基于DSVM感应电机直接转矩控制的DSP实现-毕业论文.doc

毕业设计(论文) 课题名称基于DSVM感应电机直接转矩控制的DSP实现院 (系)专 业自动化姓 名学 号起讫日期指导教师感应电机的离散空间矢量直接转矩控制研究摘要直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后交流调速领域中新兴的控制技术，采用空间矢量的分析方法，在定子坐标系下计算并控制转矩和磁链，以获得转矩的高动态性能，相比于矢量控制，它省去了复杂的矢量变换，克服了对电机转子参数的依赖性，具有转矩响应快的优点，本文给出一种感应电机离散空间矢量调制直接转矩控制(DSVM-DTC)的数字实现方法，详细阐述了以TI公司的TMS320F2812作为控制器核心的直接转矩变频调速系统的软、硬件设计方案。实验结果表明，DSVM技术可有效减小转矩脉动，改善电流和磁链波形，且保持了一般直接转矩控制方法转矩动态响应快的优点。关键词：直接转矩控制；离散空间矢量调制；转矩脉动；TMS320F2812A research for discrete space vector modulation direct torque control of induction motor drivesAbstractAbstract: Direct Torque Control，following the vector control technique, is an emerging technique in the field of AC Motors speed control .Using the space vector analysis method, the DTC technique calculates and controls the torque and flux linkage in the stator coordinate system in order to obtain higher dynamic torque performance. Comparison of vector control DTC eliminates the need of complex vector transform, overcome the dependency to rotor parameters，and has an advantage of fast torque response，a digital implementation method of discrete space vector modulation direct torque control (DSVM-DTC) system of induction motors is presented. The software and hardware design scheme of DTC driving system using the TMS320F2812 is investigated in details. The experiment results show that torque ripple are significantly reduced, the wareform of current and flux linkage are improved effectively and the technology of DSVM control keep the advantage of fast torque response of DTC. Key words: direct torque control; discrete space vector modulation; torque ripple; TMS320F2812I目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 电机拖动技术的发展11.1.1 矢量控制11.1.2 直接转矩控制11.2 课题研究的现状21.2.1 直接转矩控制发展现状21.2.2 基于DSVM直接转矩控制发展现状21.3 课题研究的目的和意义31.4 本文研究的主要内容和章节安排3第二章 感应电机的数学模型52.1 三相-两相静止变换（、0变换）6第三章 直接转矩控制的基本原理和系统结构83.1 直接转矩控制基本原理83.2 DSVM直接转矩控制系统结构93.3 DSVM基本原理113.3.1 空间矢量的工作原理113.32 DSVM基本原理13第四章 系统的硬件设计154.1 主控板154.1.1 DSP控制器选型154.1.2 控制板特性164.1.3 主控板外围电路164.2主功率驱动板184.2.1 电源电路194.2.2 整流电路204.2.3 IGBT逆变电路204.2.4 IGBT驱动电路224.2.5 PWM信号隔离及故障保护电路9234.2.6 信号检测电路24第五章 试验结果与分析275.1 Code Composer Studio开发平台275.2 系统软件流程285.3系统软件实现295.4实验平台305.5 实验结果分析31致谢35参考文献36南京工业大学本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 电机拖动技术的发展电气传动装置在当今社会发展中起着极为重要的作用，它能实现转矩，转速，加速度，位置等多种控制，应用于现代生活生产的众多领域。