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1、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，但目前只适用于小功率
2、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 为关键元器件设计了
3、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；SVPWM摘
4、 要ABSTRACTAt 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 electric prop
5、ulsion 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 of hig
6、h-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 controller
7、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 small vess
8、els 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 focuses on t
9、he 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; Fuji
10、s 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 environment o
11、f 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 Matlab/Sim
12、ulink platform, and simulation results 摘 要Ishow 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 requirements of p
13、ropulsion electric motor for small inter-island vessels.Key words: Electric boat；PMSM;Vector control; DSP; SVPWM目 录目 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 PMSM 矢量控制策略的发展及应用 61.5 课题主
14、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
15、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I4.1 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.466.1 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
16、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岛际小型电动船舶永磁同步电机控制器的研究0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
