異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究(本科畢業(yè)設計).doc

目錄 摘要 i abstract.ii 第 1 章 緒論 .1 1.1 電機調速技術的發(fā)展概況.1 1.2 直接轉矩控制技術的發(fā)展現(xiàn)狀.2 1.2.1 直接轉矩控制的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .2 1.2.2 目前的熱點研究問題及解決方法 .2 1.3 本文所做的工作.3 第 2 章 直接轉矩控制理論 .4 2.1 概述.4 2.2 直接轉矩控制的基本原理.4 2.2.1 異步電機動態(tài)數(shù)學模型 .4 2.3 逆變器的輸出電壓狀態(tài)及電壓空間矢量.6 2.3.1 逆變器輸出電壓狀態(tài) .6 2.3.2 電壓空間矢量 .7 2.4 電壓空間矢量對電動機定子磁鏈和轉矩的影響.8 2.4.1 異步電機的磁鏈觀測模型 .8 2.4.2 電壓空間矢量對定子磁鏈影響 .9 2.4.3 電壓空間矢量對轉矩的影響 10 2.5 直接轉矩控制系統(tǒng)的基本組成11 2.5.1 磁鏈滯環(huán)調節(jié)器 12 2.5.2 轉矩滯環(huán)調節(jié)器 12 2.5.3 開關信號選擇單元 13 2.6 低速范圍內的解決方案13 第 3 章 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)的建模與仿真 16 3.1 仿真軟件 matlab 簡介 16 3.1.1matlab 語言16 3.1.2 軟件構成 16 3.2 仿真模型搭建及參數(shù)設置18 3.3 仿真結果及分析20 第 4 章 系統(tǒng)硬件電路的設計 21 4.1 控制電路結構簡介 .21 4.2dsp(tms320lf2407a) 21 4.3 3.3v dsp 與 5v 邏輯器件的混合接口問題.23 4.3.1 邏輯電平不同，接口時出現(xiàn)的問題23 4.3.2 系統(tǒng)接口實現(xiàn)方法24 4.4 轉子速度的測量 .26 4.5 a/d 采樣電路26 4.6 主電路結構框圖27 4.7 ipm 智能模塊 7mbp50ra120 功能簡述 .28 4.8 主電路的保護功能 .29 4.9 主電路的控制電源30 第 5 章系統(tǒng)控制軟件的設計開發(fā) .31 5.1 系統(tǒng)軟件總體設計31 5.2 軟件模塊34 5.2.1 初始化模塊 34 5.2.2 串口通訊模塊 35 5.2.3 電流采樣模塊 35 5.2.4 電機轉速采樣模塊 36 5.2.5 pl 調節(jié)模塊 .37 參考文獻 .38 致謝 .40 i 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 摘要：本文介紹了異步電機直接轉矩控制的基本原理和系統(tǒng)的基本構成，在此基礎上， 通過matlabsimulink建立了各個模塊的仿真模型，構建了直接轉矩控制仿真系統(tǒng)， 對直接轉矩控制方法的特點及其存在的問題進行了仿真分析研究，驗證了直接轉矩控 制系統(tǒng)的可行性。但轉矩脈動較大，針對這一缺點，本文利用雙pi控制方法進行了改 進，設計出一種非零電壓空間矢量和零電壓空間矢量控制器，改進了速度調節(jié)器以及 開關狀態(tài)表，結果表明，所提方案能極大的減小轉矩脈動和轉速響應時間，同時算法 簡單，易于實現(xiàn)。 最后在方案論證的基礎上，選擇了電機控制專用芯片tms320lf2407a為控制核心， 設計了一個控制系統(tǒng)。在dsp集成開發(fā)環(huán)境下給出了系統(tǒng)軟件。 關鍵詞：直接轉矩控制；異步電機；matlabsimulink：dsp ii induction motor direct torque control system abstract：the basic principle and structure of dtc have been introduced，on this ground，using matlabsimulink build the simulation models which form the whole dtc simulation systemthen，dtc method prove to be of feasibility according to study and analyze the characteristic of the simulation systemit is well established that conventional direct torque control(dtc)suffers from high torquea new controller of nonzero voltage space vector and zero voltage space vector using double-pi is proposedit improves the speed adjustor and inverter switching tablesimulation results show that the proposed controller managed to reduce the torque ripple and minish the response time of speedthe algorithm is simple and easy to implement on the basis of the theory analysis of dtc system，a least control system based on tms320lf2407a is proposed，including software designing and hardware designingsystem software was compiled under ccsfinallg the thesis sums up the whole work ofstudy and predict the direction offorward study as well keywords：direct torque control；induction motor；matlabsimulink；dsp 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 1 第 1 章 緒論 1.1 電機調速技術的發(fā)展概況 自十九世紀后半期，電機發(fā)明以來已經(jīng)歷了一個多世紀，電力拖動已滲透了人類 活動每一領域，從人們日常生活的辦公樓到冶金、化工、輕工等各行各業(yè)。