岛际小型电动船舶永磁同步电机控制器的研究-毕业论文.doc

1、摘 要I摘 要目前舟山现有的岛际小型交通船仍以柴油机船舶为主，柴油机船舶在工作时不仅会产生大量的废气，而且会发出很大的噪声，因此不符合环保和节能的要求。然而，电动船舶的电力推进系统采用蓄电池进行供电，码头或港口补充能量，可以完全摒弃传统的柴油机动力，避免柴油机产生的废气和噪声对海洋环境造成污染，并大大提高了工作效率。随着高能蓄电池和快速充电技术不断发展，现代电动船舶完全可以在短途的岛际交通运输中实现与电动汽车同样的价值。以蓄电池为供电来源的船舶电力推进技术在国内才刚刚起步，而电力推进效率的关键之一就是电机控制器的性能。由于永磁同步电机（PMSM）与其它推进电机相比，其整体性能很高，但目前只适用

2、于小功率推进系统，因此本文以岛际小型电动船舶的直流推进系统为研究对象，主要对 PMSM 控制器进行了研究。首先对 PMSM 的矢量控制理论进行剖析，选择了速度环和电流环的双闭环 PI调节的控制方案。在数学模型的基础上，重点介绍了 id=0 的 PMSM 矢量控制方式，并详细阐述了 SVPWM 的脉宽调制方法的实现过程。其次，硬件的设计基于 Altium Designer Winter 09 开发平台，以 TI 公司的 DSP芯片 TMS320F2812 为关键元器件设计了 PMSM 控制器的控制板硬件电路，以 Fuji 公司的功率开关器件 IGBT 模块 2MBI200S-120 为关键元器件

3、设计了 PMSM 控制器的功率板硬件电路，并以风帆公司的蓄电池 6-CQ(A)-225 为单体设计了直流供电系统。此外，软件的设计基于 CCS 3.3 开发环境，采用 C 语言编写了的 PMSM 矢量控制系统软件部分。最后，为了检验本文设计的 PMSM 控制器能否适应系统的控制要求，一方面，基于 Matlab/Simulink 平台，搭建了 PMSM 的矢量控制系统仿真模型，仿真结果表明该系统的静态性能和动态性能符合要求。另一方面，设计了相应的 PMSM 控制器实验装置，实验结果进一步表明，该控制器能够满足小型岛际电动船推进电机的实际应用要求。关键词：电动船舶；PMSM；矢量控制；DSP；SV

4、PWM摘 要IIABSTRACTAt present, Zhoushan existing small inter-island traffic vessels is still dominated by diesel vessels. Diesel vessels will generate a lot of waste gas and loud noise, so it does not meet the requirements of environmental protection and energy saving.However, electric vesselss electri

5、c propulsion system uses battery powered and replenish their energy at dock or port, which completely abandon the traditional diesel power and avoiding the pollution to the marine environment form exhaust and noise generated by diesel.Then, the work efficiency greatly improves. With the development

6、of high-energy battery and fast charging technology, modern electric vessels can achieve the same value of electric vehicles in short inter-island transportation. Batterys as a power source for propulsion technology of electric vessels in China has just started, and the efficiency of the motor contr

7、oller is one of key properties of electric propulsion. As the permanent magnet synchronous motor (PMSM) compares to other propulsion motor, its overall performance is very high, but currently it only applies to small power propulsion system.So the paper uses DC inter-island propulsion system of smal

8、l vessels as the study object, and it mainly does rearch on the controller of PMSM. Firstly, the paper analyzes the vector control theory of PMSM , and it selects the dual-loop regulatings PI control scheme, including a speed loop and a current loop. On the basis of the mathematical model, it focuse

9、s on the PMSM vector control mode of id =0, and elaborates the realization process of SVPWM.Secondly, hardware designs are based on the development platform of Altium Designer Winter 09; TIs DSP chip TMS320F2812 is used as the key component to design PMSM controller hardware circuit of control board

10、; Fujis power switching device IGBT module 2MBI200S-120 is used as the critical component to design PMSM controller hardware circuit of power board; Sailings battery 6-CQ (A) -225 is used as the single to design DC power supply system; In addition, the software design is based on development environ

11、ment of CCS 3.3, and C language is used to compile the software of vector control system of PMSM .Lastly, to test whether this PMSM controller can adapt to the requirements of the control system or not, On the one hand, the paper builts vector control system of simulation model of PMSM based on Matl

12、ab/Simulink platform, and simulation results 摘 要IIIshow that the static and dynamic performance of the system are able to meet the requirements. On the other hand, corresponding PMSM controller device is designed, and the results further show that the controller can meet actual application requireme

