异步电机直接转矩控制系统研究(本科毕业设计).doc

目录 摘要 i abstract.ii 第 1 章 绪论 .1 1.1 电机调速技术的发展概况.1 1.2 直接转矩控制技术的发展现状.2 1.2.1 直接转矩控制的现状及发展趋势 .2 1.2.2 目前的热点研究问题及解决方法 .2 1.3 本文所做的工作.3 第 2 章 直接转矩控制理论 .4 2.1 概述.4 2.2 直接转矩控制的基本原理.4 2.2.1 异步电机动态数学模型 .4 2.3 逆变器的输出电压状态及电压空间矢量.6 2.3.1 逆变器输出电压状态 .6 2.3.2 电压空间矢量 .7 2.4 电压空间矢量对电动机定子磁链和转矩的影响.8 2.4.1 异步电机的磁链观测模型 .8 2.4.2 电压空间矢量对定子磁链影响 .9 2.4.3 电压空间矢量对转矩的影响 10 2.5 直接转矩控制系统的基本组成11 2.5.1 磁链滞环调节器 12 2.5.2 转矩滞环调节器 12 2.5.3 开关信号选择单元 13 2.6 低速范围内的解决方案13 第 3 章 异步电机直接转矩控制系统的建模与仿真 16 3.1 仿真软件 matlab 简介 16 3.1.1matlab 语言16 3.1.2 软件构成 16 3.2 仿真模型搭建及参数设置18 3.3 仿真结果及分析20 第 4 章 系统硬件电路的设计 21 4.1 控制电路结构简介 .21 4.2dsp(tms320lf2407a) 21 4.3 3.3v dsp 与 5v 逻辑器件的混合接口问题.23 4.3.1 逻辑电平不同，接口时出现的问题23 4.3.2 系统接口实现方法24 4.4 转子速度的测量 .26 4.5 a/d 采样电路26 4.6 主电路结构框图27 4.7 ipm 智能模块 7mbp50ra120 功能简述 .28 4.8 主电路的保护功能 .29 4.9 主电路的控制电源30 第 5 章系统控制软件的设计开发 .31 5.1 系统软件总体设计31 5.2 软件模块34 5.2.1 初始化模块 34 5.2.2 串口通讯模块 35 5.2.3 电流采样模块 35 5.2.4 电机转速采样模块 36 5.2.5 pl 调节模块 .37 参考文献 .38 致谢 .40 i 异步电机直接转矩控制系统研究 摘要：本文介绍了异步电机直接转矩控制的基本原理和系统的基本构成，在此基础上， 通过matlabsimulink建立了各个模块的仿真模型，构建了直接转矩控制仿真系统， 对直接转矩控制方法的特点及其存在的问题进行了仿真分析研究，验证了直接转矩控 制系统的可行性。但转矩脉动较大，针对这一缺点，本文利用双pi控制方法进行了改 进，设计出一种非零电压空间矢量和零电压空间矢量控制器，改进了速度调节器以及 开关状态表，结果表明，所提方案能极大的减小转矩脉动和转速响应时间，同时算法 简单，易于实现。 最后在方案论证的基础上，选择了电机控制专用芯片tms320lf2407a为控制核心， 设计了一个控制系统。在dsp集成开发环境下给出了系统软件。 关键词：直接转矩控制；异步电机；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 异步电机直接转矩控制系统研究 1 第 1 章 绪论 1.1 电机调速技术的发展概况 自十九世纪后半期，电机发明以来已经历了一个多世纪，电力拖动已渗透了人类 活动每一领域，从人们日常生活的办公楼到冶金、化工、轻工等各行各业。上世纪九 十年代以前，由于直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速拖动系统，因此直流调 速拖动系统一直在调速领域占居优势。 随着电力电子技术不断发展，各类大功率半导体器件如gto、mosfet、igbt等的不 断出现，使交流传动调速在近十年来得到飞快进步，高性能交流调速系统应运而生。 这时，直流电机和交流电机相比的缺点日益显露出来，例如具有电刷和换相器因而必 须经常检查维修，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电机的容 量和速度等等。于是，用交流可调传动取代直流可调传动的趋势越来越明显，交流传 动控制系统已经成为电气传动控制的主要发展方向。 1971年，德国学者eblaschke提出了交流电机的磁场定向矢量控制理论，标志着交 流调速理论的重大突破。所谓矢量控制，就是把交流电机模拟成直流电机，通过坐标 变换来实现电机定子电流的激磁分量和转矩分量的解耦，然后分别独立调节，从而获 得高性能的转矩和转速响应特性。矢量控制主要有两种方式：磁场定向矢量控制和转 差频率矢量控制。但无论采用何种方式，转子磁通的准确检测是实现矢量控制的关键， 直接关系到矢量控制系统性能的好坏。一般的，转子磁通检测可以采用直接法或间接 法来实现。