能功率模塊IPM，它內(nèi)部含有高性能的IGBT，使用IPM具有開發(fā)周期短，不需要設(shè)計外圍保護電路等優(yōu)點。六相感應(yīng)電機的逆變電路包括兩個三相全橋，因此需要六路相互隔離的驅(qū)動電源給IPM供電，在選用驅(qū)動電源時，為了保證IPM能夠穩(wěn)定工作，需要保證驅(qū)動電源輸出電壓的品質(zhì)以及驅(qū)動電源的功率。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，給IPM供電的驅(qū)動電源盡量只給IPM供電，不要給其他部分供電。

3.2 控制電路的設(shè)計

3.2.1 主控芯片

本控制系統(tǒng)使用的控制芯片為TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812，它是專門用于控制的一款高性能、多功能、高性價比的定點32位處理芯片，最高工作頻率可以達到150 MHz。TMS320F2812包括16路12位精度的ADC，以及2個事件管理器(EVA和EVB)。每個事件管理器具有3個全比較單元，能產(chǎn)生6路帶可編程死區(qū)的PWM信號。因此，TMS320F2812可以完成對六相感應(yīng)電機的控制。

3.2.2 光耦隔離電路

控制芯片輸出端位于低壓控制系統(tǒng)，而IPM控制信號的輸入端則是電機功率驅(qū)動所在的高壓系統(tǒng)，為了防止高壓系統(tǒng)對低壓系統(tǒng)的影響，需要在高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)之間加入光耦隔離電路。為了防止DSP的輸出功率不足以驅(qū)動光耦隔離電路，所以在DSP的PWM輸出端加入一個總線收發(fā)器提供驅(qū)動能力。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2.3 電流檢測電路

本設(shè)計中使用的電流傳感器為霍爾型電流傳感器，輸出電流范圍為0.5～4.5 V，而TMS320F2812的ADC模塊的輸入范圍為0～3 V，因此需要加入電壓調(diào)理電路，使得輸入電壓滿足DSP的要求。定子電流檢測電路如圖4所示。以其中一路信號為例，ADINA0為電流傳感器輸出的電壓信號，首先電壓信號經(jīng)過一個運放，把這個運放接成電壓跟隨器的形式，提高信號的帶負載能力。電壓跟隨器的輸出端為ADC0，然后ADC0經(jīng)過電阻分壓，ADC-0信號的電壓范圍為0～3 V，ADC-0接入TMS320F2812的引腳ADCINA0。

圖3 信號隔離電路

圖4 定子電流檢測電路

3.2.4 轉(zhuǎn)速檢測電路

在六相感應(yīng)電機的矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的測量非常重要，直接影響控制精度。本設(shè)計中采用增量式廣電編碼器，光電編碼器輸出的信號為差分信號。轉(zhuǎn)速檢測電路如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速檢測電路

在本設(shè)計中光電編碼器的供電電壓為Vcc=5 V，A+、A-、B+、B-、C+、C-為光電編碼器的輸出端，輸入信號經(jīng)過一個π形濾波器，為輸入信號進行整形。此時輸入信號的電平為TTL電平，高電平為5 V，大于DSP對輸入信號的要求的高電平3.3 V。通過電阻進行分壓，使輸入信號的高電平轉(zhuǎn)化為3.3 V。經(jīng)過轉(zhuǎn)化后的信號接到了DSP上的QEP引腳。

3.2.5 母線電壓檢測電路

本系統(tǒng)中采用的是交-直-交電壓型逆變器，母線電壓的變化對逆變系統(tǒng)的影響較大。當母線電壓過低時，不能滿足系統(tǒng)的要求，應(yīng)該盡快切斷電源；當母線電壓過高時，會對逆變系統(tǒng)造成損壞，更嚴重的會造成IPM損壞。為了實時監(jiān)測母線電壓，防止母線電壓過低或過高，設(shè)計了母線電壓檢測電路。

母線電壓檢測電路分為比例運放電路和光耦隔離電路。比例運放電路就是將過高的母線電壓經(jīng)過運算放大器進行縮小，本文中直流母線的電壓為0～514 V，經(jīng)過比例運放電路的輸出電壓為0～2.57 V。光耦隔離電路的目的是將高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)進行光電隔離。

3.2.6 串行通訊電路

本設(shè)計中采用的是RS-485通訊標準。RS-485是電子工業(yè)協(xié)會(EIA)于1983年制定并發(fā)布的，與RS-232相比，RS-485有傳輸距離長、傳輸速率高、抗干擾能力強等優(yōu)點。

本設(shè)計中所采用的通訊接口器件為IL485-3 V。IL485-3V的3腳接DSP的SCIRXDB腳，用作串行通訊的接受端；6腳接DSP的SCITXDB腳，用作串行通訊的發(fā)送端。IL485-3V的供電電壓為3.3 V，可以兼容3.3 V的電平，因此該通訊接口芯片可以直接和DSP芯片相連，中間不需電平轉(zhuǎn)換。

