何　军

(四川职业技术学院，四川 遂宁 629000)

一种嵌入式电机控制系统

何军

(四川职业技术学院，四川 遂宁 629000)

摘要：随着电子信息技术、自动化技术的发展，船舶电力推动技术的推进动力、机动性能、自动化程度也越加得到改善和加强，船舶推进是未来整个动力系统的重要组成部分。本文重点研究船舶动力推进系统中的永磁同步电机控制技术，首先分析永磁同步电机(PMSM)的数学原理，建立数学模型，并改进现有的永磁同步电机矢量控制技术，提出基于模糊矢量的控制方式。最后设计基于DSP的永磁同步电机的嵌入式系统，并利用实际数据进行了测试验证。

关键词：船舶电力推动系统；永磁同步电机；模糊矢量控制

0引言

船舶电力推进技术随着现在电子信息技术、控制理论及变频技术的发展得到了飞速发展，其在整个船舶动力系统中越来越成为关键组成部分。而永磁同步电机由于推进动力强、可靠性高并且体积小、噪声较低、转动阻力较小等成为船舶电力推进技术领域中最热门的技术[1-3]。

本文首先研究永磁同步电机(PSPM)的数学原理，分析PSPM矢量控制技术的利弊(矢量控制将发电系统的三相电流通过动态坐标变换转化为励磁电流及力矩电流，利用定量静止坐标解析三相交流电，通过控制电磁转矩从而稳定电压矢量，需要建立精确的数学模型，但现代船舶的电力系统复杂度集成度越来越高，对其建立精确的数学模型很难实现)，本文改进现有的永磁同步电机矢量控制技术，提出基于模糊矢量的控制方式。

最后，本文设计基于DSP的永磁同步电机系统的嵌入式系统，利用真实数据进行试验，对PSPM控制理论研究具有重要的指导作用。

1永磁同步电机数学模型分析

1.1　永磁同步电机两相坐标转换

三相交流电一般采用u，v，w坐标来表示，矢量控制利用定量静止坐标解析三相交流电，对u，v，w变换至α，β，称之为Clarke变换，如图1所示。

图1　三相交流坐标到两相坐标转换图Fig.1　The relationship between three-phase AC coordinate　system and two-phase AC

α， β坐标与u， v， w坐标在电压、电流等物理量之间有如下对应关系：

(1)

式中：z为变换中的辅助参数，一般用0表示；c为变换矩阵，满足ccT=[1]；m为变换常数。

一般u， v， w坐标满足下列方程：

vu+vv+vw=0且iu+iv+iw=0。

则式(1)表示为[4]：

(2)

1.2　矢量控制下电机控制方程

永磁同步电机在静止坐标α， β下的控制模型如图2所示。

图2　永磁同步电机的数学模型图Fig.2　Mathematical model of PMSM

矢量控制下的船舶电机如下式：

(3)

式中：vaa和vβa为电压在静止坐标α， β相电压；iaa和iβa为坐标α， β相电流；eaa和eβa为船舶电力控制系统中的磁场在α、β坐标下引起的运动电势；Ra为永磁同步电机的中枢电阻；La为永磁同步电机的中枢电感。

最后得到永磁同步电机在静止坐标α、β下的转矩表达式为：

(4)

式中：Te为最终永磁同步电机的输出控制转矩。

2永磁同步电机的模糊矢量控制技术

2.1　模糊矢量控制数学原理

模糊矢量控制对船舶电力系统中的励磁电流id及转矩电流iq利用磁场定向公式进行控制，从而控制电机的输出控制转矩[5]。

假设在静止坐标α， β下， (vda， vqa， ida， iqa)物理量在以(ida， iqa)为中间变量的状态方程如下：

(5)

同样，转矩表达式如下：

Te=pφfaiqa。

(6)

式中φfa为坐标β绕线电阻与永磁磁极之间的磁场，在整个船舶电力系统中基本保持恒定。

对永磁同步电机坐标α， β之间的干扰电势进行解耦，得到损耗的电势，此部分电势需要作为补偿部分加到整个船舶电力系统中去，如图3所示。

图3　电机电流补偿图Fig.3　The diagram of current compensation

由图3可知，坐标α， β在补偿坐标轴为α^， β^的补偿电压公式如下：

Δvda=-ωreLαidα，

Δvpa=-ωre(Lαidα+φfα)。

(7)

式中：La及φfa为恒定值；ωre，ida及iqa在实际船舶电机装置中可测量，则永磁同步电机在α， β坐标轴进行解耦后的电流电压传递函数如下：

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Gmd(s)=Gmq(s)=1La>s+RaLa>>，

(8)