上世紀九 十年代以前，由于直流調速拖動系統(tǒng)的性能指標優(yōu)于交流調速拖動系統(tǒng)，因此直流調 速拖動系統(tǒng)一直在調速領域占居優(yōu)勢。 隨著電力電子技術不斷發(fā)展，各類大功率半導體器件如gto、mosfet、igbt等的不 斷出現(xiàn)，使交流傳動調速在近十年來得到飛快進步，高性能交流調速系統(tǒng)應運而生。 這時，直流電機和交流電機相比的缺點日益顯露出來，例如具有電刷和換相器因而必 須經(jīng)常檢查維修，換向火花使它的應用環(huán)境受到限制，換向能力限制了直流電機的容 量和速度等等。于是，用交流可調傳動取代直流可調傳動的趨勢越來越明顯，交流傳 動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為電氣傳動控制的主要發(fā)展方向。 1971年，德國學者eblaschke提出了交流電機的磁場定向矢量控制理論，標志著交 流調速理論的重大突破。所謂矢量控制，就是把交流電機模擬成直流電機，通過坐標 變換來實現(xiàn)電機定子電流的激磁分量和轉矩分量的解耦，然后分別獨立調節(jié)，從而獲 得高性能的轉矩和轉速響應特性。矢量控制主要有兩種方式：磁場定向矢量控制和轉 差頻率矢量控制。但無論采用何種方式，轉子磁通的準確檢測是實現(xiàn)矢量控制的關鍵， 直接關系到矢量控制系統(tǒng)性能的好壞。一般的，轉子磁通檢測可以采用直接法或間接 法來實現(xiàn)。直接法就是通過在電機內部埋設感應線圈以檢測電機磁通，這種方式會使 簡單的交流電機結構復雜化，降低了系統(tǒng)的可靠性，磁通的檢測精度也不能得到長期 的保證。因此，間接法是應用中實現(xiàn)磁通檢測的常用方法。這種方法通過檢測電機的 定子電壓、電流、轉速等可以直接檢測的量，采用狀態(tài)重構的方法來觀測電機的磁通。 這種方法便于實現(xiàn)，也能在一定程度上確保檢測精度，但由于在狀態(tài)重構過程中使用 了電機的參數(shù)，如果環(huán)境變化引起電機參數(shù)變換就會影響到磁通的準確觀測。為補償 參數(shù)變化的影響，人們又引入了各種參數(shù)在線辨識和補償算法，但補償算法的引入也 會使系統(tǒng)復雜化。 1985年，德國魯爾大學的mdepenbrock教授提出了一種新型交流調速理論-直 接轉矩控制。這種方法是在定子坐標系對電機進行控制的，結構簡單，在很大程度上 克服了矢量控制中由于坐標變換引起的計算量大，控制結構復雜，系統(tǒng)性能受電機參 數(shù)影響較大等缺點，系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標都十分優(yōu)越，是一種很有發(fā)展前途的交流 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 2 調速方式。因此，直接轉矩控制理論一問世便受到廣泛關注。目前國內外圍繞直接轉 矩控制的研究十分活躍。 1.2 直接轉矩控制技術的發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 直接轉矩控制的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 目前，在國外以德國和日本為主，直接轉矩控制技術的理論已經(jīng)比較成熟，美國、 意大利、韓國和法國緊隨其后，使得直接轉矩控制的應用發(fā)展逐步擴大。目前直接轉 矩控制技術己成功應用于電力機車牽引系統(tǒng)、垂直升降系統(tǒng)等大功率調速應用場合。 直接轉矩控制技術從物理關系上構成轉矩與磁鏈的近似解耦關系，可以獲得良好 的動態(tài)性能，控制結構簡單，易于實現(xiàn)，很快就得到廣泛的推廣與應用。而傳統(tǒng)的直 接轉矩控制技術在低速運行區(qū)段與穩(wěn)態(tài)運行區(qū)段還存在很多問題，需要進一步研究。 僅從電機本身出發(fā)來完善直接轉矩控制技術已經(jīng)是不可能的事情，必須另辟蹊徑?，F(xiàn) 代的直接轉矩控制技術作為一種新興的技術，需要各種先進的控制技術作支撐，它已 經(jīng)不是單一的一項技術，而是發(fā)展成多種學科交叉的一項綜合技術。下面就直接轉矩 控制技術所需要進一步研究的問題進行了總結： (1)先進控制策略在現(xiàn)代直接轉矩控制技術中的應用，改善穩(wěn)態(tài)運行性能問題對于 現(xiàn)代直接轉矩控制來說，空間矢量調制模塊需要控制器來生成給定的空間電壓矢量， 這樣可以充分發(fā)揮線性控制與各種非線性控制方法的各自優(yōu)點，如線性控制的平滑性、 變結構控制的快速性、神經(jīng)網(wǎng)絡與模糊控制的智能性與魯棒性，盡管在一定程度上增 加了控制結構的復雜性，然而控制器可以大大改善控制性能。 (2)磁鏈與轉矩估計問題 對于直接轉矩控制來說，磁鏈與轉矩估計精度直接影響控制性能的好壞，甚至會 導致控制失敗。高速運行時，現(xiàn)有的估計方法可以得到滿意的精度，而低速時，尤其 接近零速時，很多估計方法往往會失效解決低速時的磁鏈與轉矩估計問題具有重要 意義。 (3)速度估計問題 近年來，無速度傳感器技術受到了電氣傳動領域普遍的關注。針對已有的速度估 計方法精度差，超低速及零定子頻率運行條件下電機轉速不可觀測性，開發(fā)高精度及 適用于超低速及零定子頻率條件下的速度估計方法具有重要的現(xiàn)實意義。 (4)空載或者欠載條件下如何優(yōu)化參考的定子磁鏈問題。 