直接法就是通过在电机内部埋设感应线圈以检测电机磁通，这种方式会使 简单的交流电机结构复杂化，降低了系统的可靠性，磁通的检测精度也不能得到长期 的保证。因此，间接法是应用中实现磁通检测的常用方法。这种方法通过检测电机的 定子电压、电流、转速等可以直接检测的量，采用状态重构的方法来观测电机的磁通。 这种方法便于实现，也能在一定程度上确保检测精度，但由于在状态重构过程中使用 了电机的参数，如果环境变化引起电机参数变换就会影响到磁通的准确观测。为补偿 参数变化的影响，人们又引入了各种参数在线辨识和补偿算法，但补偿算法的引入也 会使系统复杂化。 1985年，德国鲁尔大学的mdepenbrock教授提出了一种新型交流调速理论-直 接转矩控制。这种方法是在定子坐标系对电机进行控制的，结构简单，在很大程度上 克服了矢量控制中由于坐标变换引起的计算量大，控制结构复杂，系统性能受电机参 数影响较大等缺点，系统的动静态性能指标都十分优越，是一种很有发展前途的交流 异步电机直接转矩控制系统研究 2 调速方式。因此，直接转矩控制理论一问世便受到广泛关注。目前国内外围绕直接转 矩控制的研究十分活跃。 1.2 直接转矩控制技术的发展现状 1.2.1 直接转矩控制的现状及发展趋势 目前，在国外以德国和日本为主，直接转矩控制技术的理论已经比较成熟，美国、 意大利、韩国和法国紧随其后，使得直接转矩控制的应用发展逐步扩大。目前直接转 矩控制技术己成功应用于电力机车牵引系统、垂直升降系统等大功率调速应用场合。 直接转矩控制技术从物理关系上构成转矩与磁链的近似解耦关系，可以获得良好 的动态性能，控制结构简单，易于实现，很快就得到广泛的推广与应用。而传统的直 接转矩控制技术在低速运行区段与稳态运行区段还存在很多问题，需要进一步研究。 仅从电机本身出发来完善直接转矩控制技术已经是不可能的事情，必须另辟蹊径。现 代的直接转矩控制技术作为一种新兴的技术，需要各种先进的控制技术作支撑，它已 经不是单一的一项技术，而是发展成多种学科交叉的一项综合技术。下面就直接转矩 控制技术所需要进一步研究的问题进行了总结： (1)先进控制策略在现代直接转矩控制技术中的应用，改善稳态运行性能问题对于 现代直接转矩控制来说，空间矢量调制模块需要控制器来生成给定的空间电压矢量， 这样可以充分发挥线性控制与各种非线性控制方法的各自优点，如线性控制的平滑性、 变结构控制的快速性、神经网络与模糊控制的智能性与鲁棒性，尽管在一定程度上增 加了控制结构的复杂性，然而控制器可以大大改善控制性能。 (2)磁链与转矩估计问题 对于直接转矩控制来说，磁链与转矩估计精度直接影响控制性能的好坏，甚至会 导致控制失败。高速运行时，现有的估计方法可以得到满意的精度，而低速时，尤其 接近零速时，很多估计方法往往会失效解决低速时的磁链与转矩估计问题具有重要 意义。 (3)速度估计问题 近年来，无速度传感器技术受到了电气传动领域普遍的关注。针对已有的速度估 计方法精度差，超低速及零定子频率运行条件下电机转速不可观测性，开发高精度及 适用于超低速及零定子频率条件下的速度估计方法具有重要的现实意义。 (4)空载或者欠载条件下如何优化参考的定子磁链问题。 1.2.2 目前的热点研究问题及解决方法 异步电机直接转矩控制系统研究 3 异步电机直接转矩控制计算方便，控制结构简单，动态性能好。但在低速运行时， 存在一些问题，这些问题成为目前dtc研究的热点。主要体现在以下两方面： (1)低速时，由于定子电阻的变化带来的一系列问题。主要表现在定子电流和磁链 的畸变非常严重。 主要解决方法： (1.1)采用un模型。使用电流pi调节器，强迫电机模型电流和实际电机电流相等， 精度大大提高，但结构比较复杂。 (1.2)模糊定子电阻辨识器(fli)，以定子磁链大小和相角误差作为输入，通过推 论和解模，对定子电阻进行辨识御。 (2)低速时，转矩脉动、死区效应、开关频率问题。 主要解决方法： (2.1)使用改进的开关状态表，改进控制参数与开关量的关系，使之产生更优的控 制电压波形。 (2.2)运用fuzzy pi转矩控制器代替传统的控制方法，即引入模糊控制和智能控制， 用软件来解决转矩脉动问题。 (2.3)引入模糊控制方法，对转速进行辨识，从而得到稳定的开关频率并降低转矩 脉动。 1.3 本文所做的工作 论文的工作要求是通过在理解直接转矩控制技术的基本原理，利用 matlabsimulink搭建直接转矩控制系统仿真模型，对系统进行仿真，验证理论的正 确性和可行性。在此基础上，设计一个电机控制的小系统，其中包括硬件设计和软件 设计。 本文的主要内容如下： 第1章:在参考浏览大量文献资料的基础上，阐述了电机调速技术的发展概况，以 及直接转矩控制的发展现状，提出异步电机的直接转矩控制理论以及目前的热点研究 问题。最后论述论文研究的内容。 第2章:对直接转矩控制理论进行了简单介绍，给出了论文中直接转矩控制系统设 计方案的理论依据。 