船舶电力推进永磁同步电机控制系统的研究

船舶电力推进永磁同步电机控制系统的研究
摘要：文章介绍船舶永磁同步电机控制技术中矢量控制、直接转矩控制、自适
应控制和智能控制技术的国内外研究现状，以矢量控制技术为例，介绍其主电路、控制电路、驱动电路和保护电路等硬件和主程序及中断服务子程序等软件的设计
要点。

关键词：电力推进；永磁同步电机；硬件；软件
1引言
近年来随着电力电子技术、变频调速技术以及电机控制理论的发展，目前船
舶动力推进方式都采用的是电力推进的先进模式，即利用推进电机直接带动螺旋
桨旋转来推动船舶行进。

此推进方式可以增加机舱的利用率、提高船舶的有效载荷、降低燃油消耗以及对环境的污染，而且还具有振动小、噪音低、操纵简单、
经济性高等优点，使船舶具有较高的机动性能。

推进电机是船舶电力推进中的主
要动力装置，采用的是变频器对永磁同步电动机进行变频调速的控制方式，此种
电机具有体积容量小、功率密度大、运行效率高、控制性能好等优点，其构成的
系统具有非线性、强耦合等特点，其控制策略也较为复杂，通常采用矢量控制、
直接转矩控制、自适应控制和智能控制能方式。

2船舶永磁同步电机控制技术研究现状
永磁同步电动机采用稀土材料，且不具有滑环、电刷和励磁绕组等结构，具
有体积小、使用寿命长、结构简单、功率密度大等特点，可以分为表贴式、表面
嵌入式、内埋式三种结构形式，且目前使用的控制策略有矢量控制、直接转矩控制、自适应控制和智能控制等，其中，矢量控制技术起源于上世纪70年代的德国，是由异步电动机上发展而来的，就是利用空间矢量的理念将定子电流解耦为
两个分量，即励磁电流分量和转矩电流分量，这两个分量相互正交，可以通过矢
量坐标变换实现对定子电流的解耦控制。

此外，随着微处理器技术的发展和应用，简化了矢量控制的电路设计，提高了系统的抗干扰能力，并就有优良的转矩响应
和精确的转速控制。

直接转矩控制理论起源于上世纪80年代的德国和日本，通过磁链观测器观测电化的定子磁链，计算出电机转矩，然后确定定子磁链所处在的扇区，将电机实
际磁链和转矩与给定值分别进行比较，经过磁链和转矩调节器得到输出结果，结
合定子磁链扇区信号选择空间电压矢量，控制定子磁链幅值恒定和转矩角的变化，从而实现对电机转矩的直接控制。

此技术直接对逆变器进行最优控制，省去了复
杂的坐标变换，具有转矩响应迅速的优点。

自适应控制技术是一种基于数学模型的控制方法，其依托于矢量控制或直接
转矩控制的框架，可以客服电机参数的波动对控制精度的影响，比较适用于对象
特性或扰动特性变化范围比较大，而且具有较高的性能指标要求的系统。

智能控
制技术是近年来发展起来的先进控制技术，不需要建立数学模型，可以处理难以
建模的非线性、时变以及不确定性的复杂系统，能模仿人脑中的思维过程，具有
启发式、自适应、高度并行处理等优良性能。

3船舶永磁同步推进电机控制系统的硬件设计
此系统的硬件主要由控制电路、功率驱动电路以及相对应的电源电路组成，
如图3.1所示。

控制电路包括DSP的最小系统、转速与转子位置检测电路、电压
电流检测及调理电路、外设扩展电路、通信电路和保护电路。

功率驱动电路包括
主电路、驱动电路。

控制系统的电源电路主要采用电源模块和电压转换芯片进行
电压等级变换，满足了整个控制系统运行所需的直流电源，包括24V、±15V、5V、3.3V、1.9V。

图3.1 控制系统结构图
系统主电路包括整流电路、滤波电路、逆变电路，将Ｈ相供电电压通过二极
管不可控王相整流模块转成直流电，经过大电容滤波电路滤除脉动电压后变成比
较稳定的直流母线电压，经过三相逆变桥变为可调电压和频率的三相交流电送给
永磁同步电机，完成交－直－交的变换过程。

由于IGBT开关管内部输入阻抗具有容化基极对电荷的聚集十分敏感，所以驱动电路的设计对于IGBT开关管能否正常地导通和关断来说十分地重要。

矢量控制系统的检测电路包括两路定子电流检测
电路、一路直流母线电压检测及相应的调理电路。

其中，两相定子电流是利用两
个霍尔电流传感器分别进行采样检测，直流母线电压利用一个霍尔电压传感器进
行采样检测。

通信部分可以分为两部分，一部分是DSP与手操器之间的通信，另
一部分DSP与上位化之间的通信。

利用DSP的SCI模块进行串行通信，接收和发
送都有各自独立的信号线。

驱动电路必须确保IGBT开关管快速导通和关断，缩短滞后时间，驱动电压保证具有陡峭的前后沿，减少IGBT开关管在导通和关断时的能量损耗。

保护电路主要有：过压保护、过流保护和短路保护等。

4船舶永磁同步推进电机控制系统的软件设计
基于DSP矢量控制系统的软件设计主要包括有三个部分：初始化、主程序、
各中断子程序。

初始化主要包括DSP系统的初始化（如存储空间初始化、系统时
钟频率设置、系统看门狗及系统中断）、系统所有模块的初始化（ePWM模块、SCI模块、A/D转换模块、GPOI端口、eQEP模块、PIE中断等）。

如图4.1所示。

图4.1 主程序流程图
主程序主要是在完成初始化后，对系统参数进行检测，反馈运行状态并在循
环中等待中断，若有中断触发时，开始执行中断服务子程序。

系统的中断服务子
程序包含ePWM下溢中断、SIC中断、定时器中断等，ePWM下溢中断是矢量控
制算法实现的核也部分，对转速与电流双闲环调节、考虑死区补偿的SVPWMSVP
算法等功能都是在ePWM下溢中断中实现的，ePWM下溢中断的周期为100μs。

SCI中断主要负责在RS－232通讯时数据的接收与发送。

定时器中断主要是保证
程序产生精确的延时。

5结语
船舶电力推进技术中通常采取变频调速的控制策略，其策略具有调速范围较宽、推进效率很高且转速控制精确等特点，逐渐成为使用领域最广泛、发展前景
最广阔的交流调速系统。

尤其是矢量控制与直接转矩控制在交流调速控制策略中
应用非常普遍，其控制效果良好，应用到船舶电力推进系统中无疑是非常好的选择。

参考文献：
[1] 李云鹏，赵宏革，李世霖，等.船舶电力推进永磁同步电机SVM-DTC控制
系统优化[J].船电技术，2017（2）：28-32.
[2] 秦俊峰，谢积锦，白洪芬.船舶电力推进三相永磁同步电动机双闭环控制研究[J].钦州学院学报，2015，30（2）：7-11.。