船舶电力推进系统无刷直流电机控制技术_王红林.pdf

船舶电力推进系统无刷直流电机控制技术船舶电力推进系统无刷直流电机控制技术王红林1,2(1.江苏科技大学 自动化学院，江苏 镇江 212028；2.镇江市高等专科学校电气与信息学院，江苏 镇江 212028)摘 要:由于无刷直流电机具有高效率、长寿命、低噪声、平稳转速和高输出转矩等优点，已经成为船舶电力推进系统中不可或缺的一部分。本文针对 BLDCM 的速度环和电流环响应效果，研究相应的硬件和软件系统，采取传统的 PID 算法和现代模糊控制算法，构建基于 DSP 的船舶直流无刷电机控制装置。实验结果表明，采用模糊PID 算法进行电机控制能够实现更小的输出转矩脉动和更高的转速，同时使得该系统在船舶电力推进系统中变得更加稳定可靠，能够满足实际应用中的需求。关键词：推进系统；无刷直流电机；DSP；模糊 PID 算法中图分类号：U664.14 文献标识码：A文章编号：1672 7649(2023)12 0089 04 doi：10.3404/j.issn.1672 7619.2023.12.016Research on brushless DC motor control technology of marine electric propulsion systemWANG Hong-lin1,2(1.School of Automation,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212028,China;2.School of Electrical and Information,Zhenjiang College,Zhenjiang 212028,China)Abstract:Because of its high efficiency,long life,low noise,steady speed and high output torque,brushless DC motorhas become an indispensable part of marine electric propulsion system.According to the response effect of speed loop andcurrent loop of BLDCM,this paper studies the corresponding hardware and software system,adopts the traditional PID al-gorithm and modern fuzzy control algorithm,the marine brushless DC motor control device based on DSP is constructed.The experimental results show that using fuzzy PID algorithm to control the motor can achieve lower output torque rippleand higher speed,and make the system more stable and reliable in the marine electric propulsion system,can meet the needsof the actual application.Key words:propulsion system；brushless DC motor；DSP；fuzzy PID algorithm 0 引言电力推进系统具有良好的经济性、安全性以及优越的操作性能。同时，电力推进系统所需空间较小，工作噪声和污染相较于传统的推进系统均有很大的改善，是目前研究和关注的重点。而无刷直流电机（brushless direct current motor）作为一种高效率、高可靠性、低噪声的电机类型，被广泛应用于船舶电力推进系统中1，如何实现对无刷直流电机的精确控制一直是研究的热点和难点。本文从无刷直流电机的结构原理入手，分析其控制策略及其优缺点，通过理论分析和实验验证，提出一种新的无刷直流电机控制技术，以此为基础，实现对船舶电力推进系统的优化控制。该研究对于提升船舶的运行效率、减少污染排放、提高航行安全性具有重要的理论意义和实际应用价值。1 工作原理分析船舶电力系统中无刷直流电机使用的非常普遍，这是由于无刷直流电机具有结构简单、使用稳定等优点。磁场是由定子产生而且这个磁场是不会变化的，为了能够驱动直流电机转动，在无刷直流电机的控制方式上需要不断改变绕组的电流方向，这样产生了2 个完全垂直的磁场，这 2 个磁场能够不断地驱动电机旋转2，如图 1 所示。第 45 卷 第 12 期舰 船 科 学 技 术Vol.45,No.122023 年 6 月SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYJun.,2023 收稿日期:2023 01 09作者简介:王红林(1973 )，男，硕士，讲师，研究方向为控制理论与控制工程及智能测控系统设计。无刷直流电机则是去掉了图 1 中的电刷，其原理如图 2 所示，电子开关线路、位置传感器以及电机本体就构成了一个最简单的无刷直流电机3。图 2 无刷直流电机结构原理图Fig.2 Brushless DC motor structure schematic diagram 电机本体包括定子和转子，定子又由定子绕组和定子芯组成，在工作过程中，定子固定不动。而转子在工作过程中是旋转的，转子通常由永磁体制成。电机能够转动的关键是电流产生的磁电动势和转子之间会产生互相作用力，转子最终会在这种作用力下不断转动。电机的结构非常简单，因而在出现故障时也非常容易维修。位置传感器在无刷直流电机中较为常见，位置传感器能够获得定子和转子的相对位置，位置传感器也有多种类型，如电磁式和光电式等，当转子转过位置传感器时，位置传感器就可以获得当前电机的转动方向以及速度等信息，从而方便控制电路对电机进行控制4。