1.2.2 目前的熱點研究問題及解決方法 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 3 異步電機直接轉矩控制計算方便，控制結構簡單，動態(tài)性能好。但在低速運行時， 存在一些問題，這些問題成為目前dtc研究的熱點。主要體現(xiàn)在以下兩方面： (1)低速時，由于定子電阻的變化帶來的一系列問題。主要表現(xiàn)在定子電流和磁鏈 的畸變非常嚴重。 主要解決方法： (1.1)采用un模型。使用電流pi調節(jié)器，強迫電機模型電流和實際電機電流相等， 精度大大提高，但結構比較復雜。 (1.2)模糊定子電阻辨識器(fli)，以定子磁鏈大小和相角誤差作為輸入，通過推 論和解模，對定子電阻進行辨識御。 (2)低速時，轉矩脈動、死區(qū)效應、開關頻率問題。 主要解決方法： (2.1)使用改進的開關狀態(tài)表，改進控制參數(shù)與開關量的關系，使之產(chǎn)生更優(yōu)的控 制電壓波形。 (2.2)運用fuzzy pi轉矩控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制方法，即引入模糊控制和智能控制， 用軟件來解決轉矩脈動問題。 (2.3)引入模糊控制方法，對轉速進行辨識，從而得到穩(wěn)定的開關頻率并降低轉矩 脈動。 1.3 本文所做的工作 論文的工作要求是通過在理解直接轉矩控制技術的基本原理，利用 matlabsimulink搭建直接轉矩控制系統(tǒng)仿真模型，對系統(tǒng)進行仿真，驗證理論的正 確性和可行性。在此基礎上，設計一個電機控制的小系統(tǒng)，其中包括硬件設計和軟件 設計。 本文的主要內容如下： 第1章:在參考瀏覽大量文獻資料的基礎上，闡述了電機調速技術的發(fā)展概況，以 及直接轉矩控制的發(fā)展現(xiàn)狀，提出異步電機的直接轉矩控制理論以及目前的熱點研究 問題。最后論述論文研究的內容。 第2章:對直接轉矩控制理論進行了簡單介紹，給出了論文中直接轉矩控制系統(tǒng)設 計方案的理論依據(jù)。 第3章:利用matlab軟件的simulink模塊對直接轉矩控制系統(tǒng)進行仿真，針對直接 轉矩控制系統(tǒng)的各個組成環(huán)節(jié)分別建立仿真模型，構建直接轉矩控制系統(tǒng)。對仿真結 果進行分析，對直接轉矩控制系統(tǒng)進行簡單評價。并在此基礎上對傳統(tǒng)的dtc系統(tǒng)進行 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 4 了改進，有效的降低了轉矩脈動。 第4章:控制系統(tǒng)硬件設計。 第5章:進行控制系統(tǒng)的軟件設計。 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 5 第 2 章 直接轉矩控制理論 2.1 概述 直接轉矩控制出現(xiàn)以前，矢量控制長期占據(jù)著異步電機控制的主導地位。矢量控 制技術模仿直流電機的控制，以轉子磁場定向，用矢量變換的方法，實現(xiàn)了對交流電 機的轉速和磁鏈控制的完全解耦。然而，由于系統(tǒng)特性受電機參數(shù)的影響較大，以及 在模擬直流電機控制過程中所用矢量旋轉變換的復雜性，使得實際的控制效果難于達 到理論分析的結果。 直接轉矩控制理論是1985年由德國學者狄普布洛克(m.depenbrock)首次提出的， 隨后日本學者塔卡哈什(i.hakahash)也提出了類似的控制方案。 與矢量控制系統(tǒng)相比，直接轉矩控制具有如下優(yōu)點： (1)直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電機的數(shù)學模型、控制電機的磁鏈 和轉矩，計算過程簡單。 (2)直接轉矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，通過定子電阻即可觀測。而矢量控 制磁場定向所用的轉子磁鏈的觀測需要知道電機的轉子電感和電阻。因此直接轉矩控 制減少了矢量控制中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。 (3)直接轉矩控制采用空間矢量的概念來分析異步電機的數(shù)學模型和控制其物理量， 使問題變得簡單明了。 (4)直接轉矩控制是直接將轉矩作為被控量，直接對其進行控制，而不是像矢量控 制那樣通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩。 2.2 直接轉矩控制的基本原理 2.2.1 異步電機動態(tài)數(shù)學模型 為了便于分析異步電機的數(shù)學模型，為了抽象出理想的電機模型，必須進行 一些假設，這些假設是： (1)氣殊均勻； (2)磁路線性； (3)定、轉子三相繞組對稱，其有效導體沿氣隙空間作正弦分布； (4)忽略磁場諧波，即設磁場正弦分布； 無論電機轉子是繞線式還是鼠籠式，都將它等效成繞線轉子，并折算到定子側，折算 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 6 后的每相匝數(shù)都相等。 在直接轉矩控制的分析中，采用空間矢量的數(shù)學分析方法。圖2.1是異步電機的空 間矢量的等效電路圖。 圖 2.1 異步電機空間等效電路 圖中各量定義如下： 定子電壓空間矢量； s u 定子電流空間矢量； u i 轉子電流空間矢量； r i 定子磁鏈空間矢量； u 轉子磁鏈空間矢量； r 電角速度（機械角速度和極對數(shù)的積） 。 并且規(guī)定，將旋轉空間矢量在軸上的投影稱為分量，在正交的軸上的投影 稱為分量。 根據(jù)以上規(guī)定，異步電動機在定子坐標系上可由以下方程表示： (2.1) usss iru (2.2) rrr jir0 由以上方程推出定子磁鏈與轉子磁鏈方程式： (2.3) su il (2.4) rur il (2.5) sin 2 31 rue l t 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 7 2.3 逆變器的輸出電壓狀態(tài)及電壓空間矢量 2.3.1 逆變器輸出電壓狀態(tài) 逆變器(見圖 2.2)由三組、六個開關(、)組成。