对于多数机械负载，若采用可调速控制方式，不但能改善其性能，还能打打提升生产效率和工作效率，大量节省能量消耗。如今随着电力电子技术和微电子技术的发展，交流电机控制的硬件得以简化，另一方面，新的控制理论的 发展应用，特别是矢量控制方法和直接转矩控制方法的应用，使得交流调频技术获得越来越广泛的应用，因此研究感应电机的调速控制方法显得尤为重要。现代常规领域中的感应电机控制方法有转子磁场定向矢量控制（Field Orientation Control-FOC）和直接转矩控制(Direct Torque Control-DTC)1.1.1 矢量控制上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke等人首先提出了异步电机转子磁场定向矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题，使得交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美。矢量控制是基于动态模型的高性能感应电机调速控制方案，它以矢量变化和转子磁链定向，得到等效的直流电动机模型，实现了对交流电动机转速和磁场控制的完全解藕，这样就使感应电动机的变频调速系统具有了直流调速系统的全部优点。1.1.2 直接转矩控制随着交流调频技术的发展，1985年德国鲁尔大学的DeoPenbrock教授提出了直接转矩控制的理论，其特点是直接在定子坐标系下计算并空房子电机的转矩和磁通，相比于矢量控制，直接转矩控制的计算控制简单、调速特性受电机参数变化的影响较小、实际性能较好的达到理论分析结果。控制思想简单，系统结构简明，静、动态性能优良，在理论和实际应用上得到了迅速的发展1。直接控制转矩与著名的矢量控制的方法不同，其控制方式是采用空间矢量的分析方法，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值作带滞环比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，借助离散的两点式调节生成PWM信号直接对逆变器进行最佳控制，实现磁链转矩的直接控制。1.2 课题研究的现状1.2.1 直接转矩控制发展现状直接转矩控制有以下几个主要特点：（1）直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，不要模仿直流电机的控制，也不要为解耦而简化交流电动机的数学模型，系统简单明了，直接实现控制电机的磁链和转矩。（2）控制磁场定向所用的是定子磁链，大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化的影响，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。（3）采用空间矢量的方法来分析三相交流电机的数学模型和控制其各物理量，易于实现全数字化。（4）直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。包含有两层意思：直接控制转矩；对转矩的直接控制。综上所述,直接转矩控制算法的分析在静止的定子坐标系中进行，没有了复杂的坐标变换和电流调节器。它通过每个采样周期中的瞬时误差对定子磁链与电磁转矩进行直接控制。尽管整个控制系统结构简单明了，但能够产生非常快的动态响应。如今在最简单的DTC 算法中，涉及到的感应电机参数只有定子电阻，因此电机参数的波动对整个系统的控制性能影响很小。它的控制结构简单，控制思想新颖，控制手段直接，信号处理的实现方式和物理概念明确。并且控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。但是直接转矩控制自然也有其不完善之处，目前，定子磁链观测器、转矩观测器是其研究的难点之一，其次传统DTC 的一个明显缺点是产生的转矩波动较大。因此已经出现了多种改进技术。其中一种有效的方法是采用空间矢量调制（SVM）技术，本文将对这种空间矢量脉宽调制的数字实现展开研究。1.2.2 基于DSVM直接转矩控制发展现状传统的直接转矩控制技术的主要问题是低速时转矩脉动大。为了降低和消除低速时的转矩脉动，提高转速、转矩控制精度，扩大直接转矩控制系统的调速范围，近些年来提出了许多新型的直接转矩控制系统。采用空间矢量调制(SVM)技术可有效减少传统DTC的转矩脉动。SVM在每个采样周期中，求得能够恰好补偿当前定子磁链误差与转矩误差的参考电压矢量，该参考电压矢量由2个相邻的基本工作电压矢量及零电压矢量合成得到。