控制理论进步着，电力电子发展着，永磁材料也在发展着，在此情形下，永磁推进电机，被极其宽泛地应用于各类变速驱动的场合之中，之所以会这样，主要是源于，永磁推进电动机呈现出结构简单的特性，永磁推进电动机具备运行可靠的特质，永磁推进电动机拥有体积小的特点，永磁推进电动机存有重量轻的特性，并且，永磁推进电动机还具备较高的效率，永磁推进电动机也有着较高的功率因数等诸多优点。
传统永磁同步电机调速系统通常采用双闭环系统，外环速度控制往往能够达成数字控制，然而内环电流控制通常并不容易达成数字控制，这主要是鉴于电机的电气时间常数相对较小，对于电流控制的实时性有着颇高要求，一般的微处理器很难契合要求，但是伴随着电力电子技术以及微处理器技术的发展，尤其是 TI 公司针对电机控制所推出的 DSP-F240 为实现全数字控制给予了较为现实的手段。DSP - F240主要是由CPU、片内RAM以及可编程FLASH ROM、事件管理器、片内周边接口等部分所组成的，它的工作频率相对较高，一般而言要大于20MIPS，并且在片上集成了许多面向电机控制的外围设备，这使得整个系统的实现相对而言比较容易。本文对以TMS320LF2407A DSP为核心的永磁同步电机推进系统的硬件结构和软件流程进行了介绍，还针对该套方案开展了Matlab/Simulink仿真以及低速运行实验。
1 永磁同步电动机的矢量控制策略
矢量控制理论，是由F.Blaschke于1971年提出来的，其基本原理是，在转子磁链dqO旋转坐标系当中，把定子电流分解成相互正交的两个分量id和iq，其中id与磁链方向相同，代表定子电流励磁分量，iq与磁链方向是正交的，代表定子电流转矩分量，用这两个电流分量所产生的电枢反应磁场，来等效替代原来定子三相绕组电流ia、ib、ic所产生的电枢反应磁场，也就是进行Park变换。
式中，γ是转子位置角，也就是转子d轴超出定子à相绕组中心线的电角度。接着，分别针对id与io展开独立控制，如此便能获取如同直流电机那般优良的动态特性。表面凸出式转子结构的永磁同步电机，其d、q轴电感大致相同，所以其电磁转矩方程是：
式中：pn为转子极对数，Ψf为永磁体产生基波磁链的有效值。
为了让定子单位电流生成最大转矩，以此提升电机的工作效率，在本文当中选用了最大转矩/电流矢量控制，从式（2）能够知道，对于那表面凸出式转子结构的永磁同步电机而言，能够让id=0，借助调节iq去达成转矩的控制，情况如图1显示那样，整个伺服系统是由3个控制环构建而成的。
1）位置环，采集电机旋转编码器输出的脉冲信号，进行鉴相之后，再进行倍频，进而开展计算，以此提供坐标变换所需的转子位置信息。
2）速度环，是将比较实际转速n和设定转速nref后所得的差值，经PI调节，之后作为q轴电流参考值iqr，再经过电流环调节。
3）电流环，会对电流实际值id、iq以及参考值idr、iqr进行比较，经过PI调节之后，进而产生d、g轴电压参考值udr、uqr，把udr、uqr转换至静止坐标系中得到uαr、uβr按照SVPWM方式生成逆变器触发信号以此驱动电机。
2 系统硬件结构
如图2所示的永磁同步电动机推进系统硬件结构，它主要具备三大功能，其一为实现电动机控制策略，其二是进行控制量的检测采样，其三是功率驱动。
2.1 TMS320LF2407A DSP
TMS320LF2407A DSP完成了整个系统控制策略的实现，它具备低功耗以及高速度的特性，其单指令周期最短能够达到25 ns，片内两个事件管理器，也就是EVA和EVB，各有2个通用定时器，还有1个外部硬件中断引脚，3个捕获单元，即CAP，以及1个正交编码单元，也就是QEP，这些功能与串行外设接口，也就是SPI等模块一同，如此便便利了电机控制过程里的数据处理、策略执行以及决策输出等。
2.2 控制量检测部分
电机机械量的采集是由增量式光电编码器来达成的，其输出涵盖两组脉冲信号，一组是A、B、Z，另一组是U、V、W ，它们与DSP的连接情况如图3所示。其中，A、B信号呈正交状态，正交编码单元会把它们进行四倍频处理后，再送入相应的计数器去计数，计数的方向是由A、B信号的相位先后次序来决定的。Z信号随着转子每转动一周输出一个脉冲，以这些信号的不同状态为依据，能够把360°电角度平面划分成6个部分，如此便可用来确定电机的初始转子位置角。
霍尔电流传感器完成电机电流状态量的采集，其采样电路如图3所示，输入输出关系为：
目的在于确保当电流处于较小状态时的采样精准度，进而对电机在低速以及轻载情形下的运行状况予以改进，在此处选用12 b双A/D转换器ADS7862而取代DSP内部10 b的模/数转换模块，借助DSP的外部存储器扩展接口，把式（3）的模拟电流量变换成数字量相应结果，再输入至DSP。
2.3 功率驱动部分
将永磁同步电机功率驱动采用的交-直-交PWM方式来说，整流部分用的是单相桥式不控整流，则逆变部分运用的是智能功率模块PS21869，该模块内部集成了6个绝缘栅双极型晶体管以及其驱动、保护电路，触发信号由DSP的PWMl~6引脚进行提供，在过流或者欠压故障出现时，它能够把IGBT驱动电路关闭，同时在相应的故障引脚将故障信号输出至DSP的PDPINTA引脚，凭借硬件中断，把PWM脉冲输出封锁。