由于與 a sas b sbs c scs a s a、 與、與之間互為反向，即一個接通，另一個關斷，所以三組開關共有s b sbs c scs 23=8 種可能開關方式組合。 圖 2.2 逆變器等效電路 規(guī)定 a、b、c 三相負載的某一相與“+”極接通時，該相開關狀態(tài)為“1”;與“- ”級接通時，狀態(tài)為“0” 。則 8 種可能的開關組合狀態(tài)見表 2.1。 表 2.1 逆變器的 8 種開關狀態(tài) 狀態(tài)01234567 a s b s c s 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 對應于逆變器的 8 種開關狀態(tài)，對外部負載來說，逆變器輸出 7 種不同的電壓狀 態(tài)。這 7 種不同的電壓狀態(tài)可分成兩類：一類是 6 種工作電壓狀態(tài)，它對應于開關狀 態(tài)“1”至“6”分別稱為逆變器的電壓狀態(tài)“1”至“6” ；另一類是零電壓狀態(tài)，它對 應于零開關狀態(tài)“7”和“8” ，由于對外來說，輸出的電壓都為零，因此統(tǒng)稱為逆變器 的零電壓狀態(tài)（詳見表 2.2） 。 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 8 表 2.2 逆變器電壓狀態(tài)與開關狀態(tài)對照表 工作狀態(tài)零狀態(tài)狀 態(tài) 12345678 開關狀態(tài)sabc 011001101100110010000111 表示一 tus s u 011 s u 001 s u 101 s u 100 s u 110 s u 010 s u 000 s u 111 表示二 tus 1s u 2s u 3s u 4s u 5s u 6s u 7s u 電 壓 狀 態(tài) 表示三 tus 1234567 2.3.2 電壓空間矢量 由于異步電動機的電壓，電流，磁鏈等都是三相電磁量，故對異步電動機進行分 析和控制時，必須對三相進行分析和控制，比較困難。引入 park 矢量變換，可以方便 的進行控制，park 矢量變換是將三個標量變?yōu)橐粋€矢量。對三相定子繞組相電壓， a u ，進行 park 矢量變換，得到合成量。 b u c utus = (2.6) tus 3432 3 2 j c j ba eueuu 代表著三相電磁量在空間的位置，故稱之為空間矢量。用空間電壓矢量表示tus 逆變器的7個電壓狀態(tài)，形成了7個離散的電壓空間矢量，每兩個工作電壓空間矢量在 空間的位置相隔600，6個工作電壓空間矢量的頂點構成正六邊形的6個頂點。矢量順序 從狀態(tài)“1”到狀態(tài)“6”逆時針旋轉。對應的開關狀態(tài)是011001101100110 010。其所對應空間電壓矢量狀態(tài)為，零電壓矢量7位 1s u 2s u 3s u 4s u 5s u 6s u 于正六邊形中心。空間電壓矢量狀態(tài)圖如圖2.3所示。 圖2.3 電壓空間矢量表示的7種離散電壓狀態(tài) 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 9 2.4 電壓空間矢量對電動機定子磁鏈和轉矩的影響 2.4.1 異步電機的磁鏈觀測模型 在直接轉矩控制中，無論是按圓形軌跡控制還是按六邊形軌跡控制，都需要己知 定子磁鏈。采用直接檢測的方法獲得定子磁鏈，存在各方面的條件限制，在實際系統(tǒng) 中使用較少。較為通用的方法為間接測量的方法，即通過易于測量的電機其它物理量 (如定子電壓、定子電流和轉速等)，建立定子磁鏈的觀測模型，在控制中實時地推算 出定子磁鏈的幅值和相位。定子磁鏈的觀測準確性直接影響系統(tǒng)的性能，可以說是dtc 技術實現(xiàn)的關鍵。 對于異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)，對其進行定子磁鏈觀測非常重要，對于磁鏈 的估算提出了三種模型：模型，模型和模型。下面分別對這三種模型進 iu ninu 行分析。 (1)模型iu 用定子電壓和定子電流來確定定子磁鏈的方法叫模型發(fā)。定子磁鏈可根據(jù)一iu 個簡單公式分析，其公式為： (2.7)dtrtitut ssss 用該公式確定定子磁鏈，得到精確的電壓，電流，便于計算出定子磁鏈。 模型計算定子磁鏈，其誤差由定子電阻引起。故模型在 30%額定轉速iu s riu 以上時，能夠非常準確的確定定子磁鏈，并且仍要注意溫度對電阻的影響。在定子頻 率接近零時，這種方法也不適用，原因在于用作定子電壓和定子電阻壓降之間的差值 消失，以致只有誤差被積分?？傊?30%額定轉速以上時，模型法，結構簡單，精iu 度高。下圖為模型的原理圖。iu 圖2.4 ui模型原理圖 (2)模型ni 模型是利用定子電流與轉速來確定定子磁鏈。當電動機在30%額定轉速以下時，ni 磁鏈只能根據(jù)轉速來正確計算，這時利用模型計算磁鏈是非常合適的。下式為ni 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 10 模型定、轉子磁鏈計算公式：ni (2.8) rrs r r rss l r li l l 1 1 (2.9) rrs r r rss l r li l l 1 1 式中：、為轉子磁鏈在-坐標系上的分量； r r 、為定子磁鏈在-坐標系上的分量。 s s 由公式可知，模型雖然不受定子電阻的影響，但其受到轉子電阻、漏電感ni r r 、主電感的影響。此外模型結構復雜，角速度的測量誤差對模型影響很大， llni 故需要精密的測量角速度。 (3)模型nu 模型綜合了模型和模型的特點，是一個在全速范圍內都適用的磁鏈nu iu ni 模型，其由定子電壓和轉速來獲得定子磁鏈。 其主要優(yōu)點是： (3.1)結合了模型和模型的優(yōu)點，很自然的解決了切換的問題；iu ni (3.2)引入pi電流調節(jié)器，大大提高了電動機模型的仿真精度； 缺點是： 結構過于復雜，實用性差。 