第3章:利用matlab软件的simulink模块对直接转矩控制系统进行仿真，针对直接 转矩控制系统的各个组成环节分别建立仿真模型，构建直接转矩控制系统。对仿真结 果进行分析，对直接转矩控制系统进行简单评价。并在此基础上对传统的dtc系统进行 异步电机直接转矩控制系统研究 4 了改进，有效的降低了转矩脉动。 第4章:控制系统硬件设计。 第5章:进行控制系统的软件设计。 异步电机直接转矩控制系统研究 5 第 2 章 直接转矩控制理论 2.1 概述 直接转矩控制出现以前，矢量控制长期占据着异步电机控制的主导地位。矢量控 制技术模仿直流电机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电 机的转速和磁链控制的完全解耦。然而，由于系统特性受电机参数的影响较大，以及 在模拟直流电机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难于达 到理论分析的结果。 直接转矩控制理论是1985年由德国学者狄普布洛克(m.depenbrock)首次提出的， 随后日本学者塔卡哈什(i.hakahash)也提出了类似的控制方案。 与矢量控制系统相比，直接转矩控制具有如下优点： (1)直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型、控制电机的磁链 和转矩，计算过程简单。 (2)直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，通过定子电阻即可观测。而矢量控 制磁场定向所用的转子磁链的观测需要知道电机的转子电感和电阻。因此直接转矩控 制减少了矢量控制中控制性能易受参数变化影响的问题。 (3)直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析异步电机的数学模型和控制其物理量， 使问题变得简单明了。 (4)直接转矩控制是直接将转矩作为被控量，直接对其进行控制，而不是像矢量控 制那样通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩。 2.2 直接转矩控制的基本原理 2.2.1 异步电机动态数学模型 为了便于分析异步电机的数学模型，为了抽象出理想的电机模型，必须进行 一些假设，这些假设是： (1)气殊均匀； (2)磁路线性； (3)定、转子三相绕组对称，其有效导体沿气隙空间作正弦分布； (4)忽略磁场谐波，即设磁场正弦分布； 无论电机转子是绕线式还是鼠笼式，都将它等效成绕线转子，并折算到定子侧，折算 异步电机直接转矩控制系统研究 6 后的每相匝数都相等。 在直接转矩控制的分析中，采用空间矢量的数学分析方法。图2.1是异步电机的空 间矢量的等效电路图。 图 2.1 异步电机空间等效电路 图中各量定义如下： 定子电压空间矢量； s u 定子电流空间矢量； u i 转子电流空间矢量； r i 定子磁链空间矢量； u 转子磁链空间矢量； r 电角速度（机械角速度和极对数的积） 。 并且规定，将旋转空间矢量在轴上的投影称为分量，在正交的轴上的投影 称为分量。 根据以上规定，异步电动机在定子坐标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链与转子磁链方程式： (2.3) su il (2.4) rur il (2.5) sin 2 31 rue l t 异步电机直接转矩控制系统研究 7 2.3 逆变器的输出电压状态及电压空间矢量 2.3.1 逆变器输出电压状态 逆变器(见图 2.2)由三组、六个开关(、)组成。由于与 a sas b sbs c scs a s a、 与、与之间互为反向，即一个接通，另一个关断，所以三组开关共有s b sbs c scs 23=8 种可能开关方式组合。 图 2.2 逆变器等效电路 规定 a、b、c 三相负载的某一相与“+”极接通时，该相开关状态为“1”;与“- ”级接通时，状态为“0” 。则 8 种可能的开关组合状态见表 2.1。 表 2.1 逆变器的 8 种开关状态 状态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 对应于逆变器的 8 种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出 7 种不同的电压状 态。这 7 种不同的电压状态可分成两类：一类是 6 种工作电压状态，它对应于开关状 态“1”至“6”分别称为逆变器的电压状态“1”至“6” ；另一类是零电压状态，它对 应于零开关状态“7”和“8” ，由于对外来说，输出的电压都为零，因此统称为逆变器 的零电压状态（详见表 2.2） 。 