采用SVM技术后的DTC系统输出转矩脉动大大减小，但该算法要求的实时计算量很大，硬件要求高。为此，人们提出了DSVM技术，把一个采样周期分为多个时间段，每个时间段输出不同的电压矢量，从而可以在一个周期内组合成多个不同的电压矢量，这就扩大了对电压矢量的选择范围，增大了选择合适电压矢量的机会。将一个采样周期分成的时间段越多，可以合成的电压矢量数目就越多，控制越精细，但实现更复杂。应用离散空间矢量技术后的DTC系统输出转矩波动小，控制性能得到极大提高。该控制策略可以减小电机磁链和转矩波动，电流波形正弦度好，有助于提高电机运行效率。所以异步电机的DSVMDTC控制策略有良好的应用前景，成为现代交流传动界的研究热点，1.3 课题研究的目的和意义随着工业生产的发展，交流电机的控制技术的使用越来越广泛，控制要求也越来越高，本课题以实际试验设计验证基于离散空间矢量技术的直接转矩控制的各项性能，改善了部分数字实现程序，证明控制方法的正确性，减小传统直接转矩控制中的磁链和转矩脉动，改善了电机动态性能，为实际应用提供了理论指导。1.4 本文研究的主要内容和章节安排本论文的主要内容是通过查阅了大量的国内外相关文献，很好地掌握了直接转矩控制的基本原理以及系统设计的基本方法，熟悉以TMS320LF2812为核心的硬件电路，熟悉使用Code Composer Studio集成开发环境，实现离散空间矢量直接转矩控制的数字实现方案，利用试验软、硬件平台，完成电机的调速控制，并对试验结果进行分析研究。毕业设计主要内容：第一章 介绍本课题的发展状况，主要介绍了直接转矩控制和离散空间矢量技术 (DSWM) 发展状况和未来的发展趋势。第二章 构建了感应电机在各种坐标系下的数学模型，为下面的实验和算法打下坚实的理论基础。第三章 介绍了基于离散空间矢量(DSWM)技术的直接转矩控制的基本原理和系统结构，是文章的重点部分，给出了离散空间矢量技术的算法实现。第四章 系统的硬件设计包括驱动板和控制板的选择和外围电路的相关介绍。第五章 系统的软件设计主要包括实验程序的编写和实验平台的使用。第六章 实验结果和总结，并对以后的工作进行了展望。第二章 感应电机的数学模型感应电机交流调速系统的控制方式非常复杂，如果要确定最佳的控制方式，必须对系统动、静态性能进行充分而有效的研究。作为交流调速控制系统中的一个重要环节，感应电机的特性显得极为重要，为把握系统的主要关系，在研究其数学模型时我们常作如下假设1：(1)定子铁芯为各向同性、分布均匀的圆筒状线性铁磁媒质，转子为各向同性、分布均匀的圆柱状线性铁磁媒质，定子转子同轴且等长；(2)忽略空间谐波。设三相绕组对称，空间互差120度电度角，所产生的磁动势沿气隙圆周正弦分布；(3)忽略铁心涡流，磁路饱和及磁滞损耗，忽略其它杂散损耗，各绕组的自感和互感都是线性的；(4)不考虑频率和温度变化对电机绕组电阻的影响，简化电机模型公式。因此，三相异步电动机的物理模型可用图2-1表示AaBbCVc、图2-1 三相异步电动机的物理模型以A相绕组的轴线为空间参考坐标轴，转子a轴和定子A轴问的电角度为空间角变量，我们规定磁链和各绕组相电压、电流的正方向符合电机惯例和右手螺旋定则。由此，我们可得到在三相静止坐标系A、B、C上的三相异步电动机的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程。定子电压方程： （2-1）转子电压方程：37 （2-2）则可以将绕组的电感和电流作为变量，采用矩阵的描述方式来描述定子绕组的磁通链方程： （2-3）其中，为转子，定子各相得自感，为定子、转子和转子和定子之间的互感。转矩方程： （2-4）式中负载阻力矩；J机组的转动惯量；K扭转弹性力矩系数；电机极对数。但是在A、B、C坐标系统中感应电机基本方程式的求解是十分复杂的，不利于我们的计算和分析，所以通常采用各种线性变换（坐标变换）来对感应电机的数学模型进行简化，进而使得感应电机的动态特性的分析和求解变得比较容易进行，本课题中用到的的坐标变换有d、q、0变换，、0变换等等。通过这些线性变换以后，在新的坐标系统中异步电机的基本方程式被称为该坐标系统感应电机的数学模型。2.1 三相-两相静止变换（、0变换）静止3/2变换叫Clarke变换，它是在在三相静止绕组A、B、C 和两相静止绕组a、b 之间的变换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称3S/2S 变换。aBbCVcAdq 图2-2 三相/二相静止变换 图2-3 二相/二相旋转变换图2-2中绘出了A、B、C和、两个坐标系，为方便起见，取A轴和轴重合。轴超前轴900。按照三相系统和二相系统总磁势相等且功率不变的原则可以得到静止3/2变换矩阵如下： （2-5） （2-6） （2-6）第三章 直接转矩控制的基本原理和系统结构3.1 直接转矩控制基本原理根据交流电机理论，感应电机的转矩方程为： （3-1）式中，为转矩，为漏电感，为定子磁链矢量，为转子磁链矢量，为转矩角。