2.4.2 電壓空間矢量對定子磁鏈影響 將逆變器的輸出電壓直接加到異步電動機的定子上，定子電壓與逆變器電壓tus 相等也為，得定子磁鏈與定子電壓關系式為：tust s tus = (2.10)t s dtrtitu sss 若忽略定子電阻壓降的影響，近似為： = (2.11)t s dttus 該關系式表示定子磁鏈空間矢量與電壓空間矢量之間的積分關系。如下圖 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 11 圖2.5 電壓空間矢量與磁鏈矢量空間關系 根據(jù)磁鏈空間矢量與電壓空間矢量的關系圖可得出： (1)忽略定子電阻的影響，可得到定子磁鏈頂點的運動軌跡方向平行于電 s rt s 壓空間矢量的指向的方向。tus (2)在適當時給出定子電壓空間矢量，可得到定子磁鏈 654321ssssss uuuuuu 運行的軌跡為，形成正六邊形。654321ssssss 于是可利用逆變器的六個工作電壓狀態(tài)可簡單的得到六邊形的磁鏈軌跡對電動機 進行控制。這就是直接轉矩控制系統(tǒng)的基本思想，電壓空間矢量對定子磁鏈的影響可 通過以下方式實現(xiàn)： (3)恒轉矩調速：在正常電壓空間矢量作用期間，適時的插入零矢量對電動機進行 控制，當有效電壓空間矢量作用時，定子磁鏈運動軌跡沿著電壓空間矢量作用方向運 動;插入零矢量后，定子磁鏈靜止，由于零矢量的插入，使得旋轉速度變慢，在這期間 保持電壓空間矢量作用時間不變，定子磁鏈幅值不變，電動機實現(xiàn)恒磁通調速，即實 現(xiàn)了恒轉矩調速。 (4)恒功率調速：通過改變電壓空間矢量的作用時間，達到改變定子磁鏈旋轉速度 的目的。由于電壓空間矢量幅值不變，只改變了作用時間，所以定子磁鏈所圍成的面 積發(fā)生改變，作用時間變短，面積變小，定子磁鏈幅值變小。對電動機實現(xiàn)了恒功率 調速。 2.4.3 電壓空間矢量對轉矩的影響 異步電動機轉矩的大小跟定、傳子磁鏈的幅值和磁通角有關。在實際運用時，為 了充分利用鐵心，保持定子磁鏈幅值不變，轉子磁鏈的幅值是根據(jù)負載決定，故在直 接轉矩控制系統(tǒng)中，可以通過改變磁通角的大小來實現(xiàn)對轉矩的控制，其控制方法為 通過控制電壓空間矢量來對定子磁鏈的旋轉速度進行控制，改變了定子磁鏈的平均旋 轉速度，從而改變了磁通角的大小，以實現(xiàn)對電動機轉矩的控制。其主要控制方法有 以下幾方面： (1)增大轉矩：增大有效電壓空間矢量，使得電壓幅值足夠大，就使得定子磁鏈的 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 12 旋轉速度大于轉子磁鏈的旋轉速度，磁通角增大，對應的轉矩增大。 (2)減小轉矩：給出零電壓空間矢量，定子磁鏈會走走停停，定子磁鏈旋轉速度小 于轉子旋轉速度，磁通角減小，轉矩減小。 (3)迅速減小轉矩：施加有效反向電壓空間矢量，定子磁鏈會進行反方向旋轉，磁 通角迅速減小，使得轉矩也迅速減小。 通過控制工作狀態(tài)的電壓空間矢量和零狀態(tài)電壓空間矢量的交替出現(xiàn)的時間，實 現(xiàn)了對定子磁鏈旋轉的速度的改變，通過這樣的瞬態(tài)調節(jié)可獲得高性能的轉矩特性。 2.5 直接轉矩控制系統(tǒng)的基本組成 通過前文的介紹，直接轉矩控制系統(tǒng)的基本控制方式已經(jīng)清楚，根據(jù)前文可得到 系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)及結構。直接轉矩控制系統(tǒng)的基本結構可分為以下幾個部分： (1).控制部分：分為磁鏈滯環(huán)調節(jié)器、轉矩滯環(huán)調節(jié)器； (2).逆變部分：由逆變器組成； (3).電機部分：為異步電動機。 圖2.6 直接轉矩控制系統(tǒng)原理圖 圖中各個單元器件名稱為： amm異步電機數(shù)學模型； uct坐標變換單元； dmc磁鏈自控制單元； azs零狀態(tài)選擇單元； amc轉矩計算單元； 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 13 atr轉矩調節(jié)器； ut逆變器。 由圖可知，直接轉矩控制系統(tǒng)工作原理為：通過amm計算得到定子磁鏈，并分解到 坐標軸，然后經(jīng)過uct進行坐標變換，通過將計算得到的磁鏈值與dmc給定的磁鏈, 值進行比較，得到磁鏈開關信號，通過amc計算得到轉矩值，根據(jù)轉矩調節(jié)器atr的輸 出量決定是否插入零狀態(tài)，確定電壓開關狀態(tài)，對逆變器的輸出電壓進行控制，使其 產(chǎn)生六邊形磁鏈。 2.5.1 磁鏈滯環(huán)調節(jié)器 磁鏈調節(jié)的主要任務是對磁鏈量進行調節(jié)。在電動機低速運行時，由于定子電阻 壓降的影響，定子磁鏈幅值減小，在電動機低頻運行時，定子磁鏈幅值也減小，為了 避免定子磁鏈的減小，引入磁鏈滯環(huán)調節(jié)器，主要作用在于加大定子磁鏈幅值，維持 磁鏈幅值在允許范圍內波動。 磁鏈調節(jié)過程是通過磁鏈電壓完成，磁鏈電壓為定子電壓空間矢量，目的在于區(qū) 別轉矩電壓，作用在于增大定子磁鏈幅值。對磁鏈電壓的選擇主要有兩種：一種是與 磁鏈運動軌跡成-600角的電壓空間矢量；另一種是成-1200角的電壓空間矢量。 磁鏈調節(jié)器器實際上也是一個施密特觸發(fā)器，對磁鏈幅值進行兩點式調節(jié)。引入 容差寬度，它是定子磁鏈幅值與給定幅值之間允許的波動范圍，磁鏈調節(jié)器 g f 輸入量為給定磁鏈幅值與反饋磁鏈幅值之差，輸出兩為磁鏈量開關信號。 q 圖2.7 磁鏈調節(jié)器原理圖 2.5.2 轉矩滯環(huán)調節(jié)器 轉矩控制在許多場合里都顯得非常重要，即便是追求精確轉速的一些場合因為只 有影響轉速的最直接的原因就是轉矩的變化。如果轉矩控制性能好，則不難設計一個 速度調節(jié)器，使速度環(huán)有良好的品質。反之，若轉矩控制性能不好，響應慢，相應的 調速性能也不會很好。因此調速的關鍵在轉矩控制。轉矩調節(jié)的任務是實現(xiàn)對轉矩的 直接控制。直接轉矩控制的名稱也是由此而來。