永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)，又稱為轉(zhuǎn)矩矢量控制(TVC)，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的異步電機(jī)控制方案，這種方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)好，其控制思想已經(jīng)推廣用于永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制，本文介紹了永磁同步電動(dòng)機(jī)的幾種直接轉(zhuǎn)矩控制方案，磁鏈轉(zhuǎn)矩的估計(jì)方法等。對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一套基于TMS320LF2407的永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該策略可用于永磁同步電動(dòng)機(jī)控制，實(shí)驗(yàn)還表明永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和對(duì)系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)、外干擾具有很強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行表明該調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的故障檢測(cè)和保護(hù)功能，硬件設(shè)計(jì)思想合理。關(guān)鍵詞:永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制故障檢測(cè)與保護(hù)控制方案StudyofDirectTorqueControlofPermanentMagnet

SynchronousMotorAbstractDirectTorqueControl(DTC)technique,whichisalsocalledTorqueVectorControl(TVC),isanewcontrolschemeforinductionmotordrivesrecentyears.ThecontrolsystemisverysimpleofagooddynamicperformanceandthecontrolschemehasbeenextendedtoPermanentMagnetSynchronousMotors(PMSM)SeveralcontrolschemesofdirecttorquecontrolforPMSMdrivesandestimationtechniqueoffluxlinkageandtorque.Directtorquecontrol(DTC)ofpermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)wasresearch,andaPMSMDTCsystembasedonTMS320LF2407wasdeveloped,ExperimentalresultsverifiedthefeasibilityofusingDTCstrategyonPMSM,andthemeritsofPMSMDTCincludingtherapidtorqueesponse,hegoodspeed-adjustableperformance,andtherobustnesstosystemparametersuncertaintyanddisturbance.Thestempredatedwellandsuccessfully,whichshowedthespeed-adjustablesystemhadgoodcompetenceinfaultdetectionandprotection.Keywords:PSWMDTCdefaultdetectionandprotection目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要 IAbstract ii一、 緒論 1\o"CurrentDocument"二、 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2（一） 磁同步電動(dòng)機(jī)DTC機(jī)理 2（二） 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論 2（三） 零矢量在直接轉(zhuǎn)矩控制中的作用 3（四） 永磁同步電動(dòng)機(jī)DTC系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4\o"CurrentDocument"3.3v和5v接口電路 4\o"CurrentDocument"故障檢測(cè)與保護(hù) 5\o"CurrentDocument"（1） 過(guò)流檢測(cè)與保護(hù) 5（2） IPM保護(hù) 6\o"CurrentDocument"（3） 二階Butterworth濾波電路的設(shè)計(jì) 6（五）實(shí)驗(yàn)結(jié)果 7\o"CurrentDocument"三、 結(jié)論 10\o"CurrentDocument"致謝 11參考文獻(xiàn)： 12—、緒論永磁同步電機(jī)具有調(diào)速性能好、易于控制、無(wú)換向火花、無(wú)勵(lì)磁損耗、壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在多用于要求快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和高性能運(yùn)行的場(chǎng)合。直接轉(zhuǎn)矩控制是近年來(lái)繼矢量控制技術(shù)之后的一種新方法：它采取定子磁鏈定向，利用離散的兩點(diǎn)式（Bang-Bang）進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生PWM信號(hào)，并直接對(duì)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。其省掉了復(fù)雜的矢量變換，控制思想新穎,控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速。