基于DSP的全数字永磁电机推进系统

2．3 功率驱动部分

永磁同步电机的功率驱动为交-直-交PWM方式，其中整流部分采用单相桥式不控整流，逆变部分采用智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)PS21869，它内部集成了6个绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)及其驱动、保护电路，由DSP的PWMl～6引脚提供触发信号，能够在过流或欠压故障发生时，关闭IGBT驱动电路，使模块停止工作，同时在相应故障引脚输出故障信号至DSP的PDPINTA引脚，通过硬件中断，封锁PWM脉冲输出。

3 系统软件设计

永磁电机推进系统的软件主要由3部分组成：初始化程序、主程序和中断服务子程序。系统复位时，首先执行初始化程序，检测、设定DSP内部各模块的工作模式和初始状态。主程序负责收集电机电流、转速、转子位置等一系列实时运行信息，在满足条件时设置系统标志位，执行相应中断服务子程序。其中，外部保护中断子程序由PDPINTA引脚触发，用于在故障发生时切断DSP的PWM及定时器输出；而定时中断子程序则是实现电机矢量控制策略的核心程序，
   

主要完成PI调节和SVPWM波形发生这两大功能，其流程图如图4所示。


3．1 数字PI调节器

模拟PI调节器的控制规律为

其中：e(t)为参考值与实际值之差，作为PI调节器的输入;u(t)为输出和被控对象的输入；uo为PI调节器的初值；Kp为比例系数；TI为积分常数。

将式(4)离散化，即可得到数字PI调节器的数学表达式：

式中：k为采样序号，T为PWM采样周期，KI=Kp／TI，为积分系数。

由于电机转轴和负载轴转动惯量的存在，速度PI调节器的时间常数较大，调速时系统响应较慢。而电流PI调节器则因为电时间常数较小，在电机起动和大范围加减速时能够快速进行电流调节和限幅，增强了系统抗电源和负载扰动的能力。

3．2 SVPWM波形发生

SVPWM是一种从磁通角度出发的PWM方式，其基本原理及扇区划分见文。利用EVA的全比较单元，可直接在PWMl～6引脚上输出五段式SVPWM波形，它在每个PWM周期中，能够保证一相的开关状态不变，有利于开关损耗的减小。其主要步骤如下：

1)将比较控制寄存器(COMCONA)第12位置l，使SVPWM发生功能有效；

2)设置比较方式控制寄存器(ACTRA)，令SVPWM输出矢量正向旋转，使PWMl、3、5引脚高有效，PWM2、4、6引脚低有效；

3)设置定时器TI计数方式为“连续增／减”，相应周期寄存器TIPR的初始值为PWM采样周期的一半，即Tc／2；

4)计算输出空间电压矢量Uout在两相静止坐标系中的分量uα、iβ；

5)确定组成Uout所在扇区的两个非零空间矢量Ur、Ux+60,按其值装配ACTRA；

6)根据表1计算Ux、Ux+60的作用时间t1、t2，将t1装入比较寄存器CMPRl,t1+t2装入CMPR2，启动定时器操作。



当TI值与CMPRl或CMPR2值发生匹配时，PWM输出就会产生跳变。通过及时更新每个采样周期中CMPRl、CMPR2的值，就可以形成一系列不等宽的脉冲，使输出电压矢量的磁链轨迹为圆形，达到SVPWM的目的。此外，为避免IPM同一桥臂上下两只IGBT的直通，程序通过死区控制寄存器对PWMl～6引脚设置死区时间；同时滤除PWM序列中的过窄脉冲，以减小器件的开关损耗。

4 仿真与实验结果

本文利用Matlab／Simulink工具箱，根据图1搭建系统模型，对一台3对极永磁同步电机进行了矢量控制策略的仿真，所得仿真波形如图5所示。



从仿真结果可以看出，本矢量控制系统响应快速，转矩脉动小，动态性能良好；id能够较好地跟随参考值0，从而保证了单位电流下最大转矩的输出，有利于推进电机效率的提高。

实际实验中，TMS320LF2407A时钟频率为30 MHz，SVPWM采样频率为3 kHz，死区时间设为8 μs，并滤除正负脉宽小于6％脉冲周期的过窄脉冲。当转速为300 r／min时，可得永磁电机推进系统输出电压、电流波形及其频谱如图6、图7所示。



由图7a可以看出，SVPWM方式生成的电压基波幅值较大，谐波分布比较分散，但其低次谐波主要为三次谐波；由图7b可以看出，三相电机的电路结构对三次谐波成分有自然抑制作用，高次谐波则通过电机绕组电感的滤波作用得到削弱和消除，从而大大减小了谐波电流。

5 结 论

仿真和实验结果表明，采用交-直-交PWM驱动和最大转矩／电流矢量控制的全数字永磁同步电动机推进系统，电压利用率较高，转矩脉动小，能够较好地抑制了电机电流中的谐波，低速性能优于直接转矩控制，可以满足推进电动机低转速、大转矩、轻噪声的要求，为现代舰船电力推进系统数字化操控的实现提供了一定参考。