摘 要: 深海科學考察所用的調查設備其動力系統往往采用鋰電池供電加有刷直流電機的方式， 但鋰電池供電存在較多弊端， 且有刷直流電機機械換相部分容易因工作環境的惡劣出現故障， 針對這種情況設計了一種基于STM32F103微控制器的遠程永磁同步電機控制系統， 采用同軸電纜供電， 使系統的運行更加高效更加可靠， 有效延長了作業時間。
深海電機控制系統是深海科學考察、地質勘探、生物資源采集、深海打撈等深海作業中的一項關鍵技術， 使電機在深海的復雜環境中高效、可靠地運行具有重要的意義。目前， 在我國的深海科學考察中，通常采用有刷直流電機作為動力來源， 水下鋰電池為其供電。由于鋰電池價格昂貴且需要不時的對其進行充電， 嚴重影響了有效作業時間， 所以， 采用水上供電即遠程控制的方式有很大的實際意義。另一方面，有刷直流電機因長時間侵泡在高壓油中， 加上深海作業環境的惡劣， 電刷和換相器很容易損壞。而永磁同步電機利用電子換相代替了機械換相， 不但具有直流電機的調速性能， 而且體積小、效率高。永磁同步電機的轉子采用永磁體， 所以省去了勵磁電路， 因而具有更高的功率因素。近幾年由于新型稀土永磁材料的大量開發和利用， 使永磁同步電機的性能得到極大的提升， 而我國又擁有豐富的稀土資源， 相信永磁同步電機將會得到更廣泛的應用。
1 系統控制原理
圖1是深海遠程電機控制系統的組成框圖。能源與數據混合傳輸同軸電纜既給整個水下系統供電同時又提供了上位機和控制系統通信的線路， 供電電壓為1 kV。數據耦合通信模塊負責在同軸電纜上分離或疊加經調制過的信號， 而DC /DC 電源負責把同軸纜上的1 kV 高壓降為電機的300 V工作電壓并產生供控制系統使用的15 V 電壓。STM32F103微控制器通過光耦隔離的RS232與數據耦合通信模塊進行數據交換， 即接收指令或反饋電機工作狀態。由于電機運行時將產生很大的諧波， 干擾同軸電纜上的數據信號， 嚴重時將導致遠程控制出錯而引起水下系統的誤操作， 所以要求設計的控制系統能很好的響應上位機發出的控制指令。
圖1 深海遠程電機控制系統組成框圖
2 系統設計
2. 1 能源與數據混合傳輸同軸電纜
能源與數據混合傳輸同軸電纜是實現遠程控制的關鍵部分， 電纜上的傳輸電壓波形如圖2 所示。
混合傳輸原理就是在發送端將直流電源和數據信號進行疊加， 然后通過同軸電纜實現耦合后的傳輸， 在接收端再用濾波器將電源和數據分開， 這樣只用一根同軸電纜就實現了對控制系統的供電和控制。
圖2 同軸電纜傳輸信號示意圖
2. 2 數據耦合通信模塊
數據耦合通信模塊主要由數據耦合器和調制解調電路兩部分構成。調制解調電路對數據信號進行調制和解調處理以實現信號的遠距離傳輸。數據耦合器實質上就是濾波器， 它是實現混合傳輸功能的主要部分， 其在整個系統中的作用如圖3 所示。
由于高壓功率電源和數據信號均要在此通過， 故要求濾波網絡耐高壓， 且傳輸功率信號損耗要小、效率高。該濾波網絡在同軸電纜的水上和水下兩端各有一組， 其結構完全相同。
圖3 數據耦合器的作用
2. 3 PMSM 電機
PMSM 按永磁體在轉子上安裝的方式不同可分為面裝式、內插式和內埋式。由于永磁體的磁導率十分接近空氣， 面裝式的永磁體轉子交、直軸電感基本相等， 即L d = Lq， 屬于隱極式電機。由于其電感比較小， 故可快速獲得感應電流， 且不會產生磁阻轉矩， 因此轉矩的線性比較好。本設計所用的電機即采用了此結構。
PMSM的定子和普通電勵磁的三相同步電機的定子是相似的。如果永磁體產生的感應電動勢(反電動勢)與勵磁線圈產生的感應電動勢一樣， 也是正弦的， 那PMSM的數學模型與電勵磁同步電機基本相同。一臺兩極PMSM 的結構如圖4所示。
圖4 兩極PM SM 結構圖
其中a、b、c軸方向分別為三相相繞組軸線的方向，在abc三軸坐標系下PMSM的電壓方程和磁鏈方程分別為:
其中rs 是定子繞組的相電阻， Lms和L Is分別是定子繞組的勵磁電感和漏電感， r 是轉子電角度， Φm 是永磁體產生的磁鏈。由式( 2)可知， 三相定子的磁鏈是相互耦合的， 同時它們都是轉子位置的函數， 這樣就給控制帶來了難度。
