基于DSP的永磁电机推进系统设计

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CMPRlt1+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，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可看出，SVPWM方式生成的电压基波幅值较大，谐波分布比较分散，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

　　仿真与实验结果表明，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，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。