在电机实际运行时，我们为了充分利用电动机的定额，通常保持定子磁链的幅值为额定值，转子磁链幅值由电机负载决定。因此根据式3-1，可以通过调节转矩角来改变感应电动机的转矩。设当前时刻的定子磁链向量为，下一个采样时刻的定子磁链向量为，采样周期为，其间作用于电机的空间电压矢量为。由电机基本方程可得关系式（3-2）。图1为定子磁链变化（亦为转矩角变化）与空间电压矢量作用关系的图示。 （3-2）图3-1直接转矩控制原理图示由图3-1可知，通过选择适当的电压空间矢量，可以控制定子磁链的旋转速度，使定子磁链走走停停，改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变转矩角的大小，达到控制电机输出转矩的目的。3.2 DSVM直接转矩控制系统结构如图3-2是离散空间矢量直接转矩控制系统结构图：主要包括逆变器、转矩磁链角和磁链计算器、转速调节器、转矩和磁链调节器及脉宽调制控制器等几个部分。基本原理是：将交流电经整流器整流，经滤波电路滤波得到较平稳的直流电。功率驱动部分将两相定子电流、直流母线电压和转子转速信号给控制部分，控制部分通过处理这些信息实现直接转矩控制算法，将最终计算得每一个扇区，可以得到19个不同的电压矢量，其中11个电压矢量是逆变器输出非零矢量与零矢量的组合输出给逆变器，控制逆变器开关状态产生电机工作所需的三相电流、电压。图3-2 离散空间矢量直接转矩控制系统图由霍尔传感器检测到流， ，经3/2变换，得到静止二相坐标系（坐标系）中的定子电流分量， 。定子磁链由u-i模型观测器进行估计 （3-3） 忽略定子电阻压降，公式可以表示为： （3-4）其中：，为-坐标系上的定子磁链两相分量，为-坐标系上的定子电压矢量的两相定子电阻。由此可得定子磁链的幅值： （3-5）仅当电机转速较低时，定子电阻的压降不可忽略，这种简化模型不能适用。再者低速时，定子电阻随温度而变化，也将影响磁链的观测，最终影响整个系统的性能。因此，u-i模型一般在l030额定转速以上适用，此时能较准确地观测定子磁链，而且能使得系统的结构简单，鲁棒性强。通过计算得到定子磁链分量和电流分量后，转矩可以用式3-6表示： （3-6）式中为电机极对数。磁通角的方程如下式3-7： （3-7） 直接转矩控制中磁链和转矩调节器是通过相应的滞环来实现的，估计出的磁链与转矩经过PI调节器（与在磁场定向控制中采用PI调节器调节定子电流从而控制磁链和转矩不同，在直接转矩控制中电压U直接控制了定子磁链的大小和旋转方向在直接转矩控制中磁链和转矩调节器是通过相应的滞环来实现的）得到定子磁场定向同步旋转坐标系下的定子电压分量，最后由2r/2s变换得到下个周期所需的和。系统中电机由电压源型逆变器供电驱动，逆变器的输出共有8 种电压矢量，其中6个工作电压矢量： (100) (101) 和2个零电压矢量 (000)， (111)。利用8 种电压空间矢量，由DSVM可以合成任意。3.3 DSVM基本原理PWM控制器的作用就是输出PWM信号控制逆变器三组开关的通断，以此达到控制电机定子电压的目的。在直接转矩控制系统中其输入信号为转矩调节器的开关信号、磁通调节器的开关信号以及磁链角信号。理论上PWM调制的方案有许多种，常用的主要有正弦脉宽调制（SPWM）和空间电压矢量脉宽调制技术（SVPWM）或离散空间矢量技术（DSVM）等，目前效果最好最流行的PWM控制技术是DSVM方法，DSVM方法能够有效的减少逆变器输出电流的谐波，提高电压的利用率。3.3.1 空间矢量的工作原理空间矢量技术是通过控制逆变器的六个开光管的导通状态和时刻使感应电机三相电流正弦化。其最终目的是希望在空间产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。旋转这种控制效果更直接，由于磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的。图3-3给出了典型的三相逆变器控制电机原理图，a、b、c分别代表3个桥臂的开关状态。规定：当上桥臂开关管“开”状态时(下桥臂开关管是“关”状态)，开关状态为1；当下桥臂开关管“开”状态时(上桥臂开关管“关”状态)，开关状态为“0”。三个桥臂只有“1”和“0”两种状态，因此a、b、c形成000、001、010、011、100、101、110、111共八种开关模式。其中000和111开关模式使逆变器输出电压cabM图3-3电压型理想逆变器推导出，三相逆变器输出的相电压矢量Ua、Ub、UcT与开关状态矢量a、b、cT的关系为： （3-8）如图3-4把逆变器的输出电压用电压空间矢量来表示，其中6中空间电压矢量幅值相等，相位角互差/ 3 ，分别记作U0,U60,U120,U180,U240,U300,而零电压矢量记作0000，0111。则逆变器的各种电压状态和次序就有了空间的概念。图3-4 电压空间矢量图若其A、B、C三相负载的定子绕组接成星形其输出电压空间矢量的Park矢量变换式为： （3-8）从而代入计算得到逆变器的电压状态与开关状态的对照关系，如下表：表一 逆变器的电压状态与开关状态的对照关系3.32 DSVM基本原理一个三相电压源逆变器只能产生8个工作电压矢量，分别为6个非零电压矢量和2个零电压矢量。