异步电机直接转矩控制系统研究 8 表 2.2 逆变器电压状态与开关状态对照表 工作状态零状态状 态 12345678 开关状态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 电 压 状 态 表示三 tus 1234567 2.3.2 电压空间矢量 由于异步电动机的电压，电流，磁链等都是三相电磁量，故对异步电动机进行分 析和控制时，必须对三相进行分析和控制，比较困难。引入 park 矢量变换，可以方便 的进行控制，park 矢量变换是将三个标量变为一个矢量。对三相定子绕组相电压， a u ，进行 park 矢量变换，得到合成量。 b u c utus = (2.6) tus 3432 3 2 j c j ba eueuu 代表着三相电磁量在空间的位置，故称之为空间矢量。用空间电压矢量表示tus 逆变器的7个电压状态，形成了7个离散的电压空间矢量，每两个工作电压空间矢量在 空间的位置相隔600，6个工作电压空间矢量的顶点构成正六边形的6个顶点。矢量顺序 从状态“1”到状态“6”逆时针旋转。对应的开关状态是011001101100110 010。其所对应空间电压矢量状态为，零电压矢量7位 1s u 2s u 3s u 4s u 5s u 6s u 于正六边形中心。空间电压矢量状态图如图2.3所示。 图2.3 电压空间矢量表示的7种离散电压状态 异步电机直接转矩控制系统研究 9 2.4 电压空间矢量对电动机定子磁链和转矩的影响 2.4.1 异步电机的磁链观测模型 在直接转矩控制中，无论是按圆形轨迹控制还是按六边形轨迹控制，都需要己知 定子磁链。采用直接检测的方法获得定子磁链，存在各方面的条件限制，在实际系统 中使用较少。较为通用的方法为间接测量的方法，即通过易于测量的电机其它物理量 (如定子电压、定子电流和转速等)，建立定子磁链的观测模型，在控制中实时地推算 出定子磁链的幅值和相位。定子磁链的观测准确性直接影响系统的性能，可以说是dtc 技术实现的关键。 对于异步电动机直接转矩控制系统，对其进行定子磁链观测非常重要，对于磁链 的估算提出了三种模型：模型，模型和模型。下面分别对这三种模型进 iu ninu 行分析。 (1)模型iu 用定子电压和定子电流来确定定子磁链的方法叫模型发。定子磁链可根据一iu 个简单公式分析，其公式为： (2.7)dtrtitut ssss 用该公式确定定子磁链，得到精确的电压，电流，便于计算出定子磁链。 模型计算定子磁链，其误差由定子电阻引起。故模型在 30%额定转速iu s riu 以上时，能够非常准确的确定定子磁链，并且仍要注意温度对电阻的影响。在定子频 率接近零时，这种方法也不适用，原因在于用作定子电压和定子电阻压降之间的差值 消失，以致只有误差被积分。总之在 30%额定转速以上时，模型法，结构简单，精iu 度高。下图为模型的原理图。iu 图2.4 ui模型原理图 (2)模型ni 模型是利用定子电流与转速来确定定子磁链。当电动机在30%额定转速以下时，ni 磁链只能根据转速来正确计算，这时利用模型计算磁链是非常合适的。下式为ni 异步电机直接转矩控制系统研究 10 模型定、转子磁链计算公式：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：、为转子磁链在-坐标系上的分量； r r 、为定子磁链在-坐标系上的分量。 s s 由公式可知，模型虽然不受定子电阻的影响，但其受到转子电阻、漏电感ni r r 、主电感的影响。此外模型结构复杂，角速度的测量误差对模型影响很大， llni 故需要精密的测量角速度。 (3)模型nu 模型综合了模型和模型的特点，是一个在全速范围内都适用的磁链nu iu ni 模型，其由定子电压和转速来获得定子磁链。 其主要优点是： (3.1)结合了模型和模型的优点，很自然的解决了切换的问题；iu ni (3.2)引入pi电流调节器，大大提高了电动机模型的仿真精度； 缺点是： 结构过于复杂，实用性差。 2.4.2 电压空间矢量对定子磁链影响 将逆变器的输出电压直接加到异步电动机的定子上，定子电压与逆变器电压tus 相等也为，得定子磁链与定子电压关系式为：tust s tus = (2.10)t s dtrtitu sss 若忽略定子电阻压降的影响，近似为： = (2.11)t s dttus 该关系式表示定子磁链空间矢量与电压空间矢量之间的积分关系。如下图 异步电机直接转矩控制系统研究 11 图2.5 电压空间矢量与磁链矢量空间关系 根据磁链空间矢量与电压空间矢量的关系图可得出： (1)忽略定子电阻的影响，可得到定子磁链顶点的运动轨迹方向平行于电 s rt s 压空间矢量的指向的方向。tus (2)在适当时给出定子电压空间矢量，可得到定子磁链 654321ssssss uuuuuu 运行的轨迹为，形成正六边形。654321ssssss 于是可利用逆变器的六个工作电压状态可简单的得到六边形的磁链轨迹对电动机 进行控制。