0 引言

船舶设备性能的好坏对整个航运的安全影响重大，而船用主海水泵作为非常重要的冷却和供水设备，其地位至关重要^[1-3]。本文从实际应用需求出发，设计了一种新型船舶主海水泵变频控制系统，并给出了软硬件设计方法，最后给出了控制界面的设计原理图。

1 船用主海水泵变频异步电机的控制系统

三相异步电机是主海水泵中的核心部件，其原理如图 1所示，图中详细描述了定子和转子绕组的分布情况，转子的三相绕组用a，b，c表示，三相定子绕组由A，B，C表示，定子A相的轴线和转子a相的轴线之间的夹角用θ表示，转子的角速度用ω表示，并且以逆时针为正方向，ω₁为定子和磁场的相对同步角速度。

下面建立三相异步电机的电压关系方程，每个线圈绕组之间的电压平衡方程矩阵为

$\left[\! \!\!{\begin{array}{*{20}{c}} {{\boldsymbol{u}_{{ABC}}}}\\ {{\boldsymbol{u}_{{abc}}}} \end{array}}\!\!\! \right]\!=\!\left[\!\! {\begin{array}{*{20}{c}} {{\boldsymbol{R}_{s}}}\;\;\;\;\boldsymbol{0}\\ \boldsymbol{0}\;\;\;\;{{\boldsymbol{R}_{r}}} \end{array}} \!\!\!\right]\left[ \!\!\!{\begin{array}{*{20}{c}} {{\boldsymbol{i}_{{ABC}}}}\\ {{\boldsymbol{i}_{{abc}}}} \end{array}} \!\!\!\!\right] + {p}\left[\!\!\! {\begin{array}{*{20}{c}} {{\boldsymbol{L}_{s}}}\;\;\;\;{{\boldsymbol{M}_{{sr}}}}\\ {{\boldsymbol{M}_{{rs}}}}\;\;\;\;{{\boldsymbol{L}_{r}}} \end{array}} \!\!\!\right]\left[\! \!\!{\begin{array}{*{20}{c}} {{\boldsymbol{i}_{{ABC}}}}\\ {{\boldsymbol{i}_{{abc}}}} \end{array}}\!\!\! \right]\text{，}$

(1)

式中， ${\boldsymbol{u}_{{ABC}}}$ 与 ${\boldsymbol{u}_{{abc}}}$ 分别为定子和转子的线圈电压向量， ${\boldsymbol{i}_{{ABC}}}$ 和 ${\boldsymbol{i}_{{abc}}}$ 分别为定子和转子线圈绕组的电流向量值^[4]。

$\begin{array}{l} {\boldsymbol{u}_{{ABC}}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{u_{A}}}\\ {{u_{B}}}\\ {{u_{C}}} \end{array}} \right]\text{，}\;\;\;\;\;\;{\boldsymbol{u}_{{\rm{abc}}}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{u_{a}}}\\ {{u_{b}}}\\ {{u_{c}}} \end{array}} \right]\text{，}\\ {\boldsymbol{i}_{{\rm{ABC}}}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{i_{A}}}\\ {{i_{B}}}\\ {{i_{C}}} \end{array}} \right]\text{，}\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\boldsymbol{i}_{{\rm{abc}}}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{i_{a}}}\\ {{i_{b}}}\\ {{i_{c}}} \end{array}} \right]\text{。} \end{array}$

(2)

式中： ${\boldsymbol{R}_{\rm{s}}}\text{、}{\boldsymbol{R}_{\rm{r}}}$ 分别为定子和转子的电阻分布矩阵，若定子每相线圈绕组的电阻为R₁，转子的电阻为R₂，则

${\boldsymbol{R}_{\rm{s}}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{R_{\rm{1}}}}&0&0\\ 0&{{R_{\rm{1}}}}&0\\ 0&0&{{R_{\rm{1}}}} \end{array}} \right],\;\;\;\;\;\;{\boldsymbol{R}_{\rm{r}}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{R_{\rm{2}}}}&0&0\\ 0&{{R_{\rm{2}}}}&0\\ 0&0&{{R_{\rm{2}}}} \end{array}} \right]\text{。}$

(3)

假设， ${\boldsymbol{L}_{\rm{s}}}、{\boldsymbol{L}_{\rm{r}}}$ 分别表示定子和转子的绕组电感矩阵。设某个定子的绕组自感为L₁，某个转子绕组的自感为L₂，定子之间的互感为M₁，转子之间的互感为M₂，则满足

${\boldsymbol{L}_{s}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{L_1}}&{{M_{\rm{1}}}}&{{M_{\rm{1}}}}\\ {{M_{\rm{1}}}}&{{L_1}}&{{M_{\rm{1}}}}\\ {{M_{\rm{1}}}}&{{M_{\rm{1}}}}&{{L_1}} \end{array}} \right],\;\;\;{\boldsymbol{L}_{r}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{L_{\rm{2}}}}&{{M_{\rm{2}}}}&{{M_{\rm{2}}}}\\ {{M_{\rm{2}}}}&{{L_{\rm{2}}}}&{{M_{\rm{2}}}}\\ {{M_{\rm{2}}}}&{{M_{\rm{2}}}}&{{L_{\rm{2}}}} \end{array}} \right]\text{。}$