在每个采样周期中，由于可选的电压矢量太少，不可能准确补偿当前的磁链与转矩误差。电压矢量数目的多少决定了补偿当前误差的精度。采用DSVM技术，将一个控制周期分为m个时间段，每个时间段输出一个电压矢量，从而可以合成更多新的电压矢量。m的值越大可合成的电压矢量的数目就越多，转矩和磁链产生的脉动也就越小，开关表也就越复杂，综合考虑以上因素，通常取m=3。采用三时间段DSVM技术，对于一个扇区，可以得到19个不同的电压矢量，其中11个电压矢量是逆变器输出非零矢量与零矢量的组合，如图3-5所示，每个交点表示一个电压矢量的终点。例如：“332”表示由空间电压矢量、和合成，“2ZZ”表示 和两个零电压矢量合成，每个矢量各作用三分之一的采样周期。图3-5 定子磁链位于扇区1时DSVM中可使用的电压矢量在DSVM直接转矩控制系统中，磁链控制器采用2级滞环调节，为了减小转矩脉动，转矩控制器采用5级滞环调节。假定电机逆时针旋转，磁通位于第一扇区。因为在同样的作用时间内高速时零电压矢量产生的转矩减小量比低速时大，为减小转矩脉动对不同的速度范围要选择不同的电压矢量。综合考虑转矩磁链控制器和电压排列顺序的影响，分低速区、中速区、高速区三个速度区。在高速区，为了充分利用电压矢量，把扇区进一步细分为上下两个扇区，最后得到DSVM-DTC开关表，如表二所示。其中 和 分别为磁链和转矩滞环控制器的输出。输出量为负表示实际值比参考值大，反之表示实际值比参考值小。例如： =2表示需要快速增大转矩， =-1表示需要略微减小转矩， =0表示保持转矩不变。表 2 DSVM-DTC中的电压矢量选择表第四章 系统的硬件设计本课题选用TI公司高性价比的TMS320F2812芯片作为核心器件来构成整个控制回路，它是集微电子学、数字信号处理技术和计算机技术等学科综合研究成果的新型微处理器，是本课题控制系统的核心部分，具有较小的指令周期和高效的计算能力，能够实时满足直接转矩控制算法的实现。图4-1为控制系统硬件结构框图图4-1 控制系统硬件结构框图4.1 主控板4.1.1 DSP控制器选型控制部分核心芯片选用TI公司的TMS320F2812芯片。TMS320F2000系列DSP集微控器和高性能的DSP特点与一身，具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法。其整合了Flash存储器，快速A/D转换器，增强的CAN模块和事件管理器EV，正交编码器电路接口及多通道缓冲串口等外设。该DSP芯片具有150MIPS的高速处理能力，能够在一个周期内完成32*32位为的乘法累加运算，或二个16*16位的乘法累加运算，能够完成64位的数据处理，从而完成高精度的处理任务8。该芯片的主要特点如下1.指令执行速度快。TMS320F2812芯片最高可在150MHZ主频下工作，采用的于旨令流水线技术使其在一个时钟周期内可并行处理多条指令，从而使才旨令的执行速度大为提高。2.丰富的片内外设资源。本系统所用到的资源包括:事件管理模块A(EVA)中的两个通用定时器、六路PWM全比较输出单元、A/D转换模块(ADC)和QEP正交编码脉冲电路等。3.高速的数学运算能力。TMS320F2812除了具有32位的中央算术逻辑单元和32位的累加器(ACC)，还包含一个32位的硬件乘法器，可在一个时钟周期内完成有符号或无符号数的乘法，使得该芯片的数学运算时间大为缩短TMS320F2812芯片的上述特点使之很适于电机控制场合，将其作为系统微控制器不仅简化了硬件电路的设计工作，还使得直接转矩控制的闭环调速算法的实现成为可能。4.1.2 控制板特性系统选用TMS320F2812作为控制芯片。它的基本特性有：具有高达150MIPS的高速数据处理能力；18K字片内数据RAM；128K字FLASH EPROM；定时器连续向上下计数生成对称 PWM；三个全比较单元输出六路互补的PWM，且极性可设置；快速A/D转换器；具有生成SVPWM的硬件电路；增强的CAN模块和事件管理器EV，正交编码器电路接口及多通道缓冲串口等外设52；死区时间可灵活设置。应用该芯片使外围电路得到简化，因此系统具有很高的可靠性。4.1.3 主控板外围电路TMS320F2812具有死区时间可灵活设置；快速A/D转换器；增强的CAN模块和事件管理器EV，正交编码器电路接口及多通道缓冲串口等外设。所需的外围电路得到了很大简化，系统成本降低。 图4-2 主控电路板系统采用无源晶振提供时钟信号，如图4-3所示图4-3 时钟电路系统复位电路如图4-4所示，可手动复位图4-4 复位电路串口通信口（SCI）是一种采用两根信号线的异步串行通信接口，通常又称为UART。RS-232C是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口标准，其传送距离最大约为15米，传输速率最高约为10Kb/s，如图4-5所示图4-5 RS232串口通信电路CAN总线在自动控制和工业生产等领域得到了广泛应用。