基于DSP舰用全数字化控制逆变启动电源设计

刘秀峰 朝泽云

（1. 海军驻七O一所军事代表室，武汉 430064；2. 华中科技大学 电气学院，武汉 430074）

1 引言

舰船电站发电机组的滑油系统配备有交流电动滑油泵为机组提供润滑油，在机组备车、紧急停机或者舰电突然失电时，需要立即启动交流电动滑油泵为机组的轴承等转动部分建立油膜，避免轴承因过热而损坏。因此，交流电动滑油泵是舰船重要的辅助装置，一旦不能正常启动，将影响整个舰船动力系统的工作[1,5,6,9]。由于通常采样交流异步电动机拖动滑油泵工作，因此，根据启动指令可靠快速的启动滑油泵用交流电动机至关重要。

本文根据舰船实际需要，设计了一种基于DSP的全数字化控制逆变启动电源，电路中的开关器件选用全控型器件 IGBT。该装置具有直接启动1.5 kW的380 V/50 Hz交流异步电动机和快速软启动3 kW的380 V/50 Hz交流异步电动机两种启动模式，并在交流市电和220 V蓄电池组供电切换时不间断地为电动机供电。因此，逆变启动电源需要具有能够承受直接起动电动机时较大的起动电流的冲击、实现快速软起动3 kW交流电动机的高性能控制、在交直流供电的宽输入电压范围内均能输出380 V/50 Hz交流电、在交直流供电切换时能够不间断的输出等功能。

2 系统结构及工作原理

图1所示为逆变启动电源原理框图。装置主电路采用了AC/DC/DC/AC的变换结构，其工作原理为当市电正常时，含十二相自耦变压器的十二脉波不控整流电路将经 EMI滤波后的交流市电变换为400 V直流电，从而有效减少市电输入级AC/DC变换产生的谐波含量，提高功率因数，降低输入变压器的容量。若市电发生故障，立即转换为 220 V蓄电池组不间断的为后级电路供电。由于在交直流两种输入电压等级下逆变启动电源均需输出 380 V/50 Hz交流电，因此采用Boost升压变换电路将市电或蓄电池提供的直流电升至580 V，为后级三相逆变电路提供稳定的直流母线电压。通过控制三相逆变电路的工作方式，从而实现直接启动电机和快速软启动电机的功能。

图1 逆变启动电源原理框图

图2 Boost电路控制原理框图

控制系统采用将数字调节、硬件和软件保护相结合的控制方案[2]。控制电路主要由美国TI公司生产的高速数字信号处理（DSP）芯片F240及其外围电路组成。主要完成对电压、电流反馈信号的采样检测处理、Boost变换、压频协调控制、优化的电压空间矢量控制（SVPWM）、驱动信号产生、显示数据发送、以及整机控制等功能。并实现对各种故障进行检测和保护处理。同时发送装置的状态信息至电力系统监控中心进行通讯。显示电路对逆变启动电源的运行状态进行实时显示。面板控制电路用于接收操作人员发出的控制信号，经处理后送到中控芯片F240，实现对逆变启动电源的控制。

3 Boost电路控制策略

Boost电路主要功能是在宽输入电压范围和在电压切换的动态过程中均能为三相逆变电路提供稳定可靠的直流电。

图2所示为Boost电路控制原理框图。由于PI调节器结构简单，具有一定的鲁棒性，在工程控制领域得以广泛应用。因此，选用PI调节器控制Boost变换电路输出电压。传统数字PI调节器的数学模型为[3]：

其增量表达式为：

其中 e ( k)、 e ( k-1)分别为第k和 k -1次采样误差值，Kp为比例系数，KI为积分系数。

由于Boost电路输入电压变化范围大，特别是高低电压切换的瞬间会引起输出电压 UF和升压电感电流IF振荡和尖峰，从而增加开关器件的电应力。尤其在高压切低压时会出现较高的电流尖峰，严重时甚至会损坏开关器件。

而传统 PI调节器的参数在控制过程中为常数，难以满足系统实际要求。因此，需根据实际实际经验对PI参数进行相应的调整。在不同的电感电流IF和电压误差e下，PI参数的自调整需满足如下的原则：

(1)当|e|较小时，为了减小稳态误差，应取较小的 Kp和 KI，以便减小超调量和过渡时间，在保证系统稳定性的同时还具有较好的快速跟踪性能。

(2)当|e|较大且 UF＞UG时，低压切高压或电机停机时往往出现这种情况。应取较大的 Kp和KI，加快系统收敛速度，减少偏差和收敛时间，使瞬态响应加快。

(3)当|e|较大且 UF＜UG、IF较小时，软启动电机时往往出现这种情况。为了加快系统收敛速度，应取较大的Kp和KI。

(4)当|e|较大且 UF＜UG、IF较大时，高压切低压或直接启动电机时往往出现这种情况。适当减小 Kp和 KI，避免系统收敛速度过快，从而减小电流尖峰。

如图2所示，对Boost升压电感电流IF和输出电压UF进行采样，经过变参数的PI计算，调节驱动Boost升压电路中开关管的驱动信号，从而调节输出电压保持恒定。

为了进一步有效减小电流尖峰对Boost电路的冲击，当IF＞Imax（Imax为允许的最大电流尖峰值）时，只允许Boost电路开关器件的PWM脉宽减小，不允许增加。