目前,這種控制方法已成功應(yīng)用于異步電機(jī)調(diào)速，近年來(lái)在永磁同步電機(jī)中的應(yīng)用也在國(guó)內(nèi)外有文獻(xiàn)報(bào)道，但是相比異步電機(jī)，仍有許多問(wèn)題需要解決。永磁同步電動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱PMSM）具有功率密度大、效率高、轉(zhuǎn)子損耗小、可靠性高、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良等眾多優(yōu)點(diǎn)⑴，有著廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用市場(chǎng)。作為一種高性能的控制方案,直接轉(zhuǎn)矩控制（以下簡(jiǎn)稱DTC）已在感應(yīng)電機(jī)上得到比較成熟的應(yīng)用⑵,將其控制思想應(yīng)用于，也同樣可以得到良好的動(dòng)態(tài)性能⑶。由于實(shí)驗(yàn)中常遇到因電機(jī)電流過(guò)流和觸發(fā)脈沖狀態(tài)不定等問(wèn)題，處理不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致逆變器橋臂直通而燒毀功率模塊和電機(jī)。本文開(kāi)發(fā)了一套永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)證明硬件設(shè)計(jì)方案可行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制同樣具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和對(duì)系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)，外干擾具有很強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn)。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）磁同步電動(dòng)機(jī)DTC機(jī)理陰極的電磁轉(zhuǎn)矩方程［4：T=3/2LSXP|Ws||WPMIsin6 （1）因此可通過(guò)保持定子磁鏈幅值恒定，改變定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度和方向來(lái)瞬時(shí)調(diào)整功角D,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)直接控制。忽略定子電阻的影響，定子磁鏈方程可表示為IWs|=/（Us-Rsis）dt+W。5Usdt+Wo （2）這表明可通過(guò)控制電機(jī)的輸入電壓u來(lái)控制定子磁鏈7按一定的軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。（二）永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論永磁同步電機(jī)矢量圖如圖1所示，其中d-q坐標(biāo)系是固定在轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,x-y坐標(biāo)系是固定在定子上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，定子磁鏈方向?yàn)閤軸的正向。d軸與x軸夾角為6,d軸與A相夾角為。。在恒定負(fù)載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下,d-q坐標(biāo)系與x-y坐標(biāo)系保持同步代恒定;瞬態(tài)時(shí),6隨著定子、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度不同而改變。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下，永磁同步電動(dòng)機(jī)定子磁鏈、定子電壓和電磁轉(zhuǎn)矩分別為T(mén)OC\o"1-5"\h\zWd=Ldid+Wf ⑴Wq二Lqiq ⑵Ud=Rsid+pWdPrWq ⑶Uq=Rsiq+pWq+3*d ⑷Te=3/2np(Wdiq-Wqid) ⑸式中：Wd，Wq分別為定子磁鏈d軸和q軸上的分量；id，iq分別為定子電流d軸和q軸上的分量；Ld，Lq分別為d軸和q軸電感;Wf為永磁體磁鏈;Ud，Uq分別為定子電壓d軸和q軸上的分量;Rs為定子電阻;3r為轉(zhuǎn)子角速度;np為電機(jī)極對(duì)數(shù)。通過(guò)坐標(biāo)變換，可得定子旋轉(zhuǎn)x-y坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為T(mén)e=3np/4LdLq|Ws|[2WfLqsin6-|Ws|(Lq-Ld)sin26] (6)由式(6)可知,在一定條件下，保持定子磁鏈幅值|Ws|恒定，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨著定、轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角6的變化而變化。因此定義6為轉(zhuǎn)矩角。通過(guò)迅速改變6,轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)迅速改變，從而得到快速的轉(zhuǎn)矩效應(yīng)，這與感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論相同。因此，可以通過(guò)改變逆變器輸出的電壓空間矢量來(lái)改變定子磁鏈Ws的大小與旋轉(zhuǎn)速度，采取“砰-砰”兩點(diǎn)式控制，對(duì)|Ws|與6進(jìn)行定性控制，從而達(dá)到直接控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的效果。零矢量在直接轉(zhuǎn)矩控制中的作用永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩角的變化量△6為因定子磁鏈旋轉(zhuǎn)引起的角度變化△6s與因轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)引起的角度變化△6r之差，即△6二△6s-A6r。施加零電壓矢量時(shí)，永磁同步電機(jī)定子磁鏈靜止，幅值緩慢衰減，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值恒定，以同步速前進(jìn)?！?s=0,A6r=3rAt,可得A6=A6s-A6r=-3rAt。為了簡(jiǎn)化分析，現(xiàn)設(shè)永磁同步電機(jī)為隱極機(jī)，沒(méi)有因凸極效應(yīng)引起的磁阻轉(zhuǎn)矩。當(dāng)逆變器供電頻率為50Hz時(shí)，在控制周期At=100ps內(nèi)，因轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)引起的角度變化A6廣1.8,當(dāng)轉(zhuǎn)矩角6=90°時(shí),因A6r引起的轉(zhuǎn)矩變化率可得

