一种船舶轴带无刷双馈独立发电系统的矢量控制器及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于船舶发电自动控制领域，特别设及到一种采用无刷双馈电机，基于DSP 技术能够实现变速恒频独立发电运行的船舶轴带无刷双馈独立发电系统的矢量控制器及 控制方法。
【背景技术】
[0002] 船用轴带无刷双馈发电机是一种新型的适用于定螺距螺旋奖船舶的轴带发电机， 它将近年来发展起来的一种新型电机一无刷双馈电机用于船舶的轴带发电。运种发电机只 需要在普通异步电机的基础上加 W改进，采用特殊的转子结构，增加一个小容量的变频器 就可W在一定的转速范围内实现恒频恒压发电。它取消了滑环结构，大大降低了故障率，提 高了可维护性，同时减少了变频器的容量需求，成本低廉，是比较理想的轴带发电机。目前 独立运行的船舶无刷双馈发电系统主要采用W下两种控制方法：
[0003] 第一种方法是标量控制方法，运种方法是将无刷双馈电机看做是一个黑厘子，不 管其内部电磁关系，它采集功率绕组端的电压频率和幅值，然后和给定值进行比较，通过PI 调节器输出所需的控制绕组的电压幅值和频率。在运种方法中，发电机控制绕组输出的频 率随着主轴转速的变化而改变，输出的幅值随着功率绕组的负载变化而改变，从而保证发 电机输出电压的幅值和频率满足船舶电站要求，此方法的优点是控制简单，易于在处理器 中实现，但此方法动态控制效果差，当转速突变或者突加突减负载很容易造成系统的崩溃。
[0004] 第二种方法是基于双同步模型的矢量解禪控制控制方法，运种方法为实现定子两 套绕组的完全解禪控制，把功率绕组和控制绕组分别建立在各自的同步坐标系下，进行磁 场定向。根据跟定功率绕组幅值和频率可W得到Pr同步坐标系功率绕组磁链给定量 护护和的r，磁场定向后销*二0求解出转子电流与将IT和的T，得到叛+據和驚+驚大 小。由功率绕组在转子中产生电流分量壤;、/品通过检测功率绕组实际电压值由再经坐标 求得。运样就可W求得控制绕组在转子中产生电流分量的给定值把、/;'r，再通过坐标变化 到求得控制绕组电流分量(Cr同步坐标系）。此控制方法动态效果好，对转速突变及突加突 减负载能具有很好的跟踪效果，但此方法高度依赖电机参数，且电机参数又无法准确获得， 运对实际控制有一定难度，同时此种方法需要进行多次坐标变换，计算量大，无法在通用微 处理器上实现。
[0005] 总之，采用W上运两种方法虽能实现船用轴带无刷双馈独立发电的控制，但都有 其固有的缺点，对于大规模的工业化应用还需一段距离。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种精度高，可靠性好，成本低廉的船舶轴带无刷双馈独 立发电系统的矢量控制器。本发明的目的还在于提供一种动态性能良好，易于在通用微处 理器上实现的船舶轴带无刷双馈独立发电系统的矢量控制方法。
[0007] 本发明的目的是运样实现的：
[0008] 一种船舶轴带无刷双馈独立发电系统的矢量控制器，包括传感器电路、信号调理 电路、模数转换电路、DSP系统、电机功率模块、电源系统，传感器电路能获取无刷双馈电机 的转速、功率绕组的电压和电流信号、控制绕组的电流信号，信号调理电路主要通过运算放 大器对接收到传感器信号进行滤波与缩放处理后送入模数转换电路进行数据转换，模数转 换电路是WADS8568忍片为核屯、的AD采集电路，忍片与DSP外部总线相连，DSP系统采用一片 DSP忍片作为处理器，型号为TMS320C28346，DSP系统上留有通信接口，其中包括MAX232忍片 构成的RS232通信接口、MAX485忍片构成的RS485接口、SN65HVD232D构成的CAN通信接口和 R化8019AS忍片构成的W太网通信接口，DSP系统根据功率绕组的电压、电流信号、控制绕组 的电流信号、转子的速度与位置信号及期望的电压与频率值，通过控制算法，生成控制量， 并经过PWM调制，将信号送至功率模块，功率模块包括功率驱动与保护电路及由功率器件组 成的=相H桥逆变电路，电源系统包括WTPS54316忍片为核屯、处理器提供3.3VI0工作电源， WTPS54312忍片为核屯、处理器提供1.2V内核工作电源，WTLV70218忍片为核屯、处理器提供 1.8V时钟电源，WTPS3307-18忍片来进行电压监测和系统复位。
[0009] -种船舶轴带无刷双馈独立发电系统的矢量控制方法：
[0010]步骤1，系统上电初始化，通过自举程序调用存储在化A甜中的程序，调用结束后程 序开始从主函数处开始运行，进入步骤2;
[0011] 步骤2，外设初始化，开定时器中断，开总中断；
[0012] 步骤3,判断是否到达定时器下溢中断，如果没有到达，关闭总中断，进行转速Wr计 算，计算完成后开启总中断，再次判断是否达到下溢中断，如果达到，执行下溢中断程序；
[0013] 步骤4,下溢中断程序执行，启动AD转换，采集功率绕组的电压电流及控制绕组的 电流信号，然后将数字量转换成实际电压电流值；
