毕业设计（论文）-基于DSP的异步电机直接转矩控制系统设计.doc

何庆华：基于DSP的异步电机直接转矩控制系统设计论文题目(二号黑体，居中)小二号黑体，居中四川理工学院毕业设计（论文） 基于DSP的异步电机直接转矩控制系统设计学 生：学 号：专 业：电气工程及其自动化班 级：2007级1班 指导教师： 四川理工学院自动化与电子信息学院二O一一年六月43何庆华：基于DSP的异步电机直接转矩控制系统设计摘要本设计完成基于TMS320F2812的直接转矩控制系统设计。论文在分析了异步电机直接转矩控制理论的基础上，介绍了磁链、转矩、电压空间矢量等概念。硬件电路包括主电路、逆变电路和控制电路，主电路设计了整流电路和滤波电路。逆变电路采用PMZOCTM060智能功率器件，它具有逆变电路所需的逆变功能。控制电路主要以TMS320F2812为控制核心，其它包含了电流、电压信号采样电路、转速检测电路。最后基于CCS软件平台，采用C语言/汇编语言混和编程的方式实现软件设计。通过对系统研究表明采用本直接转矩控制策略的硬件平台，具有抗干扰能力强，优良的电流电压保护措施，体积小，软件可移植性强，适合应用于电机控制等特点。关键字：直接转矩；DSP；异步电机；TMS320F2812ABSTRACTThe design is based on TMS320F2812 direct torque control system design. This paper analyzes the asynchronous motor direct torque control principle , and introduce flux linkage、torque、voltage space vector and so on. Hardware circuit includethe main circuit、inverter circuit and control circuit. the rectifier and filter circuit is designed in main circuit, inverter circuit use PMZOCTM060 Internet Product Manager. It have inverter functionhe that inverter circuit need. control circuit make the TMS320F2812 as the core, others contain current-sensing circuit 、voltage sampling and the speed detection detection circuit. Last the part of software is coded with the c language and assembly language in the CCS environment , through the design that direct torque control strategy of the hardware platform, hasanti-interference ability, good currentand voltage protection measures, small size, strong softwareportability, good for motor control and so on.Key words: Direct torque control; asynchronous machine; DSP ; TMS320F2812目录摘要IABSTRACTII第1章 引言11.1 交流调速系统在异步电机中的研究成果11.2 直接转矩控制技术的发展与研究现状11.2.1 直接转矩控制技术的发展11.2.2 直接转矩控制技术的研究现状21.3 课题研究的主要内容3第2章 直接转矩控制系统的基本原理42.1 异步电机的稳态模型42.2 异步电机的坐标变换72.3 三相桥式PWM逆变器与电压空间矢量102.3.1 三相桥式PWM逆变器的工作原理102.3.2 -坐标系下的电压空间矢量与磁链、转矩的关系112.4 直接转矩控制的系统结构142.4.1磁链模型与转矩模型152.4.2 转矩调节器设计162.4.3 磁链调节器设计162.4.4 磁链扇形区间判断172.4.5 通过转矩、磁链、扇形区间选择最优开关控制量18第3章 基于TMS320F2812处理器的硬件设计203.1 TMS320F2812数字信号处理器介绍213.1.1 TMS320F2812的主要特性213.1.2 DSP的事件管理模块213.1.3 A/D转换模块223.1.4 串行外设接口SPI、串行通讯接口SCI223.2 主要的硬件电路设计233.2.1 三相整流电路233.2.2充电控制和放电控制243.3系统控制电路243.3.1 智能功率模块IPM243.3.2 电流检测采样电路及限幅保护电路263.3.3 电压采样电路273.3.4 转速信号检测28第4章 DSP的软件设计304.1 DSP的软件基础304.2 DSP软件设计的编程语言304.3 系统软件设计314.3.1 系统程序的总体结构314.3.2 系统主程序314.3.3 串行口中断服务程序模块324.3.4 驱动功率保护中断334.3.5 通用定时器中断服务程序模块344.4 电压空间矢量PWM波的产生36第5章 总结38致谢39参考文献40附录42何庆华：基于DSP的异步电机直接转矩控制系统设计第1章 引言1.1 交流调速系统在异步电机中的研究成果19世纪电机逐步进入人们视野，以直流电机为代表的电能转换设备快速应用到人类生产的各个部分，因为他有较易于控制的电磁电流和电枢电流、能够得到理想的动态性能，所以在相当长的一段时间内调速系统使用的直流调速系统。但随着大功率电机，高转速电机的出现，以及直流电机高维护费用和复杂的直流调速系统，使得直流调速系统不能适应现代生产的需求。