功率管、转子位置信息处理器构成了电子开关电路，电子开关电路控制了各相绕组的通电顺序和时间，位置传感器的输出信号经过电子开关电路放大后，作为触发信号来控制绕组，是无刷直流电机实现无接触换向功能的关键部分。对无刷直流电机的电压进行计算时需要假设无刷直流电机三相绕组的基本参数完全相同，这些基本参数包括了电阻和电感，同时由于在电机中产生的磁场是方波，因而可以对无刷直流电机的三相电压进行计算，如下式：|uaubuc|=|Ra000Rb000Rc|iaibic|+|LaLabLacLbaLbLbcLcaLcbLc|p|iaibic|+|eaebec|。(1)puaubucRaRbRciaibiceaebecLaLbLcLabLacLbaLbcLcaLcbLab=LbaLac=LcaLbc=Lcb其中：为微分算子；，为三相定子相电压；，为三相定子相电阻；，为三相定子相电流；，为三相定子反电动势；，为三相定子绕组自感；，、，为 三 相 定 子 绕 组 间 互 感，同 时，。在同样的前提条件下，无刷直流电动机的转矩表达式如下：Te=Pn(eaia+ebib+ecic)。(2)PnTe=TL+JddtTLJ其中：为电机的极对数；为电机的角速度。如果忽略转动时的粘滞系数，可以得到无刷直流电机的运动方程（为电机的负载转矩，为电机的转动惯量）。由此可以看出，电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比。工作过程中，控制无刷直流电机的速度以及转矩对功能的实现非常重要，主要利用反电动势的计算方程实现上述控制功能：E=2NlrB，(3)T=12i2dLd12B2dRd+4NBrli。(4)NlrBi其中：为定子各相的线圈数；为转子的长度；为转子的内径；为转子的磁通密度；为电机的角速度；为相电流；为转子位置。2 基于 DSP 的无刷直流电机控制系统DSP 是数字信号处理（digital signal processing）的简称，考虑到船舶在航行中的复杂情况，需要快速处理大量的数据，因此，本文基于 DSP 构建船舶推进系统中的电机控制系统，系统使用无刷直流电机，如图 3所示。图 1 普通直流电动机结构示意图Fig.1 General DC motor schematic 90 舰 船 科 学 技 术第 45 卷 图 3 基于 DSP 的直流电机控制系统Fig.3 Dc motor control system based on DSP 位置传感器则实时采样转子位置，将位置信息反馈回控制器，生成 PWM 信号，驱动功率开关器件并提供换相信号。逆变器则将反馈的转子位置信号处理后，通过三相逆变器将直流电能逆变成交流电能，使电机能够持续运转。整个控制系统采用了电流、转速双闭环的控制策略，电流环和速度环都采用模糊PID 算法进行调节，该算法相对于 PID 算法需要进行严格的比例、积分和微分系数的选取，而模糊算法则可以在线对这 3 个系数进行自动调节，大大减少实验的时间和工作量。2.1 核心本体模块整个控制系统中，BLDCM 本体模块是设计的关键部分，同时在设计前需要对其进行仿真，以避免在最后的设计和制造过程中出现问题。仿真一般使用 Mat-lab 中的 Simulink 来实现。在使用 Simulink 构建出仿真模型后，可以对仿真模型中的转速、电压、电流等进行计算。本文选择分段线性法获取反电动势波形，这一环节对电机本体仿真模块的性能具有直接影响和决定作用。使用分段线性法的优点在于其达到的精度非常高，并且在实现方式上和其他方法相比更加简单。在对电机控制系统进行仿真时实现的难易程度和实现的精度对于仿真结果具有非常重要的影响。傅里叶变换方法应用也比较多，但是在实现方式上较为复杂，因而本文对二相导通星型的核心本体模块进行仿真使用分段线性法，最终得到了反电动势波形，如图 4 所示。2.2 DSP 和 IPM 模块DSP 的脉冲宽度调制电路由 6 个子模块组成，每个通道均可以输出两路 PWM 调制信号。在驱动器中，逆变全桥由 6 个功率管组成，每个桥臂上的上桥臂和下桥臂的功率管驱动信号互补。因此，在输出脉冲信号之前，需要使用驱动电路将其放大以驱动负载。IPM 是一种集成功率模块，可将电机驱动和主控系统集成在一起，使电机智能供电，缩短电机控制器研发周期，同时具有使用方便、成本低廉等优点。该模块将电机功率、控制和保护模块集成在一起，不仅结构简单，而且整体性能也得到了提升。为了提升输入电压，采用三路斩波电路，其中每一路的电路均由二极管与电容组成。由于电机既是电动机又是发电机，二极管起到了防止电流反向流动的作用，而电容则用于储存电能。在 PWM 信号的高频工作条件下，升压电路的目的是将放大后的输入电压传输至驱动芯片，从而使得电子开关电路在其控制下能够稳定工作。六路 PWM 信号输出至功率管栅极两端，其中每相由 2 个功率管控制，功率管输出信号与输入信号相反。因此，驱动功率管需要进行多级电路分析和处理，才能最终驱动这六路 PWM 信号6。2.3 软件控制模块软件控制模块主要实现模糊 PID 算法、PWM 控制信号输出、电流信号和反电动势信号的采样以及使用MOS 管或者 IGBT 实现开关的控制。为了满足船舶电力推进系统的要求，采用现代流行的控制算法来控制直流无刷电机。在 DSP 中实现模糊 PID 算法，根据设定的转速的参考值和传感器反馈的实际值以及变化速率进行实时控制。同时，控制输出的 PWM 控制信号，通过采样每相定子电流信号和定子反电动势信号来控制直流无刷电机的输出转矩。通过利用模糊推理，模糊自适应 PID 控制器能够根据误差及其动态变化率实时调整 PID 控制器参数，进一步提高电机控制系统的自适应能力，从而获得最佳的转速响应曲线5。图 5 为 BLDCM 模糊自适应 PID控制器的结构框图。2.4 实验结果在仿真实验中，BLDCM 的参数为：额定电压 24 V，额定功率 60 W