4 逆变启动电路控制策略

逆变启动电路需要具备两种工作模式，一种是采用恒压频比控制的快速软起动方式[8,10]，快速起动3 kW电动机，从而在得到足够大的启动转矩的前提下，还能有效减少启动电流，稳态时为电机提供三相380 V/50 Hz的电压；一种是逆变起动电源始终输出三相380 V/50 Hz交流电，随时准备直接起动1.5 kW电机，承受启动电流的冲击。

图3 逆变启动电路控制原理框图

由于交流电机的负载均为滑油泵，对调速性能(特别是动态性能)要求不高，因此，采用转速开环控制系统即可满足系统要求。考虑到输入电压切换和直接启停电机会引起逆变输出电压的波动，因此逆变启动电源的控制策略为恒压频比控制结合输出电压反馈控制，原理框图如图3所示。

逆变启动电源启动时，其输出电压的频率给定ωs和幅值给定us成比例的从0线性增大至50 Hz/380 V，随后加入输出电压的数字闭环调节，从而有效抑制直接启动电机时的瞬时电压跌落以及补偿开关器件管压降和滤波电路压降，保证输出电压的稳定性。此外，还采用数字化电压空间矢量控制（SVPWM），在改善输出电压波形的同时有效降低开关管的开关损耗、并提高直流母线电压的利用率[4,7]。

5 试验结果

图4所示为逆变启动电源在不同工况下的实验波形。图4(a)和(b)分别为逆变启动电源拖动1.5 kW电机，交流供电（整流后的直流电压为400 V）切换至直流供电（220 V）时和直流切换至交流供电时Boost电路输出电压UF和电感电流IF波形；图4(c)为逆变启动电源软启动3 kW电机时的定子电流波形；图4(d)为逆变启动电源直接启动1.5 kW电机时的输出电压uf和电机定子电流is波形。

图4 实验波形

图4(a)和(b)所示的实验结果表明输入在交流供电和直流供电之间切换时，Boost电路的输出电压能够快速恢复稳态额定输出，电压波动范围不大，升压电感电流的峰值也被限制在安全范围内。说明Boost电路具有较好的抗扰动能力。从而能够为后续逆变电路提供可靠的直流母线电压。图 4(c)所示的实验结果表明逆变启动电源能够实现快速软启动3 kW电机的功能，从图中可以看出，启动时间不大于2 s，且启动时刻电机定子电流被有效限制在1.5倍额定电流以内。图4(d)所示的实验结果表明逆变启动电源能够承受直接启动1.5 kW电机的冲击，从图中可以看出，逆变启动电源的输出电压在直接启动时瞬态压降不大，且能快速恢复至额定输出。

6 结论

根据舰船滑油泵配套交流电机不同的启动方式要求，设计了一种基于DSP全数字化控制的逆变启动电源装置，该电源两种工作模式：快速软启动3 kW电机和直接启动1.5 kW电机，可以在交直流两种供电电压等级下安全可靠的工作。

实验结果表明，该装置在交直流两种供电电压切换时具有较好的动态性能，能够实现在不大于2 s的时间内软启动3 kW电机，并能安全可靠的直接启动1.5 kW电机。

[1]熊启发. 轴系滑油泵控制技术研究[J]. 船电技术,2005, (5)： 36-38.

[2]李永东. 交流电机数字控制系统. 北京： 机械工业出版社, 2003.

[3]Gene F.Franklin等. 动态系统的数字控制（Digital Control of Dynamic System）第3版. 北京： 清华大学出版社, 2001.

[4]陈坚. 电力电子学—电力电子变换和控制技术 第二版. 北京： 高等教育出版社, 2002.

[5]王庆红. 舰船综合电力系统总体概念研究的思考[J].中国舰船研究, 2006,(3)： 25-29.

[6]Calfo. Generators for use in electric marine ship propulsion systems. Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference, 2002, V1, p254-259

[7]Kumar. Direct torque control of open-end winding induction motor drive using the concept of imaginary switching times for marine propulsion systems.Industrial Electronics Society. IECON 2005.31st Annual Conference of IEEE, 2005, p1504-1509.

[8]Kubota. PWM parallel resonant inverter designed for marine diesel emission control system. IEEE International Symposium on Industrial Electronics,2006, V2, P1341-1346.

[9]Apsley,J.M. Propulsion drive models for full electric marine propulsion systems. IEEE Electric Machines &Drives Conference, 2007, V1, P118 - 123.

[10]Leleu,E. Reduction of vibrations in an induction machine supplied by high power PWM inverter.European Conference on Power Electronics and Applications, 2005, P1-8.