基于DSP的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究_第1頁(yè)
基于DSP的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究_第2頁(yè)
基于DSP的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究_第3頁(yè)
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1、基于DSP的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究摘要:實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器,討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn),使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制,并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明,該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz,阻帶抑制率大于35 dB,帶內(nèi)波紋小于05 dB,采用18 V電源,TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真,功耗小于21 mW,頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞:Butte遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 馬宏騫 劉立軍引言直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù),是繼20世紀(jì)70年代矢量控制技術(shù)之后出現(xiàn)的又一種交流電機(jī)高性能調(diào)

2、速技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)以其簡(jiǎn)單的控制思想、簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)、優(yōu)良的靜動(dòng)態(tài)性能得以迅速發(fā)展。直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想是在保持定子磁鏈幅值不變的條件下,通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)方向和速度來(lái)改變定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角,調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩,達(dá)到電動(dòng)機(jī)調(diào)速的目的。其強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制及其效果:把轉(zhuǎn)矩作為被控量,直接控制轉(zhuǎn)矩,通過(guò)轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定值做滯環(huán)比較,產(chǎn)生PWM信號(hào), 直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制,以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。因此定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的估算在直接轉(zhuǎn)矩控制算法中占有重要的地位。定子磁鏈最簡(jiǎn)單的計(jì)算方法是使用U-I

3、模型,寫成分量形式為:磁鏈的幅值為其中, 是磁鏈, 是線電壓, i是線電流,R是電阻。此系統(tǒng)中積分的時(shí)間為采樣周期。電機(jī)的定子線電流利用Clark變換由三相a-b-c坐標(biāo)系變換到兩相a-坐標(biāo)系下:定子線電壓可以由逆變器的直流母線電壓(Udc)和當(dāng)前輸出PWM信號(hào)的三個(gè)電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)(Sa,Sb,Sc)得到:電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算式:其中np是電機(jī)的極對(duì)數(shù)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的三相電壓型逆變器的輸出只有8種電壓矢量,包括6個(gè)工作電壓矢量和2個(gè)零電壓矢量。直接轉(zhuǎn)矩控制過(guò)程中,根據(jù)各個(gè)電壓矢量對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的作用效果,預(yù)先制定出一個(gè)電壓矢量開(kāi)關(guān)表。在每個(gè)控制周期中,根據(jù)定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)區(qū)間及定子磁鏈所在的扇區(qū)

4、,從開(kāi)關(guān)中選出相應(yīng)的電壓矢量,從而產(chǎn)生PWM信號(hào)作用于逆變器,使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖由圖1可見(jiàn),系統(tǒng)硬件電路主要由主電路、控制器、測(cè)量和驅(qū)動(dòng)接口、保護(hù)電路等組成。直流母線電壓以及交流側(cè)兩相電流經(jīng)霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)得,并經(jīng)低通濾波后送到DSP的ADC 模塊,DSP輸出脈寬調(diào)制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)、隔離后送給IPM模塊的驅(qū)動(dòng)端,使IPM模塊工作。如果IPM模塊出現(xiàn)異常,如過(guò)流、過(guò)熱、過(guò)壓等,則輸出一個(gè)“錯(cuò)誤”信號(hào)給DSP,DSP立即封鎖PWM輸出,保護(hù)IPM模塊。該系統(tǒng)中選用TMS320F2808作為控制核心,DSP芯片主

5、頻為100M,片內(nèi)資源豐富,包括16通道模擬輸入高速12位A/D轉(zhuǎn)換器、3個(gè)32位的CPU定時(shí)器、6個(gè)具有可編程死區(qū)的ePWM模塊、4個(gè)32位的輸入捕捉單元、2個(gè)32位的正交編碼脈沖模塊,以及業(yè)界通用的異步串行接口、串行同步外設(shè)接口和CAN總線接口,這些資源為TMS320F2808在工業(yè)控制中尤其是在電機(jī)控制中有著很大的優(yōu)勢(shì),為直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)提供了很大的便利。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)軟件是系統(tǒng)控制的核心,本系統(tǒng)控制軟件的執(zhí)行過(guò)程中,必須完成電壓電流的檢測(cè)與處理、定子磁鏈的觀測(cè)、轉(zhuǎn)矩的運(yùn)算,還必須建立電壓矢量的開(kāi)關(guān)表,并根據(jù)DTC的控制算法,輸出滿足要求的電壓矢量,以達(dá)到要求的控制性能。此過(guò)程都是