这就是直接转矩控制系统的基本思想，电压空间矢量对定子磁链的影响可 通过以下方式实现： (3)恒转矩调速：在正常电压空间矢量作用期间，适时的插入零矢量对电动机进行 控制，当有效电压空间矢量作用时，定子磁链运动轨迹沿着电压空间矢量作用方向运 动;插入零矢量后，定子磁链静止，由于零矢量的插入，使得旋转速度变慢，在这期间 保持电压空间矢量作用时间不变，定子磁链幅值不变，电动机实现恒磁通调速，即实 现了恒转矩调速。 (4)恒功率调速：通过改变电压空间矢量的作用时间，达到改变定子磁链旋转速度 的目的。由于电压空间矢量幅值不变，只改变了作用时间，所以定子磁链所围成的面 积发生改变，作用时间变短，面积变小，定子磁链幅值变小。对电动机实现了恒功率 调速。 2.4.3 电压空间矢量对转矩的影响 异步电动机转矩的大小跟定、传子磁链的幅值和磁通角有关。在实际运用时，为 了充分利用铁心，保持定子磁链幅值不变，转子磁链的幅值是根据负载决定，故在直 接转矩控制系统中，可以通过改变磁通角的大小来实现对转矩的控制，其控制方法为 通过控制电压空间矢量来对定子磁链的旋转速度进行控制，改变了定子磁链的平均旋 转速度，从而改变了磁通角的大小，以实现对电动机转矩的控制。其主要控制方法有 以下几方面： (1)增大转矩：增大有效电压空间矢量，使得电压幅值足够大，就使得定子磁链的 异步电机直接转矩控制系统研究 12 旋转速度大于转子磁链的旋转速度，磁通角增大，对应的转矩增大。 (2)减小转矩：给出零电压空间矢量，定子磁链会走走停停，定子磁链旋转速度小 于转子旋转速度，磁通角减小，转矩减小。 (3)迅速减小转矩：施加有效反向电压空间矢量，定子磁链会进行反方向旋转，磁 通角迅速减小，使得转矩也迅速减小。 通过控制工作状态的电压空间矢量和零状态电压空间矢量的交替出现的时间，实 现了对定子磁链旋转的速度的改变，通过这样的瞬态调节可获得高性能的转矩特性。 2.5 直接转矩控制系统的基本组成 通过前文的介绍，直接转矩控制系统的基本控制方式已经清楚，根据前文可得到 系统的控制环节及结构。直接转矩控制系统的基本结构可分为以下几个部分： (1).控制部分：分为磁链滞环调节器、转矩滞环调节器； (2).逆变部分：由逆变器组成； (3).电机部分：为异步电动机。 图2.6 直接转矩控制系统原理图 图中各个单元器件名称为： amm异步电机数学模型； uct坐标变换单元； dmc磁链自控制单元； azs零状态选择单元； amc转矩计算单元； 异步电机直接转矩控制系统研究 13 atr转矩调节器； ut逆变器。 由图可知，直接转矩控制系统工作原理为：通过amm计算得到定子磁链，并分解到 坐标轴，然后经过uct进行坐标变换，通过将计算得到的磁链值与dmc给定的磁链, 值进行比较，得到磁链开关信号，通过amc计算得到转矩值，根据转矩调节器atr的输 出量决定是否插入零状态，确定电压开关状态，对逆变器的输出电压进行控制，使其 产生六边形磁链。 2.5.1 磁链滞环调节器 磁链调节的主要任务是对磁链量进行调节。在电动机低速运行时，由于定子电阻 压降的影响，定子磁链幅值减小，在电动机低频运行时，定子磁链幅值也减小，为了 避免定子磁链的减小，引入磁链滞环调节器，主要作用在于加大定子磁链幅值，维持 磁链幅值在允许范围内波动。 磁链调节过程是通过磁链电压完成，磁链电压为定子电压空间矢量，目的在于区 别转矩电压，作用在于增大定子磁链幅值。对磁链电压的选择主要有两种：一种是与 磁链运动轨迹成-600角的电压空间矢量；另一种是成-1200角的电压空间矢量。 磁链调节器器实际上也是一个施密特触发器，对磁链幅值进行两点式调节。引入 容差宽度，它是定子磁链幅值与给定幅值之间允许的波动范围，磁链调节器 g f 输入量为给定磁链幅值与反馈磁链幅值之差，输出两为磁链量开关信号。 q 图2.7 磁链调节器原理图 2.5.2 转矩滞环调节器 转矩控制在许多场合里都显得非常重要，即便是追求精确转速的一些场合因为只 有影响转速的最直接的原因就是转矩的变化。如果转矩控制性能好，则不难设计一个 速度调节器，使速度环有良好的品质。反之，若转矩控制性能不好，响应慢，相应的 调速性能也不会很好。因此调速的关键在转矩控制。转矩调节的任务是实现对转矩的 直接控制。直接转矩控制的名称也是由此而来。为了控制转矩，转矩调节器必须具备 两个功能：一个功能是转矩调节器直接调节转矩；另外一个功能是控制定子磁链的旋 异步电机直接转矩控制系统研究 14 转方向，以加强转矩的调节。 转矩调节器也采用施密特触发器，输入信号为转矩给定值与转矩反馈值的信 g t f t 号差。调节器输出量为转矩开关信号。容差为，调节器采用离散的亮点式调t q t m 节方式。 图2.8 转矩调节器原理图 当下降到调节器容差下限，调节器输出信号状态为“1” 。在作用下， f t m q t1 q t 得到相应的电压空间矢量，使得定子磁链前转，转矩上升。