13、nts of propulsion electric motor for small inter-island vessels.Key words: Electric boat；PMSM;Vector control; DSP; SVPWM目 录IV目 录摘 要 .IABSTRACT .II第一章 绪论 .11.1 课题研究背景和意义 .11.2 国内外电动船舶研究现状 .31.2.1 国外电动船舶研究现状 .31.2.2 国内电动船舶研究现状 .31.3 PMSM 的优越性及其控制要求 .41.3.1 多种推进电动机的比较 .41.3.1 PMSM 控制器的性能指标以及控制要求 .51.4

14、PMSM 矢量控制策略的发展及应用 .61.5 课题主要研究内容 .6第二章 PMSM 的矢量控制算法实现原理 .82.1 永磁同步电机的数学模型 .82.2 PMSM 矢量控制方式的选择 .102.3 PMSM 的矢量控制模型 .112.4 SVPWM 算法的实现 .122.4.1 SVPWM 的基本原理 .132.4.2 SVPWM 法则 .152.4.3 合成矢量所在扇区号的判断 .202.3.4 基本矢量的作用时间计算 .21第三章 控制器的硬件设计 .253.1 控制板硬件设计 .263.1.1 主控芯片及其外围接口电路 .263.1.2 电源转换接口电路 .273.1.3 正交编码

15、脉冲电路 .283.1.4 其他电路 .293.2 功率板硬件设计 .293.2.1 主电路 .293.2.2 三相逆变桥的 IGBT 驱动电路 .313.2.3 检测电路 .32第四章 电池系统 .36目 录V4.1 电动船舶的负荷计算 .364.2 蓄电池的连接方式 .374.3 电池管理系统 .39第五章 系统软件设计 .405.1 软件开发系统 .405.2 系统主程序 .405.3 定子电流与直流母线电压/电流检测子程序 .415.3 转子位置/速度检测子程序 .425.3 数字 PI 调节子程序 .435.4 SVPWM 发生子程序 .44第六章 PMSM 控制器仿真试验 .466

16、.1 仿真模型的建立 .466.2 仿真结果分析 .46第七章 永磁同步电机控制器产品试制研究 .537.1 电动船控制器的电磁兼容性设计 .537.1.1 强电部分电磁兼容性设计 .537.1.2 弱电部分电磁兼容性设计 .537.2 实验结果分析 .55第八章 总结和展望 .578.1 全文总结 .578.2 后续展望 .57参考文献 .59致 谢 .62在读期间发表的学术论文及研究成果 .63第一章 绪论1第一章 绪论1.1 课题研究背景和意义海洋开发的步伐在不断前进，海洋环境的保护问题越来越受到重视。舟山现有的岛际小型交通船大多采用柴油机作为动力，柴油机在运行过程中，不仅其机械部件的不

17、断振动会产生巨大的噪声，而且会排出大量的废气，严重破坏了海洋的生态环境。此外，柴油机船舶的缺点还包括操纵性能低、空间布局较差、轮机系统复杂、效率低等。然而，以蓄电池为供电来源的电力推进船舶能够克服柴油机船舶的缺点，其环境效应和经济效应前景不可估量。以蓄电池为供电来源的直流推进电动船舶的优势如下：1）国家节能减排的要求和电动汽车的示范作用推动其不断发展。2）具有最高境界的静音式、并且环保节能，非常符合市场需求，完全适用于短途的岛际小型交通船舶。3）蓄电池与太阳能、风能具有天然的匹配优势，可采用包括岸电在内的多种清洁能源。随着风光能技术的不断进步和价格的不断降低，可以推出性能十分优良的廉价风光电结

18、合的电动船舶。4）电力推进技术的控制精度远高于柴油机等热力机，是一种取代传统粗糙式柴油机推进的更新换代技术；蓄电池可与永磁电动机配套可形成简单的直-交变频式高效电力推进模式；如果再结合新能源，能够产生绿色环保的新型船舶。5)与柴油机船舶和电动汽车相比，在利用太阳能和风能（尤其是风能）方面，以蓄电池为供电来源的电动船舶具有明显的优势。理由是：电动汽车在运行时，速度一般都比较快，很难把风光能进行有效利用。柴油机船舶根本无法储能，不能进行把能量进行可逆转换。6）与电动汽车相比，电动船舶对蓄电池的要求要低很多。因此，在电动汽车上派不上用场的低能蓄电池却能够在电动船舶上充分实现价值。此外，以蓄电池为供电

19、来源的电力推进船舶能够节能的具体原因如下：1)充电机的效率可以达到 98%、蓄电池的效率可以达到 55%96%、电动机的效率可以达到 80%97%。2)由于推进电动相关控制理论和电力电子技术的迅速发展，电机的效率越来越高。PWM 、SPWM、SVPWM 等脉宽调制方式，能够准确控制电机的电磁转矩和输出转速，节能效率比传统的电力推进提高 30%以上。3)电动船舶的电力推进系统所占的空间和自身重量都得到了优化，船舶空间可以进行更合理的布局，能够有效提高空间利用率。4)可以廉价获得风能以及太阳能等能源，进行综合运用后，其节能效果显著。实践证明：以蓄电池为供电来源的电力推进船舶的总体效率可以达到 60