上世紀70年代西門子工程師F. B laschke首先提出了矢量控制理論來解決交流電機的轉矩控制問題，使交流電機特性得到極大的改善。矢量控制采用矢量變換方法， 通過把交流電機的磁通與轉矩控制解耦， 使交流電機的控制等效于直流電機。在圖2中，利用坐標變換理論把三相靜止的abc 坐標系變換成旋轉的dq坐標， 其中d 軸為永磁體轉子基波磁場的方向， 而q軸順著旋轉方向超前d 軸90 電角度。轉子參考坐標的旋轉速度即為轉子速度。在dq 坐標軸上的定子電壓方程和磁鏈方程簡化為:
而面裝式PMSM 的電磁力矩可按下式計算， 其中P為電機的極對數:
把式( 4)代入式( 5)， 并且已知面裝式PMSM的Ld =Lq， 故最終可得電磁力矩表達式為:
從式( 6)可以看出控制定子的q 軸電流即可控制電機的電磁轉矩。
2. 4 IPM功率驅動和電流采樣模塊
本設計的功率部分采用了FAIRCH ILD 公司的FSBB20CH60 IPM模塊， 該功率智能模塊集成的MOS管最大工作電壓為600 V， 最大工作電流20 A， 具有很強的自我保護電路， 并帶有一路故障輸出。采用功率模塊不但減小了系統的體積， 而且比采用功率管加驅動芯片的方案具有更強的可靠性。FSBB20CH60的三相電壓輸出U、V、W 分別接PMSM 的ABC 相，Nu、Nv 和Nw 是三個半橋的下半橋輸出， 分別接電流采樣電阻， 阻值為15m#?，F以U相為例說明電流的采樣方法。如圖5所示， Nu 和N 端分別接運放的正相端和反相端， 由于相電流可能流入繞組也可能流出繞組， 因此電壓信號是有正有負， 而STM32F103 的ADC 輸入電壓范圍為0 V到3. 3 V， 故需要加偏置電壓VOFFSET。電流的計算方法如式( 7)所示。
其中取R158 = R159 = 3. 9 kΩ， R 152 = R153 = 1 kΩ， 代入化簡可得式( 9)， 再把式( 10)代入即可求得電流IU的值。
圖5 電流采樣原理圖
2. 5 光耦隔離RS232
為防止電機控制系統因高壓擊穿進而損壞數據耦合通信模塊， 在STM32F103微控制器和數據耦合通信模塊之間采取了光耦隔離措施。光耦隔離RS232的原理圖如圖6所示。隔離芯片采用4N35，由于光耦器件的速度限制且所需傳送的數據量較小， 故RS232的通信速率設定為9600波特率。
圖6 光耦隔離RS232
2. 6 STM32F103微控制器
ST公司的STM32F103控制器采用了ARM 公司最新的Cortex M3內核， 哈佛結構上實現1 25DM IPS /MH z， 3級流水線并帶分支指令預測， 采用Thumb 2指令集， 最高工作頻率可達72MH z。STM32F103片上集成了一個高級定時器TIM1， 能夠輸出六路互補帶死區的PWM波， 并且具有輸入打斷功能。當功率器件上出現過流時使用打斷功能來關閉PWM 輸出， 保護功率器件。電機控制軟件流程圖如圖7所示。
圖7 電機控制軟件流程圖
2. 7 DC /DC及電源管理模塊
DC /DC電源把同軸電纜上的1 kV 功率電壓降為電機的300 V 工作電壓并同時產生供FSBB20CH60功率模塊使用的15 V電壓， 該電壓為其集成MOS管的門極驅動電平。電源管理模塊則使用LM7805 和LM1117， 把15 V 電壓進一步降低， 產生供STM32F103微控制器及控制系統中其它器件使用的3. 3 V 電壓。
3 系統測試
水上部分的電源采用高性能的穩壓直流電源， 以減少紋波干擾， 輸出電壓為1 kV。電機負載逐漸加大， 實驗數據如表1所示。其中Us、Is 和P s 分別為穩壓直流電源的輸出電壓、電流及功率， U1、I1 和P 1 分別是DC /DC 模塊的輸出電壓、電流及功率。實驗結果表明， 從空載到接近額定功率范圍內， STM32F103通過光耦隔離的RS232能夠正常的接收上位機發送的起停、加速減速指令， 電機運行良好， 可見電機運行時不影響同軸電纜上的正常通信， 符合設計要求。
表1 負載逐漸加大時的電機控制情況
4 結束語
本文使用意法半導體公司的最新ARM Cortex-M3 微控制器STM32F103 控制PMSM 電機，STM32F103具有高速雙AD、高級定時器等電機控制所必須的電路， 且具有較高的工作頻率。同時利用數據與能源混合傳輸技術， 實現了既對深海動力設備供電又能進行遠程控制， 克服了使用鋰電池供電的諸多弊病。
這種設備已經成功的應用在了我國科學考察船“大洋一號”上， 實踐證明， 比傳統的方法更具靈活高效， 大大增加了科考作業時間， 減少了設備維護次數， 具有很好的應用前景。