4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序由主程序模塊和PWM中斷程序模塊組成，本系統(tǒng)所采用的轉(zhuǎn)子磁場定向策略，系統(tǒng)的主程序如圖6所示。

圖6 主程序流程

大部分的算法程序都在PWM。

中斷服務(wù)程序完成電流采樣、轉(zhuǎn)速采樣、PID算法、參數(shù)辨識算法和SVPWM產(chǎn)生等。PWM的中斷周期為0.1 ms，此即為電流采樣周期，速度環(huán)的采樣周期為電流環(huán)的10倍，為1 ms。

5 實驗結(jié)果

本次實驗所采用的電機為一臺10 kW六相6對極感應(yīng)電機，采用雙三相全橋逆變器作為拓撲機構(gòu)，IPM作為功率器件進行仿真驗證。本設(shè)計中的開關(guān)頻率為3 kHz。主要參數(shù)如下：PN=2 400 W，TN=1 00 N·m，nN=155 r/min，Rr6=0.457 8 Ω，p=4，Ld6=0.002 85H，Lq6=0.003 34H，B=0.000 3 N·m/(rad/s)，J=0.001 469 kg/m2，ψf=0.171 Wb。

圖7為DSP輸出PWM信號測試結(jié)果圖，由于PWM信號為低電平有效，因此從圖中可以清晰的看到U相的上下橋臂已經(jīng)設(shè)置的死區(qū)時間，可以有效防止上下橋臂直通造成短路。

圖7 DSP輸出PWM信號

1) 給定速度n=155 r/min時，六相感應(yīng)電機在空載起動的相關(guān)曲線如圖8。

圖8 空載起動時的六相感應(yīng)電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線和電機定子電流曲線

從圖8可以看到：起動時，感應(yīng)電機轉(zhuǎn)速迅速增大，達到給定轉(zhuǎn)速后，出現(xiàn)一定的浮動，最終穩(wěn)定。上升時間tr=0.065 s，調(diào)整時間ts=0.07 s。響應(yīng)過程電機電流基本無振蕩現(xiàn)象，電流有較好的正弦性，達到設(shè)計要求。

2) 在0.02 s時突加負載10 N·m，六相感應(yīng)電機的仿真相關(guān)曲線如圖9。

圖9 突加負載時六相感應(yīng)電機轉(zhuǎn)速和電機電流曲線

從圖9可以看到，從施加負載到系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)的恢復時間tv=0.005 s，表明感應(yīng)電機能較快地穩(wěn)定于給定速度。另外，電機電流能很好跟隨轉(zhuǎn)速變化，系統(tǒng)具有較好的反應(yīng)性和穩(wěn)態(tài)性能。

六相感應(yīng)電機帶不同負載轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速、電流的暫態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)結(jié)果，仿真結(jié)果良好，說明六相感應(yīng)電機模型正確。

6 結(jié)論

本文分析了六相感應(yīng)電機的數(shù)學模型及六相感應(yīng)電機的矢量控制原理，并且根據(jù)矢量控制原理完成了基于DSP2812的六相感應(yīng)電機矢量控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計。設(shè)計中功率電路和控制電路分別放到兩個電路板上，避免功率電路對控制電路的信號干擾。同時完成了六相感應(yīng)電機矢量控制的程序設(shè)計。

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(責任編輯楊繼森)

Six-Phase Induction Motor Control System of Ship Electric Propulsion

WANG Wu-gui1, ZHANG Lan-yong2,3, CHEN Hui-huang2

(1.China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2.Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 3.State Key Laboratory of Millimeter Waves, Nanjing 210096, China)

Ship electric propulsion is an advanced way of propulsion, which has achieved unprecedentedly prosperity in the recent decades. The control technique of propulsion motor is one of the key technologies of ship electric propulsion. This paper introduced vector control method of six-phase induction motor. Through the six-phase induction motor in the mathematical model ofd-qcoordinate system, the method realized vector control system based on TMS320F2812 DSP was provided. Experimental research results show that the control strategy is effective. The results of this study are expected to be applied to large power marine motor.

ship electric propulsion; six-phase induction motor;vector control; DSP

2016-09-08；

國家自然科學基金(51579047); 國家科技支撐計劃(2013BAG25B01)；東南大學毫米波國家重點實驗室開放課題(K201707);MPRD專項資助(IEP14001)；博士點基金資助課題(20132304120015)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(HEUCF160414)

王五桂(1985—)，工學博士，工程師，主要從事船舶電氣工程設(shè)計研究。

10.11809/scbgxb2016.12.020

王五桂,張?zhí)m勇，陳輝煌.船舶電力推進六相感應(yīng)電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].兵器裝備工程學報，2016(12):84-89.

format:WANG Wu-gui, ZHANG Lan-yong, CHEN Hui-huang.Six-Phase Induction Motor Control System of Ship Electric Propulsion[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):84-89.

TM343

A

2096-2304(2016)12-0084-06

修回日期：2016-10-15