為了控制轉矩，轉矩調節(jié)器必須具備 兩個功能：一個功能是轉矩調節(jié)器直接調節(jié)轉矩；另外一個功能是控制定子磁鏈的旋 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 14 轉方向，以加強轉矩的調節(jié)。 轉矩調節(jié)器也采用施密特觸發(fā)器，輸入信號為轉矩給定值與轉矩反饋值的信 g t f t 號差。調節(jié)器輸出量為轉矩開關信號。容差為，調節(jié)器采用離散的亮點式調t q t m 節(jié)方式。 圖2.8 轉矩調節(jié)器原理圖 當下降到調節(jié)器容差下限，調節(jié)器輸出信號狀態(tài)為“1” 。在作用下， f t m q t1 q t 得到相應的電壓空間矢量，使得定子磁鏈前轉，轉矩上升。當上升到容量上限 f t 時，變?yōu)椤?”態(tài)，在作用下，零電壓加到電動機上，定子磁鏈靜止，轉 m q t0 q t 矩減小，下降到調節(jié)器容差下限，重復運行。反復這樣運行，實現(xiàn)了調節(jié)器兩點 m 式調節(jié)，把轉矩波動限制在給定值的容差范圍內，達到轉矩的直接控制。 2.5.3 開關信號選擇單元 對應于磁鏈和轉矩調節(jié)的兩種形式，空間電壓矢量開關信號的選擇也有兩種形式。 一種是通過磁鏈、轉矩的兩點式或三點式調節(jié)信號和定子磁鏈所在的區(qū)間，確定 所需施加的電壓空間矢量，從而將所有狀態(tài)列表依次列出，最后通過所選空間電壓矢 量輸出開關脈沖信號輸出給逆變器。 另一種是根據(jù)磁鏈和轉矩的 pi 調節(jié)得到的參考的空間電壓矢量的兩個分量，合成 所需要的參考的空間電壓矢量。但是，此時的空間電壓矢量是旋轉坐標系下的，還需 疊加磁鏈旋轉角度，將其轉換成靜止坐標系下的空間電壓矢量，最后通過 svpwm 方式 輸出開關脈沖信號給逆變器。 2.6 低速范圍內的解決方案 本系統(tǒng)工作在低速范圍內。在這個范圍內，由于轉速低（包括零轉速），定子電 阻壓降比較大，可能造成磁鏈波形畸變，在低頻時保持轉矩和磁鏈基本不變等等。對 于以上的問題必須實現(xiàn)如下控制目的。（注：在整個轉速范圍內異步電機的轉矩和磁 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 15 鏈計算數(shù)學模型仍然實用） (1)控制定子磁鏈為圓形軌跡，而不用六邊形軌跡。 (2)轉矩調節(jié)器和磁鏈調節(jié)器多功能地調節(jié)工作。 (3)用符號比較器確定區(qū)段。 (4)調節(jié)每個區(qū)段的磁鏈量。 為實現(xiàn)以上四點必須對應采取如下措施： (1)每個區(qū)段電壓狀態(tài)的選擇 由于電壓型逆變器只有六種工作電壓狀態(tài)，僅能輸出六種電壓空間矢量。定子磁 鏈空間矢量的運動方向由電壓空間矢量的方向確定，只能在六個方向上運行。如果要 產(chǎn)生多于六邊的多變形的磁鏈軌跡，就必須通過多個電壓空間矢量的組合來形成。控 制六邊形磁鏈軌跡只需在每個工作區(qū)段接通“工作電壓”或“零電壓”即可。要實現(xiàn) 圓形磁鏈軌跡可以用足夠多的多邊形來近似圓形磁鏈軌跡。在每個工作區(qū)段采用四個 工作電壓狀態(tài)（0，60，60120）和兩個零電壓狀態(tài)結合使用（具體使 用過程在 3.8.1 節(jié)介紹）來實現(xiàn)足夠多的多邊形軌跡。 (2)磁鏈與轉矩之間的協(xié)調調節(jié) 低速情況下（一般指 15額定轉速以下）轉矩調節(jié)器的組成部分不變，而磁鏈調 節(jié)器卻不一樣。此時磁鏈的模為：（六邊形磁鏈的模：）。在 22 2 cba 低速情況下磁鏈調節(jié)器如（圖 2.9） 圖 2.9 磁鏈與轉矩協(xié)調器 其中10873 . 1 36 2 2 k 當轉速大于 15額定轉速，開關切換到 a 處，執(zhí)行六邊形磁鏈軌跡，當轉速小s 于 15時開關切換到 b 處，執(zhí)行圓形磁鏈軌跡。磁鏈開關信號與所需的電壓狀態(tài)sq 關系如下： 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 16 0 時，不需要接通工作電壓q 1 時，接通60電壓q 1 時，接通60電壓q 歸納起來，轉矩調節(jié)器與磁鏈調節(jié)器的協(xié)調控制關系為：由轉矩調節(jié)器決定應該 接通的是零狀態(tài)電壓還是工作電壓，在接通工作電壓的時間內來選擇接通的是0、 60還是+60電壓。 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 17 第 3 章 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)的建模與仿真 3.1 仿真軟件 matlab 簡介 3.1.1matlab 語言 matlab 語言是由美國new mexico 大學的cleve moler 于1980 年開始開發(fā)的， 1984 年由cleve moler 等人創(chuàng)立的mathworks 公司推出了第一個商業(yè)版本。matlab 語言的兩個最顯著特點，即其強大的矩陣運算能力和完美的圖形可視化功能，使它成 為國際控制界應用最廣的首選計算機工具。 現(xiàn)在，matlab 語言不僅廣泛應用于控制領域，也應用于其它的工程和非工程領域。 在控制界，很多知名學者都為其擅長的領域寫出工具箱，而其中很多工具箱已經(jīng)成為 該領域的標準。 與fortran 和c 等高級語言比較，matlab 的語法規(guī)則更簡單，更重要的是其貼近 人思維方式的編程特點，使得用matlab 編寫程序非常方便和簡捷。正是憑借matlab的 這些突出的優(yōu)勢，它現(xiàn)在已成為世界上應用最廣泛的工程計算軟件。在美國等發(fā)達國 家的大學里matlab 是一種必須掌握的基本工具，而在國外的研究設計單位和工業(yè)部門， 更是研究和解決問題的一種標準軟件。在國內也有越來越多的科學技術工作者參加到 學習和倡導這門語言的行列中來。在大家的共同努力下，matlab 正在成為計算機應用 軟件中的一個新熱點。 