当上升到容量上限 f t 时，变为“0”态，在作用下，零电压加到电动机上，定子磁链静止，转 m q t0 q t 矩减小，下降到调节器容差下限，重复运行。反复这样运行，实现了调节器两点 m 式调节，把转矩波动限制在给定值的容差范围内，达到转矩的直接控制。 2.5.3 开关信号选择单元 对应于磁链和转矩调节的两种形式，空间电压矢量开关信号的选择也有两种形式。 一种是通过磁链、转矩的两点式或三点式调节信号和定子磁链所在的区间，确定 所需施加的电压空间矢量，从而将所有状态列表依次列出，最后通过所选空间电压矢 量输出开关脉冲信号输出给逆变器。 另一种是根据磁链和转矩的 pi 调节得到的参考的空间电压矢量的两个分量，合成 所需要的参考的空间电压矢量。但是，此时的空间电压矢量是旋转坐标系下的，还需 叠加磁链旋转角度，将其转换成静止坐标系下的空间电压矢量，最后通过 svpwm 方式 输出开关脉冲信号给逆变器。 2.6 低速范围内的解决方案 本系统工作在低速范围内。在这个范围内，由于转速低（包括零转速），定子电 阻压降比较大，可能造成磁链波形畸变，在低频时保持转矩和磁链基本不变等等。对 于以上的问题必须实现如下控制目的。（注：在整个转速范围内异步电机的转矩和磁 异步电机直接转矩控制系统研究 15 链计算数学模型仍然实用） (1)控制定子磁链为圆形轨迹，而不用六边形轨迹。 (2)转矩调节器和磁链调节器多功能地调节工作。 (3)用符号比较器确定区段。 (4)调节每个区段的磁链量。 为实现以上四点必须对应采取如下措施： (1)每个区段电压状态的选择 由于电压型逆变器只有六种工作电压状态，仅能输出六种电压空间矢量。定子磁 链空间矢量的运动方向由电压空间矢量的方向确定，只能在六个方向上运行。如果要 产生多于六边的多变形的磁链轨迹，就必须通过多个电压空间矢量的组合来形成。控 制六边形磁链轨迹只需在每个工作区段接通“工作电压”或“零电压”即可。要实现 圆形磁链轨迹可以用足够多的多边形来近似圆形磁链轨迹。在每个工作区段采用四个 工作电压状态（0，60，60120）和两个零电压状态结合使用（具体使 用过程在 3.8.1 节介绍）来实现足够多的多边形轨迹。 (2)磁链与转矩之间的协调调节 低速情况下（一般指 15额定转速以下）转矩调节器的组成部分不变，而磁链调 节器却不一样。此时磁链的模为：（六边形磁链的模：）。在 22 2 cba 低速情况下磁链调节器如（图 2.9） 图 2.9 磁链与转矩协调器 其中10873 . 1 36 2 2 k 当转速大于 15额定转速，开关切换到 a 处，执行六边形磁链轨迹，当转速小s 于 15时开关切换到 b 处，执行圆形磁链轨迹。磁链开关信号与所需的电压状态sq 关系如下： 异步电机直接转矩控制系统研究 16 0 时，不需要接通工作电压q 1 时，接通60电压q 1 时，接通60电压q 归纳起来，转矩调节器与磁链调节器的协调控制关系为：由转矩调节器决定应该 接通的是零状态电压还是工作电压，在接通工作电压的时间内来选择接通的是0、 60还是+60电压。 异步电机直接转矩控制系统研究 17 第 3 章 异步电机直接转矩控制系统的建模与仿真 3.1 仿真软件 matlab 简介 3.1.1matlab 语言 matlab 语言是由美国new mexico 大学的cleve moler 于1980 年开始开发的， 1984 年由cleve moler 等人创立的mathworks 公司推出了第一个商业版本。matlab 语言的两个最显著特点，即其强大的矩阵运算能力和完美的图形可视化功能，使它成 为国际控制界应用最广的首选计算机工具。 现在，matlab 语言不仅广泛应用于控制领域，也应用于其它的工程和非工程领域。 在控制界，很多知名学者都为其擅长的领域写出工具箱，而其中很多工具箱已经成为 该领域的标准。 与fortran 和c 等高级语言比较，matlab 的语法规则更简单，更重要的是其贴近 人思维方式的编程特点，使得用matlab 编写程序非常方便和简捷。正是凭借matlab的 这些突出的优势，它现在已成为世界上应用最广泛的工程计算软件。在美国等发达国 家的大学里matlab 是一种必须掌握的基本工具，而在国外的研究设计单位和工业部门， 更是研究和解决问题的一种标准软件。在国内也有越来越多的科学技术工作者参加到 学习和倡导这门语言的行列中来。在大家的共同努力下，matlab 正在成为计算机应用 软件中的一个新热点。 3.1.2 软件构成 matlab 软件主要由主包、simulink 和工具箱三大部分组成。 matlab 主包包括以下五个部分： (1)matlab 语言 matlab 语言是一种基于矩阵/数组的高级语言，它本身具有流程控制语句、函数、 数据结构、输入输出，并且具有面向对象的程序设计特性。用matlab 语言可以迅速地 建立临时性的小程序，也可以建立复杂的大型应用程序。 (2)matlab 工作环境 matlab 工作环境集成了许多工具和程序，用户用工作环境中提供的功能完成他们 的工作。matlab 工作环境给用户提供了管理工作空间内的变量和输入、输出数据的功 能，并给用户提供了不同的工具用以开发、管理、调试m 文件和matlab 应用程序。 (3)句柄图形 异步电机直接转矩控制系统研究 18 句柄图形是matlab 的图形系统。它包括一些高级命令，用于实现二维和三维数据 可视化、图像处理、动画等功能；还有一些低级命令，用来定制图形的显示以及建立 matlab 应用程序的图形用户界面。 (4)matlab 数学函数库 matlab 数学函数库是数学算法的一个巨大集合，该函数库既包含了诸如求和、正 弦、余弦、复数运算之类的简单函数；也包含了矩阵转置、特征值、贝塞尔函数、快 速傅立叶变换等复杂函数。 (5)matlab 应用程序接口（api） matlab 应用程序接口是一个matlab语言同c和fortran等其它高级语言进行交互的 库。包括从matlab 调用其它程序（动态链接），把matlab作为计算引擎来调用，还包 括读写matlab数据文件（mat文件）。 simulink是用于动态系统仿真的交互式系统。simulink允许用户在屏幕上绘制框 图来模拟一个系统，并能够动态地控制该系统。simulink采用鼠标驱动方式，能够处 理线形、非线形、连续、离散、多变量以及多级系统。 此外，simulink 还为用户提供了两个附加项：simulink extensions（扩展）和 blocksets（模块集）。 simulink extensions是一些可选择的工具，支持在simulink环境中开发的系统的 具体实现，包括： simulink accelerator real-time workshop real-time windonws target stateflow blocksets 是为特殊应用领域中设计的simulink模块的集合。blocksets包括以下 几个领域的模块集： dsp（数字信号处理） fixed-point（定点） nonlinear control design（非线形控制设计） communications（通信） 工具箱是matlab 用来解决各个领域特定问题的函数库，它是开放式的，可以应用， 也可以根据自己的需要进行扩展。 matlab提供的工具箱为用户提供了丰富而实用的资源，工具箱的内容非常广泛， 涵盖了科学研究的很多门类。目前，已有涉及数学、控制、通信、信号处理、图像处 异步电机直接转矩控制系统研究 19 理、经济、地理等多种学科的二十多种matlab 工具箱投入应用。这些工具箱的作者都 是相关领域的顶级专家，这当然地确定了其权威性。应用matlab 的各种工具箱可以在 很大程度上减小用户编程时的复杂度。 3.2 仿真模型搭建及参数设置 仿真电机参数如下:额定功率为 2.354kw，额定电压为 380v，额定转速为 1500r/min;转动惯量为 0.09kgm2，极对数为 2，定子电阻为 0.54，转子电阻为 0.79，定子电感为 2.8mh，转子电感为 2.8mh，定转子互感为 66.24mh，频率为工频 50hz，取摩擦系数为 0。下图为直接转矩仿真模型。 图 3.1 直接转矩仿真模型 仿真主要环节： (1).磁链滞环 磁链滞环容差由思密特触发器设置，在仿真过程中，可通过设置不同的滞环容差 重复仿真，以致达到仿真最佳效果。 异步电机直接转矩控制系统研究 20 图 3.2 磁链滞环调节器模型 (2).磁链环节 磁链环节采用模型，将经过 32 变换的定子三相电流电压进行计算，得到转iu 矩 t。 图 3-3 磁链计算环节模型 (3).转矩滞环 通过对观测转速和给定转速的计算得到给定转矩，再与磁链环节所计算出来的转 速进行比较，得到 st。 异步电机直接转矩控制系统研究 21 图 3-4 转矩滞环调节器模型 3.3 仿真结果及分析 电机在空载，给定转速，仿真时间为 3s 时仿真波形如图 3.5 所示，分别为三相定 子电流波形，转速波形，转矩波形 图 3.5 三相定子电流波形，转速波形，转矩波形 由图可以看出，系统的响应速度很快，超调量很小，很快转速即达到指定的转速， 启动时，转矩同时得到稳定值，在 0 nm 值附近波动；0.8s 后定子电流到稳定范围。 异步电机直接转矩控制系统研究 22 第 4 章 系统硬件电路的设计 4.1 控制电路结构简介 本控制系统采用了ti 公司生产的tms320lf2407a dsp 芯片，用单片dsp实现包 括转矩和磁链控制在内的所有控制功能，并用dsp内部集成的can通讯单元实现与多能 源控制器的通讯。控制电路与电机以及主电路的外部接口如图4.1所示。 图4.1 控制电路 4.2dsp(tms320lf2407a) tms320lf2407a是tms320lf240x系列dsp控制器的典型代表。它为电气自动化系统 的数字控制提供了便利的手段。