△Te/Te=［sin90°-sin（90°-1.8°）］/sin90°^0.05%當(dāng)轉(zhuǎn)矩角6=60°時(shí),△Te/TeQ1.86%;當(dāng)轉(zhuǎn)矩角6=30°時(shí),△Te/Te^5.49%o可見(jiàn)，在供電頻率等于50Hz時(shí),6在［30°,90°］范圍內(nèi)，零電壓矢量在100.s的控制周期內(nèi)引起的轉(zhuǎn)矩落差非常小。（四）永磁同步電動(dòng)機(jī)DTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.3.3v和5v接口電路因?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)使用的是TMS320LF2407處理器，其高電平電壓是3.3v。因此其與外電路的接口需進(jìn)行電平電壓轉(zhuǎn)換。電路中有以下幾個(gè)部分需進(jìn)行3.3v和5v電平電壓轉(zhuǎn)換：第一,TMS320LF2407輸出FWM信號(hào)和IPM輸入信號(hào)之間的電平電壓轉(zhuǎn)換。圖2中的74LS244是具有三態(tài)輸出的帶有8個(gè)緩沖器的線性驅(qū)動(dòng)器，只要其供電電源為5v,就可實(shí)現(xiàn)3.3v到5v電平電壓轉(zhuǎn)換。7心244用+做電U607心244用+做電U60圖2輸出3.3到5電平電壓轉(zhuǎn)換第二，光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)與TMS320LS2407的正交編碼脈沖信號(hào)電路的輸入信號(hào)、以及外圍故障信號(hào)與TMS320LS2407的PDPINTA/B信號(hào)的電平電壓轉(zhuǎn)換,都用74HC14實(shí)現(xiàn)5v到3.3v電平電壓轉(zhuǎn)換。

2.故障檢測(cè)與保護(hù)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的保護(hù)分為三個(gè)層次,依次是IPM自身保護(hù)、硬件保護(hù)和軟件保護(hù),如圖3所示。圖3系統(tǒng)故障檢測(cè)與保護(hù)框圖（1）過(guò)流檢測(cè)與保護(hù)過(guò)流保護(hù)原理是檢測(cè)三相電流，與事先設(shè)定好的參考值相比較，如圖4所示,一旦出現(xiàn)過(guò)流情況，就鎖定過(guò)流信號(hào)，并輸出報(bào)警信號(hào)給系統(tǒng)，一路送給電源設(shè)備保護(hù)中斷PDPINTA/B,從軟件上封鎖PWM信號(hào);一路給C_PWM,如圖2所示，使其為高圖4過(guò)流檢測(cè)原理圖電平，封鎖74LS244的輸出，從而封鎖PWM輸出;另一路給PDP1,如圖5所示,把光耦TLP559的供電電源Vcc_c徹底封鎖PWM信號(hào)。圖5IFM保護(hù)電路IPM保護(hù)IPM自身有欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)等故障保護(hù)功能，但是其輸出報(bào)警信號(hào)具有非保持性，因此，僅靠IPM自身保護(hù)功能不能完全滿足實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求，要保證系統(tǒng)安全可靠可行，必須增加輔助保護(hù)電路。IPM故障信號(hào)FO經(jīng)光耦后送給74HC74鎖存，然后，一路送給如圖5所示的PDP1,把光耦TLP559的供電電源Vcc_c拉低,從而徹底封鎖PWM輸出；一路送給圖1的C_PWM，使其為高電平,從而使74LS244輸出為高阻抗，封鎖PWM輸出;另一路送給電源設(shè)備保護(hù)中斷PDPINTA/B,從軟件上封鎖信號(hào)輸出。（3）二階Butterworth濾波電路的設(shè)計(jì)TMS320LF2407的A/D轉(zhuǎn)換是單極性的，因此采樣電流、電壓信號(hào)不能直接接入DSP的A/D口，需加直流偏置，然后濾除1000Hz以上高頻干擾信號(hào)后方能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。硬件濾波電路采用二階Butterworth低通濾波器，如圖6所示，其傳遞函數(shù)

為:<C|CR:（為:<C|CR:（尺：MRr「R：+此}+R|R-1+R|fR：+Rq}}C此/+z―： ' ：圖6二階Butterworth低通濾波器根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求取20lg|A(j3)/Ao)|=0dB,濾除1000Hz以上的頻率，從而可確定(3)中相應(yīng)的電阻和電容參數(shù)。(五)實(shí)驗(yàn)結(jié)果本實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)為：額定電壓En=128v,額定電流In=15.8A,額定轉(zhuǎn)矩Tn=10N-m,額定轉(zhuǎn)速nN=2000r/min,額定功率?N=2kw,極對(duì)數(shù)p=3,交、直軸電感Ld=Lq=15.3mH,定子電阻Rs=0.56。，永磁體磁鏈中pm=0.1663Wb。圖7為給定轉(zhuǎn)速1000r/min電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)定子電流波形。圖8是負(fù)載轉(zhuǎn)矩為3N-m轉(zhuǎn)速給定1000r/min時(shí)定子電流波形。從圖7、8對(duì)比看出：電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，定子電流很小,疊加干擾分量，致使電流波形發(fā)生畸變，而電機(jī)在給定轉(zhuǎn)矩3N?m運(yùn)行時(shí)，測(cè)量電流值為5A,遠(yuǎn)大于干擾，故電流波形比較光滑。圖9是電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速1000r/min突加負(fù)載時(shí)定子電流波形，可看出系統(tǒng)在突加負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)能可靠工作。圖10為負(fù)載轉(zhuǎn)矩從3N?m突變到1N?m時(shí)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)局部放大圖，可看出轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約1,