(4)

再用 ${\boldsymbol{M}_{{sr}}}、{\boldsymbol{M}_{{rs}}}$ 分别表示定子和转子绕组之间的互感矩阵，设每个互感系数都是余弦函数。则电机中的定子和转子绕组在重合时的互感为M₁₂，则满足

${\boldsymbol{M}_{{sr}}}\!=\!\boldsymbol{M}_{{rs}}^{\rm{T}} \!=\! {M_{{\rm{12}}}}\left[\!\!\!\! {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \theta }\;\;\;\;{\cos (\theta + \frac{{2{\rm{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ } }}}}{3})}\;\;\;\;{\cos (\theta - \frac{{2{\rm{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ } }}}}{3})}\\[8pt] {\cos (\theta - \frac{{2{\rm{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ } }}}}{3})}\;\;\;\;{\cos \theta }\;\;\;\;{\cos (\theta + \frac{{2{\rm{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ } }}}}{3})}\\[8pt] {\cos (\theta + \frac{{2{\rm{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ } }}}}{3})}\;\;\;\;{\cos (\theta - \frac{{2{\rm{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ } }}}}{3})}\;\;\;\;{\cos \theta } \end{array}}\!\!\!\! \right]\text{。}$

(5)

由于三相异步电机的电压关系满足微分方程，因此可以写成

$\boldsymbol{u} = \boldsymbol{Ri} + {p}(\boldsymbol{Li}{\rm{)}}\text{。}$

(6)

式中， u ， i 分别表示异步电机的电压和电流向量。

$\begin{array}{l} \boldsymbol{u} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\boldsymbol{u}_{{\rm{ABC}}}}}\\ {{\boldsymbol{u}_{{\rm{abc}}}}} \end{array}} \right]{\rm{,}}\;\;\;\boldsymbol{i} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\boldsymbol{i}_{{\rm{ABC}}}}}\\ {{\boldsymbol{i}_{{\rm{abc}}}}} \end{array}} \right]\text{，}\\ \boldsymbol{R} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\boldsymbol{R}_{\rm{s}}}}&\boldsymbol{0}\\ \boldsymbol{0}&{{\boldsymbol{R}_{\rm{r}}}} \end{array}} \right]{\rm{,}}\;\;\;\boldsymbol{L} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\boldsymbol{L}_{\rm{s}}}}&{{\boldsymbol{M}_{{\rm{sr}}}}}\\ {{\boldsymbol{M}_{{\rm{rs}}}}}&{{\boldsymbol{L}_{\rm{r}}}} \end{array}} \right]\text{。} \end{array}$

(7)

式中， R ， L 分别表示异步电机的电阻和电感矩阵。

下面计算电磁转矩T_em：

${T_{{em}}} \!=\! \frac{{{p_0}}}{2}{\boldsymbol{i}^{\rm{T}}}\frac{{\partial \boldsymbol{L}}}{{\partial \theta }}\boldsymbol{i} \!=\! \frac{{{p_0}}}{2}[{\boldsymbol{i}_{{ABC}}}\;{\boldsymbol{i}_{{abc}}}]\left[\!\!\! {\begin{array}{*{20}{c}} \boldsymbol{0}&{\frac{{\partial {\boldsymbol{M}_{{\rm{sr}}}}}}{{\partial \theta }}}\\ {\frac{{\partial {\boldsymbol{M}_{{\rm{rs}}}}}}{{\partial \theta }}}&\boldsymbol{0} \end{array}}\!\!\! \right]\left[\!\!\! {\begin{array}{*{20}{c}} {{\boldsymbol{i}_{{ABC}}}}\\ {{\boldsymbol{i}_{{abc}}}} \end{array}} \right]\text{。}$

(8)

观察发现，上述的转子运动方程也属于非线性的微分方程^[5-6]。

如图 2所示为电机的变频控制原理图，控制器通过开关器KM2，KM4和KM6用于控制变频器的输出组合，进一步对水泵M₁\M₂\M₃进行调整，变频器通过与电力网络连接，实现3台主海水泵的自由工作组合，从而实现变频控制。

2 变频控制系统的软硬件设计 2.1 硬件平台

本文设计的变频控制系统硬件平台采用8051微处理器为主控制器，并采用TI公司生产的TMS320LF 2407 A作为系统的控制核心，然后根据具体的应用需求，搭建了电压整流电路、滤波电路、逆变驱动电路、光电隔离电路、监测电路、过压保护电路和人机扩展接口电路等。

2.2 软件设计

为了实现良好的人机互动，本文设计了人性化的软件操控界面，同时针对软件控制系统，设计了中断服务程序，如图 3所示。通过服务中断程序，能够显著增强系统的兼容能力和稳定性。设计的软件操作界面如图 4所示，能够完成变频控制、状态显示和预警等功能。

3 结语

对于船舶主海水泵的控制一直都是船舶工业领域的研究重点，人们通过各种先进的单片机控制技术，能够显著的提高控制系统的性能，同时正如本文做的工作一样，实现了远程的软件操控，有利于船员进一步降低工作强度。