3.1.2 軟件構成 matlab 軟件主要由主包、simulink 和工具箱三大部分組成。 matlab 主包包括以下五個部分： (1)matlab 語言 matlab 語言是一種基于矩陣/數(shù)組的高級語言，它本身具有流程控制語句、函數(shù)、 數(shù)據(jù)結構、輸入輸出，并且具有面向對象的程序設計特性。用matlab 語言可以迅速地 建立臨時性的小程序，也可以建立復雜的大型應用程序。 (2)matlab 工作環(huán)境 matlab 工作環(huán)境集成了許多工具和程序，用戶用工作環(huán)境中提供的功能完成他們 的工作。matlab 工作環(huán)境給用戶提供了管理工作空間內的變量和輸入、輸出數(shù)據(jù)的功 能，并給用戶提供了不同的工具用以開發(fā)、管理、調試m 文件和matlab 應用程序。 (3)句柄圖形 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 18 句柄圖形是matlab 的圖形系統(tǒng)。它包括一些高級命令，用于實現(xiàn)二維和三維數(shù)據(jù) 可視化、圖像處理、動畫等功能；還有一些低級命令，用來定制圖形的顯示以及建立 matlab 應用程序的圖形用戶界面。 (4)matlab 數(shù)學函數(shù)庫 matlab 數(shù)學函數(shù)庫是數(shù)學算法的一個巨大集合，該函數(shù)庫既包含了諸如求和、正 弦、余弦、復數(shù)運算之類的簡單函數(shù)；也包含了矩陣轉置、特征值、貝塞爾函數(shù)、快 速傅立葉變換等復雜函數(shù)。 (5)matlab 應用程序接口（api） matlab 應用程序接口是一個matlab語言同c和fortran等其它高級語言進行交互的 庫。包括從matlab 調用其它程序（動態(tài)鏈接），把matlab作為計算引擎來調用，還包 括讀寫matlab數(shù)據(jù)文件（mat文件）。 simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)仿真的交互式系統(tǒng)。simulink允許用戶在屏幕上繪制框 圖來模擬一個系統(tǒng)，并能夠動態(tài)地控制該系統(tǒng)。simulink采用鼠標驅動方式，能夠處 理線形、非線形、連續(xù)、離散、多變量以及多級系統(tǒng)。 此外，simulink 還為用戶提供了兩個附加項：simulink extensions（擴展）和 blocksets（模塊集）。 simulink extensions是一些可選擇的工具，支持在simulink環(huán)境中開發(fā)的系統(tǒng)的 具體實現(xiàn)，包括： simulink accelerator real-time workshop real-time windonws target stateflow blocksets 是為特殊應用領域中設計的simulink模塊的集合。blocksets包括以下 幾個領域的模塊集： dsp（數(shù)字信號處理） fixed-point（定點） nonlinear control design（非線形控制設計） communications（通信） 工具箱是matlab 用來解決各個領域特定問題的函數(shù)庫，它是開放式的，可以應用， 也可以根據(jù)自己的需要進行擴展。 matlab提供的工具箱為用戶提供了豐富而實用的資源，工具箱的內容非常廣泛， 涵蓋了科學研究的很多門類。目前，已有涉及數(shù)學、控制、通信、信號處理、圖像處 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 19 理、經(jīng)濟、地理等多種學科的二十多種matlab 工具箱投入應用。這些工具箱的作者都 是相關領域的頂級專家，這當然地確定了其權威性。應用matlab 的各種工具箱可以在 很大程度上減小用戶編程時的復雜度。 3.2 仿真模型搭建及參數(shù)設置 仿真電機參數(shù)如下:額定功率為 2.354kw，額定電壓為 380v，額定轉速為 1500r/min;轉動慣量為 0.09kgm2，極對數(shù)為 2，定子電阻為 0.54，轉子電阻為 0.79，定子電感為 2.8mh，轉子電感為 2.8mh，定轉子互感為 66.24mh，頻率為工頻 50hz，取摩擦系數(shù)為 0。下圖為直接轉矩仿真模型。 圖 3.1 直接轉矩仿真模型 仿真主要環(huán)節(jié)： (1).磁鏈滯環(huán) 磁鏈滯環(huán)容差由思密特觸發(fā)器設置，在仿真過程中，可通過設置不同的滯環(huán)容差 重復仿真，以致達到仿真最佳效果。 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 20 圖 3.2 磁鏈滯環(huán)調節(jié)器模型 (2).磁鏈環(huán)節(jié) 磁鏈環(huán)節(jié)采用模型，將經(jīng)過 32 變換的定子三相電流電壓進行計算，得到轉iu 矩 t。 圖 3-3 磁鏈計算環(huán)節(jié)模型 (3).轉矩滯環(huán) 通過對觀測轉速和給定轉速的計算得到給定轉矩，再與磁鏈環(huán)節(jié)所計算出來的轉 速進行比較，得到 st。 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 21 圖 3-4 轉矩滯環(huán)調節(jié)器模型 3.3 仿真結果及分析 電機在空載，給定轉速，仿真時間為 3s 時仿真波形如圖 3.5 所示，分別為三相定 子電流波形，轉速波形，轉矩波形 圖 3.5 三相定子電流波形，轉速波形，轉矩波形 由圖可以看出，系統(tǒng)的響應速度很快，超調量很小，很快轉速即達到指定的轉速， 啟動時，轉矩同時得到穩(wěn)定值，在 0 nm 值附近波動；0.8s 后定子電流到穩(wěn)定范圍。 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 22 第 4 章 系統(tǒng)硬件電路的設計 4.1 控制電路結構簡介 本控制系統(tǒng)采用了ti 公司生產(chǎn)的tms320lf2407a dsp 芯片，用單片dsp實現(xiàn)包 括轉矩和磁鏈控制在內的所有控制功能，并用dsp內部集成的can通訊單元實現(xiàn)與多能 源控制器的通訊?？