CAN总线采用串行通信协议，具有较高的安全性，可以有效的支持分布式实时控制，通信速率最高达1Mbps。CAN总线具有较强的抗干扰能力，可以作为现场总线应用于电磁噪声比较大的场合。TMS320F2801芯片集成了CAN总线通信接口，可以通过外接驱动芯片SN65HVD230即可实现CAN总线接口电路，如图4-6所示。图4-6CAN总线接口电路4.2 主功率驱动板图4-7 主功率驱动电路板功率驱动电路采用AC/DC/AC电压型变频电路，结构如图4-7所示，主要由整流电路、滤波电路、逆变电路三部分组成。整流电路为一单相不可控整流桥，滤波电路由直流母线端并联两个470F/450V的电解电容组成，逆变电路由六个13A-600V的IGBT构成。DSP输出的PWM信号经过光耦驱动单元隔离放大后，用于控制IGBT的开关来驱动PMSM运行。由于IGBT在开关过程中会产生很高的浪涌电流，为保护IGBT，在每路IGBT桥路两端并联电容作为缓冲吸收电路。4.2.1 电源电路电源电路主要为控制系统及相关保护单元提供直流电源：+15V、+5V和+3.3V。+5V电源由78L05提供，+3.3V电源由TPS75733提供，如图4-8所示。(a)+5V电源电路(b) +3.3V电源电路图4-8 +5V和+3.3V电源电路图4-9 +15V电源电路在电源电路中使用磁珠进行滤波。磁珠有很高的电阻率和磁导率，它等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化。他比普通的电感有更好的高频滤波特性，在高频时呈现阻性，所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高调频滤波效果7。4.2.2 整流电路整流电路的输入为220V交流电源，通过整流桥进行全波整流，大容量电解电容滤波后产生直流电源，如图4-4所示。共模扼流线圈和两个电容组成型滤波，利用电容充放电和扼流线圈通过直流电、阻挡交流电的特性，可以得到质量较高的直流电源。由于整流电路中电解电容容量较大，系统上电时将产生很大的冲击电流。为了防止这一点，通常可以采用以下措施：(1) 在主电路中串入一个用来限流的大功率水泥电阻，当整流电压到达一定值时，通过继电器短接该电阻，减小额外能量损耗，保证系统正常运行。该方案需要继电器和相应控制信号，应用场合广泛。(2) 在主电路中串入一个热敏电阻，开机上电时电阻阻值较大，随着功耗的增加，电阻阻值逐渐减小，系统进入正常运行。该方案电路简单，适用于小功率整流电路。通过比较，系统选择第一种方法限制开机时的电容过大的冲击电流。电路中与电解电容并联的CBB电容，可以吸收高频纹波，改善高频特性。与电解电容并联的无感电容，可以吸收IGBT开关时产生的突波，保护系统元件。图4-10整流电路4.2.3 IGBT逆变电路逆变电路由六个IGBT搭建而成，如图4-11所示，它相对于智能功率模块(IPM)具有良好的经济性。图4-11 逆变电路IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是绝缘栅双极型晶体管的缩写，是由BJT（双极型三极管）和MOSFET（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，它融合了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。IGBT集电极和发射极两端并联反向二极管，可以防止反向电压击穿IGBT。在电力电子功率器件的应用中，器件在开关过程中遭受到很大的、或瞬时功率冲击，无一例外的都要设置缓冲电路(即吸收电路)，从而确保电子器件的安全。IGBT通用的缓冲电路有图4-11所示的三种形式。其中，图4-11(a)为单支低电感吸收电容构成的缓冲电路，适于小功率IGBT模块，成本较低。图4-11(b)为RCD构成的缓冲电路，适用于较小功率的IGBT模块，缓冲二极管D可箝住瞬变电压，抑制母线寄存电感引起的寄存振荡。图4-11(c)为P型RCD和N型RCD构成的缓冲电路，适用于大功率IGBT模块。系统中使用的永磁同步电机为500W左右，因此选择第一种适于小功率的缓冲电路。(a)(b)(c)图4-11三种常用IGBT缓冲电路4.2.4 IGBT驱动电路IGBT是电压控制型器件，栅极输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动较为容易，但是其特性与栅极驱动条件密切相关。比如栅极电路的正向偏压、负向偏压和栅极电阻的大小，对IGBT的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及、电流等参数有不同程度的影响。采用性能良好的驱动电路，可以使电力电子器件工作在较理想的开关状态，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。如图4-12所示的IGBT驱动电路由IR2136S和其它外围器件构成。