20、%以上。岛际小型电动船舶永磁同步电机控制器的研究2尽管电动船舶电力推进有诸多优点，但其发展受到了一定抑制。目前电动船舶造价高、蓄电池的重量大，充电比较麻烦复杂，续航时间短。所以，要想把电动船用于长途航行是不经济的。受限于技术，如果用于长途航行，还需要配套高能的燃料电池，并采用电油结合的推进模式。目前，蓄电池的容量和新能源的利用率是限制电动船舶发展最主要的一个因素。风光能由于造价高、效率低、连续供电时间短，难以进行推广应用，实际意义上的高能蓄电池依然受限于技术。随着科学技术的不断发展，技术会不断进步、价格肯定会越来越低，估计电动船舶会经历与汽车一样的发展历程。发电机与电动机进行配套的交-交模式的

21、船舶可以对应于内燃机汽车、蓄电池与风光电结合的模式的船舶可以对应于蓄电池电动车、蓄电池加发电机的电油结合模式的船舶可以对应于混合式汽车。随着科学技术的发展，电力推进的电能来源将可以由新型的综合能源供给，推进电机采用永磁同步电机，电动船舶的性能和续航能力将会越来越强，风能船舶、太阳能船舶等电动船舶在岛际运输等短途航行中逐渐开始使用。由于蓄电池可以储存电能，未来可以彻底摆脱对港口码头充电机的依赖。如果将廉价而丰富的风能和光能利用起来，配置一套非常节能的电力推进系统，再研制出真正的高能蓄电池，三者组合起来形成一艘电动船，那么它不仅能够节能环保，而且再也不需要依赖岸电进行能量补充，这种超高性能的廉价船

22、舶一旦出世，那么电动船将对现有的船舶进行大面积的更新换代。与电动汽车相比，小型电动船舶仍相当落后，现有的成熟技术已完全可以制造出用岛际交通运输需求的小型电动船舶，就舟山地区而言，电动船的实际应用极其少。永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称 PMSM）与其它推进电机相比,它不仅具有高效率、高比功率等显性优势,而且环保节能，是电力推进船舶推进电机最理想的选择。目前 PMSM 受制于技术，功率还不能做到太大，因此本文针对小功率的永磁同步电机控制系统进行研究，尝试研制出一款高性能的小功率PMSM 控制器，同时这也是船舶电力推进系统首先需要攻克的关键部

23、分。PMSM 作为高性能电力推进装置的核心部分,PMSM 控制的发展主要有两个方向：基于光电编码器等位置传感器的控制或者无传感器控制、现代先进的智能控制，目前比较成熟的技术是有位置传感器的控制，因此大多数现有的 PMSM 还是采用传感器进行输出反馈的。然而，用传感器进行反馈的闭环系统鲁棒控制效果会变差，同时会产生额外的制造成本，目前国内外已掀起对 PMSM 的无传感器控制的研究热潮，无位置传感器的控制方法包括：磁链估计法、滑模变结构法、状态观测器法、算法的联合控制等。此外，为了提高 PMSM 控制系统的性能，变结构控制算法、模糊控制算法、最优控制算法、神经网络控制算法等逐渐被应用到 PMSM

24、的闭环控制系统中。第一章 绪论31.2 国内外电动船舶研究现状1.2.1 国外电动船舶研究现状随着全世界对船舶节能与环保性能的重视度越来越高，电动船舶的研究进展非常明显。大型电力推进船舶在国外许多国家已经比较普及，目前流行污染小、推进效率高的涡轮发电机电力推进船舶，并正在进行大功率永磁推进电机的研发 1。1838 年，俄国科学家雅柯宾把蓄电池作为电源、直流电机作为推进电机，然后组合配套形成一艘非常粗糙的小功率船，船舶用电力进行推进的思路至此形成。1860 年，蓄电池+ 直流电动机的直流推进方式的潜水艇首先进入军用，它的电动机和螺旋桨直接相连，这也是世界上实际意义的第一艘电动船舶。1908 年，

25、美国人把蓄电池作为主要的供电来源，研制出第一艘消防用电动船舶，给直流推进船舶进入民用起一个示范的作用。70 年代，船舶推进电机的调速主要是通过以晶闸管开关器件为核心的变流装置来实现的。由于功率管的性能越来越好、容量越来越大，使用门极可关断晶闸管等全控型电力电子器件对电能进行变换的调速方式逐渐替代以晶闸管等半控型器件为核心的直流调速方式。2000 年前，电动船就已经在军用上普遍使用，比如大多数潜水艇，其本质都是电动船。通常情况下，普通的潜水艇在水上航行时由柴油机进行发电把能量储存在蓄电池中，在水下航行时由蓄电池单一供电，推进电动机推动航行；而核潜艇的电能是利用原子能进行发电，即使在水下也可以正常