刂齐娐放c電機以及主電路的外部接口如圖4.1所示。 圖4.1 控制電路 4.2dsp(tms320lf2407a) tms320lf2407a是tms320lf240x系列dsp控制器的典型代表。它為電氣自動化系統(tǒng) 的數(shù)字控制提供了便利的手段。tms320lf2407執(zhí)行速度達30mips，幾乎所有的指令都 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 23 可在33ns的單周期完成。如此高的性能可以對非常復雜的控制算法進行實時運算，如 自適應控制和卡爾曼濾波等，此外，還可支持非常高的采樣率，以減小循環(huán)延時。 tms320lf2407a具有用于高速信號處理和數(shù)字控制功能所必需的結構特點，同時還 具有單片電機控制應用方案所需的外設功能。tms320lf240x采用高性能靜態(tài)cmos制造 工藝，使得供電電壓降為3.3v，功耗極低；此外，還具有幾種進一步降低功率的省電 方式。 作為系統(tǒng)管理器，dsp必須具備強大的片內io和其它外設功能。tms320lf2407a 片內的事件管理器與一般的dsp芯片不同。面向應用優(yōu)化的外設單元和高性能dsp內核 的結合，可以為所有的電機類型提供高速、高效和全變速的先進控制技術。在該事件 管理器中包括特殊的pwm產(chǎn)生功能，特殊的附加功能 包括可編程的死區(qū)功能和空間矢量pwm狀態(tài)機，后者可為三相電機在功率晶體管開關機 制中提供了迄今為止最高的功效。具有獨立的向上下計數(shù)器，每一個都有屬于它自 己的比較寄存器，可以支持產(chǎn)生非對稱的和對稱的pwm波形。多路捕獲輸入中的兩路可 以直接捕獲光電編碼器的正交編碼脈沖信號。 tms320lf2407a還提供控制器局域網(wǎng)絡(can)2.0模塊，可以利用它方便的搭建can 網(wǎng)，完成多芯片的通信任務。tms320lf2407 can控制器模塊是一個完全的can控制器。 該控制器是一個16位的外設模塊，它完全支持can 2.0b協(xié)議，具有6個郵箱，可用于接 收和發(fā)送數(shù)據(jù)。 以下是tms320lf2407a的一些特點： (1)基于tms320c2xx dsp的核心cpu (1.1)32位的中央算術邏輯單元(calu) (1.2)32位加法器 (1.3)16位x16位并行乘法器，32位乘積 (1.4)三個定標移位寄存器 (1.5)8個16位輔助寄存器，帶有一個專用的算術單元，用來作數(shù)據(jù)存儲器的間接 尋址 (2)存儲器 (2.1)片內1.5k字的數(shù)據(jù)程序ram；544字的darkt和2k字saram (2.2)片內高達32k字的flash程序存儲器 (2.3)192k字16位的最大可尋址存儲器空間(lf2407)：64k字的程序空間，64k字 的數(shù)據(jù)空間，64k字的io空間 (2.4)有軟件等待狀態(tài)發(fā)生器的外部存儲器接口模塊，具有16位地址總線和16位數(shù) 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 24 據(jù)總線 (2.5)支持硬件等待狀態(tài) (3)程序控制 (3.1)4級管道操作 (3.2)8級硬件堆棧 (3.3)5個外部中斷：電機驅動保護中斷、復位和兩個可屏蔽中斷 (4)指令系統(tǒng) (4.1)與tms320家族的c2x,c2xx,c5x定點產(chǎn)品在源代碼級兼容 (4.2)單指令重復操作 (4.3)單周期的乘法加法指令 (4.4)程序數(shù)據(jù)管理的存儲器塊移動指令 (4.5)牽引尋址功能 (4.6)基于快速傅立葉變換的位反轉索引尋址功能 (5)電源 (5.1)靜態(tài)cmos技術 (5.2)3種低電源模式以降低電源損耗 (6)仿真：與片內掃描仿真邏輯相連的ieee標準1149.1測試訪問端口 (7)速度：33ns的指令周期，多數(shù)指令為單周期 (8)兩個事件管理器，每個包括： (8.1)8個16位的比較脈寬調制通道 (8.2)兩個16位通用定時器，有4種工作模式 (8.3)可編程的pwm死區(qū)控制功能 (8.4)16通道ad轉換器 (8.5)3個捕獲單元，有正交編碼器脈沖接口功能 (9)10位模數(shù)轉換器最小轉換時間為50ons (10)40個獨立可編程或復用的通用io引腳 (11)基于鎖相環(huán)的時鐘模塊 (12)看門狗定時器模塊 (13)串行通訊接口 (14)串行外部設備接口 異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)研究 25 4.3 3.3v dsp 與 5v 邏輯器件的混合接口問題 4.3.1 邏輯電平不同，接口時出現(xiàn)的問題 現(xiàn)在越來越多的系統(tǒng)要求使用體積小、功耗低、耗電小的芯片，數(shù)字系統(tǒng)的工作 電壓已經(jīng)從5v降至3.3v甚至更低（例如2.5v和1.8v標準的引進）。但是目前仍有許多 5v 電源的邏輯器件和數(shù)字器件可用，因此在許多設計中3v（含3.3v）邏輯系統(tǒng)和5v邏 輯系統(tǒng)共存,而且不同的電源電壓在同一電路板中混用。隨著更低電壓標準的引進，不 同電源電壓邏輯器件間的接口問題會在很長一段時間內存在。本系統(tǒng)中dsp 的電源電 壓標準為3.3v,而大部分的外圍器件的電源都是傳統(tǒng)的5v 標準，這個問題是設計中首 先要考慮和解決的。 在混合電壓系統(tǒng)中，不同電源電壓的邏輯器件相互接口時會存在以下3個主要問題： 加到輸入和輸出引腳上允許的最大電壓的限制問題；兩個電源間電流的互串問題；必 須滿足的輸入轉換門限電平問題。器件對加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限制的。 這些引腳在芯片內部可能