IR2136S是专用的三相桥驱动器，它只需要一个直流工作电源，并带有3个独立的高压侧和低压侧输出通道，可输出6路驱动脉冲，工作频率可达几万赫兹。它具有以下特点：具有高端驱动的浮地输出，可直接驱动600V高压系统；具有欠压保护和过流保护功能，产生驱动使能信号；逻辑输入和CMOS、LSTTL输出兼容。IR2136S芯片VCC引脚输入电源，最高可接25V，可为低压侧提供电源，为高压侧提供悬浮电源。、对应3个高压侧驱动的逻辑信号输入端；、对应3个低压侧驱动的逻辑信号输入端；、对应3个高压侧驱动信号的输出端；、对应3个低压侧驱动信号的输出端。图4-12IGBT驱动电路IGBT门极与发射极之间连接一个稳压二极管，可以保证门极电压在15V以内，保证IGBT不被损坏。在门极和驱动信号之间连接反向二极管，使门极驱动信号为低电平时，电荷尽快释放，迅速关断IGBT。如图4-13所示。图4-13IGBT门极电路4.2.5 PWM信号隔离及故障保护电路9整个控制系统同时存在强电、弱电，为了提高系统可靠性，设计了隔离保护电路。所谓隔离，就是控制电路与功率部分完全隔开，两者不共地，也没有直接的电连接。PWM采用高速数字光耦HCPL4504进行隔离保护，如图4-14(a)；电磁阀等开关量信号采用普通光耦TLP181进行隔离保护，如图4-14(b)。(a) HCPL4504(b) TLP181图4-14隔离保护电路若IGBT逆变桥上下桥臂同时导通，则会造成驱动板直流侧短路，为防止这一情况，设计了逻辑电平保护电路，如图4-15，当同时导通时即输出低电平到IGBT驱动芯片IR2136S的FAULT口，使输入到IGBT的电平全部置为低电平，达到屏蔽PWM信号以保护系统硬件电路的目的。图4-15 逻辑电平保护电路4.2.6 信号检测电路为实现DSVM-DTC控制，需检测电机A，B相电流、直流母线电压、转速。系统使用霍尔传感器来检测电机的定子相电流。霍尔传感器具有测量精度高、输入与输出在应用频率范围内呈线性关系，可以做到无接触检测等特点。因为霍尔元件输出的是有正有负的弱电流信号，所以首先把电流信号转换为电压信号，电压信号经过运算放大器LM358AD的电压调理得到满足03V要求的信号，再经过跟随器的隔离和限幅后，最后将检测值送至DSP的A/D转换器。图5-3为相电流检测电路的原理图。采用增量式旋转编码器作为测速元件，检测到脉冲信号的上升沿给DSP的CAP捕捉口。增量式编码器的优点：不需要A/D转换，可直接与数字控制芯片相连，抗干扰能力强，测速范围大，分辨率较高等，因此特别适合于数字控制系统53。图5-3 电流检测原理图第五章 试验结果与分析5.1 Code Composer Studio开发平台CCS是一种针对TMS320系列DSP的集成开发环境,在Windows操作系统下，采用图形接口界面，提供有环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具。它包含一整套用于开发和调试嵌入式应用的工具。 包含适用于每个 TI 器件系列的编译器、源码编辑器、项目构建环境、调试器、描述器、仿真器以及多种其它功能。提供了单个用户界面，可以完成应用开发流程的每个步骤。借助于精密的高效工具，用户能够利用熟悉的工具和界面快速上手并将功能添加至他们的应用。CCS有两种工作模式，即软件仿真器模式：该模式下可以脱离DSP芯片，在PC机上模拟DSP的指令集和工作机制，主要用于前期算法实现和调试。硬件在线编程模式：可以实时运行在DSP芯片上,与硬件开发板相结合在线编程和调试应用程序。 CCS的开发系统主要由以下组件构成： 集成代码产生工具； CCS集成开发环境； DSP/BIOS实时内核插件及其应用程序接口API； 实时数据交换的RTDX插件以及相应的程序接口API； 由TI公司以外的第三方提供的各种应用模块插件。 CCS 提供了基本的代码生成工具，它们具有一系列的调试、分析能力。CCS 支持如下所示的开发周期的所有阶段：图5-1设计过程5.2 系统软件流程 本系统采用主从式计算机结构。其中，上位机完成多种管理功能，下位机则完成对电机的控制，为满足控制系统的软件设计要求。本系统的软件结构主要由初始化程序、一个循环的主程序、功能服务子程序和若干中断服务程序组成。下面将介绍系统的软件设计流程框图。1. 初始化程序框图初始化程序主要完成对DSP的外设进行初始化和对程序变量赋值，包括：关闭看门狗，初始化时钟寄存器，与通用定时器相关的寄存器，全比较单元以及串口通讯模块等，并等待进入主程序。开始关中断清RAM初始化DSP外设模块初始化程序变量开中断显示初始化完成进入主程序图5-2初始化程序框图2. 主程序框图主程序在完成初始化之后进入循环，以等待中断事件的发生，主程序主要完成复位看门狗、检测程序、故障检测、故障处理程序、显示程序等。Y主程序入口复位看门狗检测入口状态调用故障检测程序是否有故障控制器允许运行？标准控制程序调用显示程序调用故障处理程序调用故障处理程序NNY图5-3主程序框图5.3系统软件实现本文的算法实现是在TI公司提供CCS3.3开发平台基础上54，采用C语言编写控制系统的软件。