26、发电，并把多余的能量储存在蓄电池中。2006 年 5 月，英国的一条载重达 3750 吨的蓄电池海上游轮在武汉青山船厂正式建成，蓄电池的充电方式是使用六台发电机组充电，完全是一艘的长途海轮，表面与普通的潜艇非常类似，区别在于普通的潜艇是使用原动机直接进行机械式推进，而此艘电油结合充电型电动船由原动机带动发电机进行发电并把能量存储在蓄电池中，然后蓄电池通过控制器再带动电动机进行全电力推进。2010 年 2 月，瑞士人采用活动式锂离子蓄电池组建成电动船舶“星球阳光”，这是一艘世界上容量最大的双体太阳能船。2015 年 2 月，韩国电气研究院宣布他们的电动船舶实验基地在陆上建设的一期工程已经完成，并

27、正式建立起电动船舶陆基试验场。1.2.2 国内电动船舶研究现状我国的船舶电力推进技术起步比较晚，目前已掀起了风、光、电以及电油结合模式的蓄电池电动船舶的研究热潮。国内采用单一蓄电池作为电源的电动船还没有得到推广使用，只是在封闭的水域和旅游景点的河流有少数应用，国内绝大多数开放水域的应用非常少。2006 年 12 月，湖北宜昌发中船务公司采用单一蓄电池供电，研制出国内第一艘用于旅游景区的既环保又节能的电动船“水上游 001”，其蓄电池采用廉价且低能的铅酸蓄电池和调速方式采用 SPWM 交流变频进行无级调速，利用岸电实现对蓄电池的充电进行能量补充，主推进电动机使用两个功率为 5.5KW 的岛际小型

28、电动船舶永磁同步电机控制器的研究4交流电机。船的尺寸参数如下：长度为 17.5m，宽度为 3m，高度为 1m，吃水深度可以达到 0.55m。只运行一个主推进电机的时候，最大航行速度可以达到 10km/h，最大航行路程可以达到 100km；当同时运行两个主推进电机的时候，最大航行速度可以达到 12km/h，续航路程可以达到 160km。船舶的活动空间为 46m2，可以载客28 人。2008 年 1 月，德航游艇制造有限公司与万向集团进行合作，成功研制国内第一艘以锂电池作为动力的电动游船，并在德清成功完成首次试航，航行速度高达 10公里/小时。此外，杭州西湖风景区“明珠号”钢质蓄电池游船一直在运营

29、，其供电来源是把 220 只型号为 DG370 的蓄电池进行串联得到。主机的配置为两个功率为 7.5KW的直流电机，载客人数 40 名，航行速度可达 10km/s。湖北宜昌发中船务有限公司的蓄电池船舶以岸电的总输入为基准，推进电动机输出轴端总输出占总输入高达64.9%，比柴油机船舶的推进效率高出约 35%。1.3 PMSM 的优越性及其控制要求1.3.1 多种推进电动机的比较目前，推进电动机一般可以分为直流推进电动机、交流推进电动机、永磁推进动机、特殊推进电动机等，与供电来源和相应的控制器进行配套就能够形成各种各样的电力推进系统。随着电机控制技术和功率开关器件的发展，交直流的界限越来越模糊。电

30、子控制技术和永磁技术是电机的发展方向，永磁电动机和脉冲宽度调制控制技术的应用使得交流电机和直流电机逐渐融合。在电能逆变技术和电力电子开关技术的支持下，直流调压、直流变频、交流变频在永磁电机上应用的越来越广泛。永磁电机采用电力电力功率器件进行电子换向，更新了传统使用寿命低的电刷和换向器。直流电动机的控制比较简单、调速方便、速度能够平滑过渡、技术已非常成熟、控制器的造价低，但存在电刷和换向器机械结构、维护频率高、可靠性低、效率低下。此外，直流电动机的生产工艺比较复杂，相同功率下，其体积和重量都不占任何优势。交流电动机一般指的是异步电动机和同步电动机。异步电动机的原理是在定子的三相绕组中分别正弦波的电流，定子发出交变的磁场通过气隙进入转子的周围，然后转子绕组利用电磁感应进行旋转。同步电动机是使用电刷和滑环在转子的绕组中通直流电，使其成为等效的永磁体，因而它会它能够跟随定子产生的旋转磁场进行同步旋转。在永磁材料传感器技术、逆变技术以及微电子技术的支持下，使得具有极高性能的永磁电动机诞生。由于交直流的概念越来越模糊，令人费解，按照有无电刷对永磁电磁进行分类，大概可分为四种：永磁直流电动机、无刷直流电动机