6、在一個(gè)采樣周期內(nèi)完成,此系統(tǒng)的采樣周期為0.1ms。對(duì)DSP的編程通過(guò)JTAG仿真器進(jìn)行。它通過(guò)USB接口與PC連,在PC上使用CCS3.3編譯器可以直接對(duì)DSP進(jìn)行編程、調(diào)試。直接轉(zhuǎn)矩控制算法的DSP程序結(jié)構(gòu)大致分為兩部分:主程序和中斷服務(wù)程序。其中主程序主要完成對(duì)功能模塊進(jìn)行初始化、設(shè)置參數(shù)、為各個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的控制任務(wù)開(kāi)放中斷、執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。給系統(tǒng)上電,進(jìn)入初始化階段,系統(tǒng)變量進(jìn)行外設(shè)初始化、初始化賦值等,然后開(kāi)中斷,等待中斷的到來(lái),所有的初始化僅在系統(tǒng)上電時(shí)執(zhí)行一次,然后進(jìn)入中斷等待,通用定時(shí)器T0產(chǎn)生下溢中斷,進(jìn)入中斷服務(wù)子程序執(zhí)行直接轉(zhuǎn)矩控制算法,輸出合適的電壓空間矢量。DSP進(jìn)

7、行初始化處理后,打開(kāi)TZ中斷,T0中斷,AD中斷,之后啟動(dòng)AD,此時(shí)立即啟動(dòng)T0中斷。進(jìn)入中斷T0后,首先轉(zhuǎn)換上一次啟動(dòng)AD時(shí)測(cè)量的兩相相電流、直流母線電壓以及轉(zhuǎn)速。由于所采用的異步電機(jī)定子是Y連接的,零序電流為0,所以根據(jù)ia+ib+ic=0,只需要檢測(cè)其中兩相電流就能得到另外一相電流。之后要對(duì)測(cè)得的母線電壓和相電流進(jìn)行坐標(biāo)變換。然后進(jìn)入磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)環(huán)節(jié),計(jì)算出定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩。計(jì)算磁鏈誤差和轉(zhuǎn)矩誤差,判斷誤差是否超出滯環(huán)寬度設(shè)立相應(yīng)的標(biāo)志,然后查開(kāi)關(guān)電壓表確定出下一時(shí)刻需要發(fā)出的電壓矢量。通過(guò)比較單元輸出所需的開(kāi)關(guān)狀態(tài),更新PWM信號(hào)。之后中斷返回至主程序進(jìn)入等待狀態(tài),以等待下一次通用

8、定時(shí)器T0中斷的到來(lái)。中斷服務(wù)子程序流程圖如圖2所示:圖2 中斷服務(wù)程序流程圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)采用三相鼠籠式異步電機(jī),定子Y型連接,定子電阻RS=2.7,轉(zhuǎn)子電阻Rr=2.23,定子電感LS=0.3562H,轉(zhuǎn)子電感Lr=0.3562H,定轉(zhuǎn)子互感 Lm=0.3425H,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=0.00825kgm2,極對(duì)數(shù)Pn=2,額定轉(zhuǎn)矩T=10Nm,給定額定轉(zhuǎn)速n=500r/min,給定定子磁鏈幅值為1Wb。由圖3可見(jiàn),定子磁鏈在啟動(dòng)很短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到給定值,穩(wěn)態(tài)時(shí)保持在給定值1wb左右,說(shuō)明定子磁鏈控制效果不錯(cuò)。由圖4可見(jiàn),轉(zhuǎn)速大約0.13s 在達(dá)到給定額定轉(zhuǎn)速。由圖5可以看出,兩相定子電流波形較接近正弦波,相位關(guān)系保持較好,且在電機(jī)啟動(dòng)時(shí),電機(jī)的起始電流較大。其原因在于電機(jī)在建立磁場(chǎng)時(shí),同一個(gè)電壓空間矢量作用的時(shí)間比較久,此時(shí)應(yīng)該考慮在軟件上作限流的程序,以免損壞器件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該

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