tms320lf2407执行速度达30mips，几乎所有的指令都 异步电机直接转矩控制系统研究 23 可在33ns的单周期完成。如此高的性能可以对非常复杂的控制算法进行实时运算，如 自适应控制和卡尔曼滤波等，此外，还可支持非常高的采样率，以减小循环延时。 tms320lf2407a具有用于高速信号处理和数字控制功能所必需的结构特点，同时还 具有单片电机控制应用方案所需的外设功能。tms320lf240x采用高性能静态cmos制造 工艺，使得供电电压降为3.3v，功耗极低；此外，还具有几种进一步降低功率的省电 方式。 作为系统管理器，dsp必须具备强大的片内io和其它外设功能。tms320lf2407a 片内的事件管理器与一般的dsp芯片不同。面向应用优化的外设单元和高性能dsp内核 的结合，可以为所有的电机类型提供高速、高效和全变速的先进控制技术。在该事件 管理器中包括特殊的pwm产生功能，特殊的附加功能 包括可编程的死区功能和空间矢量pwm状态机，后者可为三相电机在功率晶体管开关机 制中提供了迄今为止最高的功效。具有独立的向上下计数器，每一个都有属于它自 己的比较寄存器，可以支持产生非对称的和对称的pwm波形。多路捕获输入中的两路可 以直接捕获光电编码器的正交编码脉冲信号。 tms320lf2407a还提供控制器局域网络(can)2.0模块，可以利用它方便的搭建can 网，完成多芯片的通信任务。tms320lf2407 can控制器模块是一个完全的can控制器。 该控制器是一个16位的外设模块，它完全支持can 2.0b协议，具有6个邮箱，可用于接 收和发送数据。 以下是tms320lf2407a的一些特点： (1)基于tms320c2xx dsp的核心cpu (1.1)32位的中央算术逻辑单元(calu) (1.2)32位加法器 (1.3)16位x16位并行乘法器，32位乘积 (1.4)三个定标移位寄存器 (1.5)8个16位辅助寄存器，带有一个专用的算术单元，用来作数据存储器的间接 寻址 (2)存储器 (2.1)片内1.5k字的数据程序ram；544字的darkt和2k字saram (2.2)片内高达32k字的flash程序存储器 (2.3)192k字16位的最大可寻址存储器空间(lf2407)：64k字的程序空间，64k字 的数据空间，64k字的io空间 (2.4)有软件等待状态发生器的外部存储器接口模块，具有16位地址总线和16位数 异步电机直接转矩控制系统研究 24 据总线 (2.5)支持硬件等待状态 (3)程序控制 (3.1)4级管道操作 (3.2)8级硬件堆栈 (3.3)5个外部中断：电机驱动保护中断、复位和两个可屏蔽中断 (4)指令系统 (4.1)与tms320家族的c2x,c2xx,c5x定点产品在源代码级兼容 (4.2)单指令重复操作 (4.3)单周期的乘法加法指令 (4.4)程序数据管理的存储器块移动指令 (4.5)牵引寻址功能 (4.6)基于快速傅立叶变换的位反转索引寻址功能 (5)电源 (5.1)静态cmos技术 (5.2)3种低电源模式以降低电源损耗 (6)仿真：与片内扫描仿真逻辑相连的ieee标准1149.1测试访问端口 (7)速度：33ns的指令周期，多数指令为单周期 (8)两个事件管理器，每个包括： (8.1)8个16位的比较脉宽调制通道 (8.2)两个16位通用定时器，有4种工作模式 (8.3)可编程的pwm死区控制功能 (8.4)16通道ad转换器 (8.5)3个捕获单元，有正交编码器脉冲接口功能 (9)10位模数转换器最小转换时间为50ons (10)40个独立可编程或复用的通用io引脚 (11)基于锁相环的时钟模块 (12)看门狗定时器模块 (13)串行通讯接口 (14)串行外部设备接口 异步电机直接转矩控制系统研究 25 4.3 3.3v dsp 与 5v 逻辑器件的混合接口问题 4.3.1 逻辑电平不同，接口时出现的问题 现在越来越多的系统要求使用体积小、功耗低、耗电小的芯片，数字系统的工作 电压已经从5v降至3.3v甚至更低（例如2.5v和1.8v标准的引进）。但是目前仍有许多 5v 电源的逻辑器件和数字器件可用，因此在许多设计中3v（含3.3v）逻辑系统和5v逻 辑系统共存,而且不同的电源电压在同一电路板中混用。随着更低电压标准的引进，不 同电源电压逻辑器件间的接口问题会在很长一段时间内存在。本系统中dsp 的电源电 压标准为3.3v,而大部分的外围器件的电源都是传统的5v 标准，这个问题是设计中首 先要考虑和解决的。 在混合电压系统中，不同电源电压的逻辑器件相互接口时会存在以下3个主要问题： 加到输入和输出引脚上允许的最大电压的限制问题；两个电源间电流的互串问题；必 须满足的输入转换门限电平问题。器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限制的。 这些引脚在芯片内部可能