3 系统软件设计
永磁电机推进系统的软件，主要被划分为三部分，分别是初始化程序，此程序在系统复位时，会率先得以执行，其作用在于检测、设定DSP内部各个模块的工作模式以及初始状态；还有主程序，该程序承担着收集电机电流，以及转速等一系列实时运行信息的职责；另外就是中断服务子程序，作为实现电机矢量控制策略的核心程序，它主要具备完成PI调节和SVPWM波形发生这两大功能，其对应的流程图展示于图4当中。
3.1 数字PI调节器
模拟PI调节器的控制规律为：
于其中，e（t）乃参考值同实际值的差值，此差值用作PI调节器的输入，u（t）是那输出以及被控对象的输入，uo是PI调节器的初值，Kp是比例系数，TI是积分常数。
将式（4）离散化，即可得到数字PI调节器的数学表达式：
其中，k是采样序号，T是PWM采样周期，KI等于Kp除以TI，它是积分系数。
因为电机转轴存在转动惯量，负载轴亦有转动惯量，所以速度PI调节器的时间常数比较大，进而调速时系统响应较为缓慢，与此不同的是，电流PI调节器由于电时间常数较小，在电机起动的时候能够快速展开电流调节，执行限幅动作，并且大规模加减速时也能这般，如此增强了系统抵抗电源扰动的能力，也增强了抵抗负载扰动的能力。
3.2 SVPWM波形发生
基于磁通角度而得出的一种PWM的方式是SVPWM，其基本原理是什么、扇区应怎么样划分详见文，借助EVA的全比较单元，能够直接于PWMl至6那些引脚上将五段式SVPWM波形输出，在每一个PWM周期里，它可以确保一相的开关状态维持不变，对减小开关损耗有益，其主要步骤如下了标点符号。
1）把比较控制寄存器那边的第12个位置转为l的状态，以此达成SVPWM发生作用的效果，让其功能具备有效性。
2）将设置比较方式控制寄存器用做ACTRA，使得SVPWM输出矢量朝着正向进行旋转，致使PWMl、3、5引脚呈现高有效状态，让PWM2、4、6引脚处于低有效状态。
3）将定时器TI的计数方式设定为“连续增/减”，对应周期寄存器TIPR的初始值是PWM采样周期的一半，也就是Tc/2。
4）先对输出空间电压矢量Uout进行计算，得出其在两相静止坐标系那里的情况，进而得到分量uα，再进一步算出分量iβ。
5）明确构成Uout所处扇区的那两个并非零值的空间矢量Ur、Ux加上60，依据它们的值来装配ACTRA。
6）依据表1来计算Ux，以及Ux加上60后的作用时间t1、t2，把t1装入比较寄存器CMPR1，将t1与t2相加的结果装入CMPR2，随后启动定时器操作。
TI值与CMPRl值发生匹配时，PWM输出会产生跳变，通过及时更新每个采样周期中CMPRl的值，就能形成一系列不等宽的脉冲，使输出 电压矢量的磁链轨迹为圆形，为避免IPM同一桥臂上下两只IGBT的直通，程序通过死区控制寄存器对PWMl~6引脚设置死区时间，同时滤除PWM序列中的过窄脉冲，以减小器件的开关损耗；TI值与CMPR2值匹配时，PWM输出会产生跳变，通过及时更新每个采样周期中CMPR2的值，就能形成一系列不等宽的脉冲，使输出电压矢量的磁链轨迹为圆形，为避免IPM同一桥臂上下两只IGBT的直通，程序通过死区控制寄存器对PWMl~6引脚设置死区时间，同时滤除PWM序列中的过窄脉冲，以减小器件的开关损耗。
4 仿真与实验结果
这部作品借助Matlab/Simulink工具箱，依据图1构建系统模型，针对一台有着3对极的永磁同步电机加以矢量控制策略的仿真，所获的仿真波形恰似图5所呈现的那般。
通过仿真结果能够看出，此矢量控制系统，响应速度快，转矩脉动极为微小，动态性能呈现良好态势；id能够比较好地跟随着参考值0行进，进而确保了单位电流状况下最大转矩予以输出这一情况，对推进电机效率的提升具备有利作用。
在实际进行的实验当中，TMS320LF2407A的时钟频率是30 MHz，SVPWM的采样频率是3 kHz，死区时间被设定为8 μs ，并且要将正负脉宽小于6%脉冲周期的过窄脉冲给滤除掉，当转速处于300 r/min的时候，能够得到永磁电机推进系统输出的电压波形，以及电流波形，还有其频谱，就如同图6、图7所展示的那样。
从图7a能够看得出，SVPWM方式所生的电压基波之幅值是比较大的情况，谐波分布相对较为分散，其低次谐波主要是三次谐波；从图7b能够瞧出来，三相电机的电路结构对于三次谐波成分有着自然的抑制作用，高次谐波借助电机绕组电感的滤波作用得以削弱以及消除，进而大幅度减小了谐波电流。
5 结 论
仿真结果表明，存在这样一个全数字永磁同步电动机推进系统，它采用交 - 直 - 交PWM驱动以及最大转矩/电流矢量控制，该系统呈现出各方面特性，电压利用率挺高，转矩脉动微小，还能较好地抑制电机电流里的谐波，其低速性能比直接转矩控制更优，可满足推进电动机低转速、大转矩、轻噪声的要求，进而为现代舰船电力推进系统数字化操控的实现给予了一定参考。实验结果表明，同样是这个全数字永磁同步电动机推进系统，有着上述那些特性，电压利用率较高，转矩脉动小，能较好地抑制电机电流中的谐波，低速性能优于直接转矩控制，能满足推进电动机低转速、大转矩、轻噪声的要求，为现代舰船电力推进系统数字化操控的实现提供了一定参考。