[0014] 步骤5,读取给定电压频率时及当前转子转速Wr,然后将两绕组电流进行d-q变换， 其转换矩阵为：
[0016] 对于功率绕组的=相电流，其目取功率绕组磁链的角度目P，对于控制绕组的=相电 流0取0p-(Pp+Pc)0r，其中0r为转子的角度；
[0017] 步骤6，进行转子电流ird、计算，转子d轴的当前值的计算公式为ird= (lpsipcTUs/ WP) /1 pm，转子q轴指令值直接由公式每=/。山/求得；
[0018] 步骤7,读取给定电压幅值，通过与当前电压值做差得到电压误差，经过PI调节后 输出转子d轴电流补偿值4，与步骤4得到的d轴电流ird相加得到转子电流d轴的指令值4 ;
[0019] 步骤8，计算得到控制绕组的d轴和q轴电流的开环给定值，其公式为 fed = !P，"山 + 化;W wj。"，t勾=村-!妒,i巧 +!/巧)/ Wj;
[0020] 步骤9,将控制绕组开环给定值与实测控制绕组的d轴和q轴值进行比较做差，通过 两个PI调节器加上相应的补偿值获得控制绕组电压的指令值，其中控制绕组的电压补偿值 计算根据心=M'r也苗+(,,,与}，M邱=-/(,,,C俩公式得到；
[0021] 步骤10,将控制绕组指令电压经过标准帕克反变换得到两项交流电压，经过SVPWM 模块输出相应PWM信号；
[0022] 步骤11，下溢中断程序返回继续从步骤3开始执行。
[0023] 本发明的有益效果在于:本发明针对现有船舶轴带无刷双馈独立发电运行技术的 缺点，本发明采用了基于DSP处理器平台完成了船舶轴带无刷双馈独立发电的矢量控制器 设计并采用功率绕组磁链定向控制算法，该发明不仅可W使船舶轴带发电系统实现稳定的 变速恒频运行，在突加突减负载的状况下也能保持良好的动态性能，且该技术方法所需传 感器数量少，计算量小，可W在通用微处理平台上实现，节约研发与生产成本。
【附图说明】
[0024] 图1船舶轴带无刷双馈独立发电矢量控制器的工作原理图；
[0025] 图2船舶轴带无刷双馈独立发电矢量控制器的结构框图；
[0026] 图3船舶轴带无刷双馈独立发电矢量控制器电源原理图；
[0027] 图4船舶轴带无刷双馈独立发电矢量控制算法原理框图；
[0028] 图5船舶轴带无刷双馈独立发电矢量控制程序流。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明做更详细的的描述，在运里需要说明的是传感器电路、信 号调理电路、模数转换电路、DSP系统、电机功率模块均为典型连接电路，运里就不在对其原 理图进行描述。
[0030] 结合图1，图1所示为船舶轴带无刷双馈发电矢量控制器的工作原理图，控制器通 过通信接口获得上位机发出的电压频率和幅值的指令值，DSP系统通过控制模数转化电路， 来获得经过传感器接口电路和信号调理电路的电压、电流传感器的值，运些信号包括:功率 绕组线电压、功率绕组=相电流、控制绕组=相电流。DSP系统同时直接从信号调理电路获 得转子转速和位置。运些信号进入DSP系统，经过特定的算法，获得控制绕组的电压指令，经 过PWM调制后，输出相应的PWM信号，然后经过电平转换与隔离电路，驱动外部的功率驱动电 路，控制=相H桥电路产生实际的控制绕组电压值。
[0031] 结合图2,图2所示船舶轴带无刷双馈独立发电矢量控制器的电路结构框图，运里 DSP处理器采用TMS320C28346，它是一个32位的微处理，其工作频率可达300MHZ，具有32位 的数据总线，它工作时需要S种电源。运里采用TPS54312产生1.2V内核工作电压，TPS54316 产生3.3V的IO工作电压，TLV70218产生1.8V时钟工作电压。外部时钟采用20MHZ的有源晶 振，通过X化KIN引脚进入DSP内部，经过化L倍频产生300M监的总线时钟。TPS3307-18为电源 监控和复位忍片，当电源系统提供的电压值小于DSP的工作电压时，此忍片就会产生一个复 位信号，将DSP复位，同时此忍片还可W通过按键进行手动复位。采用IS61LV51216SRAM存储 器进行程序运行时的中间数据存储。采用SST39VF800C FLA甜存储器作为程序存储器，同时 也可W存储历史数据。两个存储器通过外部总线与DSP相连。在通信接口电路上，采用了4种 通信接口，方便与各种接口设备的互联，选取MAX3232忍片与DSP的SCIA接口相连，选取 MAX485忍片与DSP的SCIB接口相连，选取SN65HVD232D忍片与DSP的eCAN接口相连，选取 irrL8092AS忍片与DSP的外部总线相连。模数转换忍片采用ADS8568忍片，它通过外部总线与 DSP相连。采用74LVC245忍片来进行PWM信号的电平转换与隔离。
[0032] 结合图3，图3所示为系统电源原理图。本系统需要3.3V、1.8V、1.2V工作电压，控制 器输入5V电压，同时为了可靠运行需要进行电压监测。本发明选取TPS54316U1产生3.3V电 压，选取TLV70218U2产生1.8V电压，选取TPS54312U4产生1.2V工作电压，选取TPS3307-18U3 进行电压监测。稳压二极管Z