最终可得到船舶电机系统的状态方程：

Pida

iqa=-RaLa>0

0-RaLa>ida

(9)

2.2　模糊矢量电机控制器设计

模糊矢量控制是将模糊控制理论与矢量控制理论相结合的方式。

1)模糊矢量控制原理

矢量控制如2.1节描述，需要对电机的三相电压电流进行坐标转换，建立精确船舶电机系统状态模型。但是现代船舶的电力系统复杂度集成度越来越高，对其建立精确的数学模型很难实现。模糊控制搜集之前的控制经验，利用自反馈机制进行调整来执行之前的规则，达到修正的有效控制。

模糊矢量控制器主要由模糊控制器输入控制接口﹑模糊自适应反馈及模糊解析接口3个接口组成。如图4所示。

图4　模糊控制器结构图Fig.4　The structure of fuzzy controller

3基于DSP的永磁同步电机设计

3.1　软件流程设计

基于DSP的模糊矢量控制软件程序包含以下几

个部分：主程序流程控制模块、中断(定时器)控制器模块、α轴电压电流坐标转换及补偿模块、β轴电压电流坐标转换及补偿模块、扇区转换模块、电机转速的自适应控制子模块。

核心模块α轴电压电流坐标转换和补偿模块及电机转速的自适应控制子模块的流程如图5和图6所示。

图5　电流调节软件流程图Fig.5　The flow char of current regulation

图6　模糊自适应控制流程图Fig.6　The flow char of fuzzy adaptive control

3.2　基于DSP的嵌入式设计及试验

整个永磁同步电机的模糊矢量控制核心系统包括：坐标变换控制系统、模糊矢量控制系统及电流控制器模块等，整个系统如图7所示。在对永磁同步电机的嵌入式系统进行仿真时，系统系数如下：p=2， Ra=0.425 Ω， Lα=Lβ=3.78mh， φfa=0.265Wb， J=0.005 416kg·m2， 过载能力为500%，试验结果如图8所示。

图7　基于DPS的永磁同步电机控制仿真系统Fig.7　Embedded system of PMSM based on DSP

图8　仿真结果图Fig.8　The results of the simulation

当整个船舶电力系统转速为100 r/min，永磁同步电机负载为4 N·m，基于模糊矢量控制的电机转速在420 r/min趋于稳定，调节时间相对于非模糊矢量控制器缩短了30 ms左右，并且电机转速超调量相对于非模糊矢量控制的永磁同步电机由60%下降至35%，输出转矩超调量由300%下降至68.5%。

通过以上图形和数据分析可以得到，在使用本文模糊矢量控制器的永磁同步电机无论在调节时间、系统转速以及输出转矩超调量等系统关键性能指标方面，都有较大提升。

4结语

在现代船舶动力系统中，电力推进系统以其自动化程度高、推进动力强、机动性能好等优点越来越成为整个动力系统中重要组成。而永磁同步电机由于其可靠性高、体积小、噪声较低、转动阻力较小等成为船舶电力推进技术领域中最热门的技术。

本文研究了永磁同步电机的数学原理，分析了船舶电力推进系统的主要控制技术。针对现代船舶的电力系统复杂度集成度越来越高，对其建立精确的数学模型很难实现，提出了一种基于模糊矢量的控制技术。最后设计了基于DSP的嵌入式系统并进行了仿真试验，表明了新的控制方法的有效性。

参考文献：

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[2]霍峰,姜新建.舰船推进电机及螺旋桨负载模拟系统研究[J].舰船科学技术,2007,29(2):118-122.

HUO Feng,JIANG Xin-jian.Study on simulated of boati′s propulsion motor and screw propeller′s load[J].Ship Science and Technology,2007,29(2):118-122.

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Research on the ocean ambient noise prediction based on neural net

HE Jun

(Sichuan Vocational and Technical College,Suining 629000,China)

Abstract：With the rapid development of electronic information technology and automation technology, vessel electric propulsion motor driver is an important part of ship power system .The paper study the permanent magnet synchronous motor which is one of the major part of vessel electric propulsion motor driver, establish the mathematical model. At last, this paper design embedded system of permanent magnet synchronous motor based on DSP.

Key words：vessel electric propulsion system; permanent magnet synchronous motor; fuzzy vector

作者简介：何军( 1963 - ) ，男，副教授，研究方向为电气工程。

收稿日期：2014-03-21； 修回日期： 2014-06-18

文章编号：1672-7649(2015)02-0152-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.033

中图分类号：TP273

文献标识码：A