系统软件主要包括二部分：主程序和定时器下溢中断服务子程序。控制系统的软件由以下几个功能部分组成：母线电压与相电流采样，磁链和转矩估算，滞环控制，查开关表，以及电压矢量输出。DSVM-DTC软件流程如图5-4所示。主程序主要实现DSP中各个模块的初始化任务，这些模块包括：SCI串口通讯模块，A/D数模转换模块，EV事件管理器模块，以及GPIO等。由EV模块GP定时器1进行定时中断，当定时器计算值为0时事件触发中断。中断服务子程序中将直流母线电压和二相电流的A/D采样以及速度检测送入DSP，经磁链观测器、磁链滞环调节、转矩滞环调节、及查优化的DSVM开关表等模块进行运算处理，得到开关状态变量，施加到逆变器，控制功率器件的通断，驱动电机运行。图5-4 DSVM-DTC软件流程图5.4实验平台图5-5为本课题的系统硬件实验平台实际照片，整个硬件平台由三部分组成：DSP主控制板，功率驱动板和外部显示设备。控制系统的特性包括：驱动板可对电机提供5220VAC/DC电源输入，最大可以驱动1100W电机，最大峰值电流可以达25A。5VDC的控制电路电源和15VDC的IGBT驱动电源。正常工作时5VDC电流0.4A，15VDC电流0.15A。控制板采用DSP 处理器TMS320F2812，32位定点高速数字处理器，最高工作频150M，极大的提升系统运行效率。显示板直接用串口就可以控制，免去以前用DSP查询键盘和控制显示的麻烦，节省了CPU时间。键盘显示板的串口波特率是9600，无校验位，8位数据，1位停止位。图5-5 系统硬件实验平台5.5 实验结果分析实验电机选用了四极变频调速感应电机，具体电机参数为：额定功率=0.55kW，额定电压=380V，额定电枢电流=1.5A，额定转速=1390r/min，定子电阻=12.8，转子电阻=4.66，定转子漏感为=0.055H，互感=0.730H，电机转动惯量J=0.035kgm2，阻尼系数b=0.015Nms。试验中给定参数，PWM采样周期=75s，速度采样周期，给定转速=50rad/s，磁链给定值=0.8Wb，速度PI调节=1，=0.01，转矩限幅3.5N.m。图5-6为传统DTC的实验结果。其中图5-6(a)为定子磁链轨迹，从中可以看出磁链轨迹在空间电压矢量转换处畸变比较明显。且不够光滑。图5-6(b)为转速和转矩波形，其中转矩动态响应快，但转矩脉动比较大，大约为2N.m，而转速波形比较平稳且无超调，稳态时转速波动较小。图5-6(c)为定子相电流，从中可见电流波形接近正弦波，但脉动较大。图5-7为DSVM-DTC实验结果，相比较传统DTC的实验结果，图5-7(a)中DSVM-DTC的磁链轨迹不仅平滑，而且脉动相对较小。图5-7(b)为DSVM-DTC的转速和转矩波形，其中转速与传统DTC相差不大，但转矩脉动大约为1N.m，转矩脉动明显减小。图5-7(c)为DSVM-DTC的定子相电流波形，相对于传统DTC，DSVM-DTC的定子相电流更光滑，且脉动减小明显。总体上DSVM-DTC系统的动、静态性能优良，运行平稳。(a) 定子磁链轨迹(b) 转速和电磁转矩波形(b) 定子相电流图5-6 传统DTC实验结果(a) 定子磁链轨迹(b) 转速和电磁转矩波形(c) 定子相电流图5-7 DSVM-DTC实验结果致谢本课题在选题及进行过程中得到张老师的悉心指导。论文行文过程中，老师多次帮助我分析思路，开拓视角，在我遇到困难想放弃的时候给予我最大的支持和鼓励。老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。再多华丽的言语也显苍白。在此，谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同时感谢在我课设中帮助我的各位同学。参考文献1 李夙. 异步电动机直接转矩控制.北京机械工业出版社.1999：27322 贺晓蓉等. 感应电机SVPWM控制系统的仿真研究.微计算机信息，2007（1）：96993 张立，祝龙记. 基于DSP控制的高压直流发生器研究.煤矿自动化，2008（4）4 李维亚 蓄电池电机车交流变频调速系统的研究.安徽理工大学硕士论文.20075陈伯时.电力拖动自动控制系统(第二版)M.北京:机械工业出版社,1992。6熊健,康勇,陈坚等.电压空间矢量调制与常规SPWM的比较研究J.电力电子技术,1999,(1):2528。7刘和平等.TMS320LF240x DSP结构、原理及应用M.北京:北京航空航天大学出版社,2002。8万山明.TMS320F2812XDSP 原理及其应用实例M北京：北京航空航天大学出版社，2007.7。9 陆海峰，翟文龙等基于调制函数的SVPWM 算法J电工技术学报，2008.2。10 洪乃刚电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB 仿真M北京：机械工业出版社，2006。11 范新明基于SIMULINK的SVPWM 仿真J电气传动自动化，2009.312杨贵杰, 孙力, 崔乃政, 等. 空间