圖7給定轉(zhuǎn)速1000r/min電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)定子電流-,E1*I,,I,Er■ !I*III1IEIl|lIIL|IIJipllai|l.I圖8給定轉(zhuǎn)速1000r/min負(fù)載轉(zhuǎn)矩3N?m時(shí)定子電流■zvwWV\AAAA5.河..I 司】.II“In|■I,：-w\yWjA/\AAA)HMCH1■V.■t '—-:圖9給定轉(zhuǎn)速1000r/min電機(jī)突加負(fù)載定子電流圖10負(fù)載轉(zhuǎn)矩響應(yīng)局部放大圖這表明直接轉(zhuǎn)矩控制具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。圖11為電機(jī)在1000r/min穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E，具有圓形特征，說(shuō)明磁鏈中直流分量很小,系統(tǒng)可靠運(yùn)行。負(fù)載給定為3N?m時(shí)，起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形，轉(zhuǎn)速上升迅速，說(shuō)明系統(tǒng)具有快速的起動(dòng)能力和良好的起動(dòng)特性，體現(xiàn)了直接轉(zhuǎn)矩控制特點(diǎn)響應(yīng)迅速特點(diǎn)。圖11定子磁鏈軌跡三、結(jié)論（一） DTC策略可用于永磁同步電動(dòng)機(jī)控制,永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制同樣具有快速的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性（1m/s）,系統(tǒng)對(duì)參數(shù)攝動(dòng)、外干擾具有很強(qiáng)的魯棒性。PSWMDTC可用于對(duì)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)要求快速的傳動(dòng)系統(tǒng)。（二） 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行表明本文提出的系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)思想是有效可行的。（三） 直接轉(zhuǎn)矩控制具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)調(diào)速性能，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快，并且轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比較小，系統(tǒng)對(duì)速度階躍響應(yīng)迅速。所以這種控制方法具有良好的控制性能。（四） 永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法直接控制定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，間接控制定子電流和電壓，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較好，但是起動(dòng)和低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。致謝經(jīng)過(guò)半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)?？粕漠厴I(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒(méi)有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。在這里首先要感謝我的導(dǎo)師高聯(lián)學(xué)。他平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從外出實(shí)習(xí)到查閱資料，設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，裝配草圖等整個(gè)過(guò)程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜煩瑣，但是高聯(lián)學(xué)老師仍然細(xì)心地糾正圖紙中的錯(cuò)誤。除了敬佩高聯(lián)學(xué)老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。然后還要感謝大學(xué)三年來(lái)所有的老師，為我們打下機(jī)械專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ);同時(shí)還要感謝所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С趾凸膭?lì)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。最后感謝濱州學(xué)院三年來(lái)對(duì)我的大力栽培。參考文獻(xiàn)：ZhongL,RahmamMF.Adirectcontrollerforpermanentmagnetsynchronousmotordrives[J].IEEETrans.onEnergyConversion.1999.14(3):37~42.TakahashiL,NoguehiT.Anewquick-response