20世纪初期变频调速已经应用到交流电机调速上，但因为他需要有改变频率的电源，所以不得不采用复杂、笨重的变频器，因此发展较慢。20世纪中叶随着电力电子器件的发展，人们发明了较为简洁的变频装置，交流调速技术从新受到了人们的重视，并不断发展，更新。20世纪80年代随着电力电子技术和微数字信号处理器的发展以及现代控制理论的发展，使得交流调速更易于实现，并快速取得调速技术上的突破，使交流调速技术具备了较宽的调速范围、优良的动静态性能、较高的可靠性等优良的调速性能。从交流调速的出现开始世界各国都在致力于交流调速系统的研究，并不断取得新的发展，到现在为止，高性能的交流调速系统正逐步取代直流调速系统，交流调速系统被应用到广泛的工业场合。总之交流调速的发展可具体归纳一下三个方面：第一，转差频率控制、矢量变换控制和直接转矩控制等交流调速理论的诞生，使交流调速有了新的理论基础；第二，晶体管、场效应管、绝缘栅双极晶体管等为代表的新一代大功率电力电子器件的出现，其开关频率、功率容量都有很大的提高，为交流调速装置奠定了物质基础；第三，微数字信号处理器的飞速发展，使交流调速系统许多复杂的控制算法和控制方式能得以实现1。1.2 直接转矩控制技术的发展与研究现状1.2.1 直接转矩控制技术的发展直接转矩控制(Direct Torque Control)是20世纪80年代由德国鲁尔大学M.Depenbrock教授首先提出的磁链六边形运动轨迹跟踪控制思想，随后日本学者也提出了类似的控制思想（磁链圆形运动轨迹跟踪控制方案）。直接转矩控制的基本思想是根据交流电机转矩的需要，直接选择合适的定子电压空间矢量，实现交流电机电磁转矩的快速响应。该理论摒弃了矢量控制技术中转子磁链难以观测，系统性能受到电机参数的影响，以及复杂的矢量变换等技术难题，而直接转矩控制弥补了矢量控制的不足，它避免了复杂的坐标变换，对电机参数依赖程度小，它新颖的控制思想、简明的系统结构、以及优良的动静态性能备受广大工程人员的青睐，得到迅速的发展。电力电子技术是从20世纪50年代开始出现的，以晶闸管为代表电力电子器件成为了第一代电力电子器件，随后经过3次发展阶段，使晶闸管从大功率、门极可关断等第二代电力电子器件到绝缘门极晶体管，它综合了MOSFET和GTR的优点，是较为理想的功率器件，主要普遍应用在逆变器方面，最后功率智能模块（IPM）为代表的第四代电力电子器件应用广泛，该模块将电力电子器件、触发驱动、过电流保护、过电压保护、过热保护及故障监测功能集于一体，还有的专用做触发模块还具有隔离功能，可大大减少硬件电路的设计。直接转矩控制系统的设计需要大量的各种电路，这就需要使用拥有良好性能的智能功率模块(IPM)。1.2.2 直接转矩控制技术的研究现状基于电力电子技术和数字信号处理器的发展，直接转矩控制技术具有广阔的发展前景。在国内外直接转矩控制理论不断得到发展和完善，许多研究从不同的角度提出了各自的见解和方法，特别是随着各种现代智能控制理论的引入，又出现了许多基于模糊控制和人工神经网络的DSC系统，控制性能得到了进一步的改善和提高。从现有的文献资料可以窥见直接转矩控制技术的发展前景，目前直接转矩控制的研究热点主要集中在：磁链与转矩的观测器；无速度传感器技术；先进控制技术与直接转矩控制技术集成研究。传统的直接转矩控制技术在低速运行状态与稳态运行区段还存在很多的问题，需要进一步的研究。现代直接转矩控制技术作为一种新兴的控制技术，需要有更完善、多样的控制技术，成为多学科的综合技术。根据控制技术的要求与现有的控制理论，需要有以下成果的突破：1、先进控制策略在现代直接转矩控制技术中的应用,改善其稳态运行性能的问题。2、磁链与转矩检测问题，直接转矩控制系统在低速时性能不稳定，所以解决低速时的磁链与转矩检测问题具有重要意义。3、速度检测问题，速度的检测是提高系统精度的必要前提。4、欠载或者空载条件下如何优化定子磁链问题，优化定子磁链能够有效的改善控制系统的性能3。目前世界各国都致力于直接转矩控制技术的研究，并应用的工业、农业、国防等领域，具有广阔的发展前景。1.3 课题研究的主要内容本课题主要进行异步电动机直接转矩控制原理的研究和分析，熟悉Ti公司生产的TMS320F2812数字信号处理器，进行DSP和IPM智能功率模块硬件电路的设计，并进行软件处理。主要内容如下：1.分析异步电机的稳态模型，建立合适的数学模型，介绍三相桥式逆变器的工作原理和它与电压空间矢量的关系，最后得出直接转矩控制的基本原理。2.基于Ti公司的TMS320F2812数字信号处理器，完成功率部分的IPM的逆变电路，电压、电流以及转速测量电路，保护电路等电路的设计。3.基于DSP的软件设计，在硬件设计的基础上，进行软件设计。第2章 直接转矩控制系统的基本原理直接转矩控制系统简称DTC（Direct Torque Control）系统，是继矢量控制系统之后发展起来的又一种高动静态性能的交流电机变压变频调速系统，它在转速环里直接利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而形象的把它称作直接转矩控制系统。参考电机学可知三相异步电机用三相对称正弦电源供电时，对应的磁场为接近圆形旋转磁场，电机的运行特性为理想特性。所以使用逆变器使输出电压、电流波形接近于正弦波，从而实现异步电机调速系统的稳态性能接近于理想电源供电时的性能，并以此为基础展开直接转矩控制系统的设计5。2.1 异步电机的稳态模型 三相异步电机主要由定子和转子组成，其中定子和转子中间的是空气隙，另外还包括外围的端盖、风扇、机座等零部件。下面就主要涉及到的定子、转子做介绍。绕线式的异步电机定子和转子的绕组接线方式如下： 图2-1 异步电机定、转子绕线接线方式 因此由定子、转子绕组形成的了接近圆形的磁路。我们知道三相异步电机的动态模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，在做异步电机的多变量非线性数学模型时通常做如下假设：1） 定子和转子的三相绕组对称，也就是它们分别在空间中有120的电角度，这样使它们产生的磁动势按正弦规律分布。2） 忽略磁路饱和，绕组中的自感、互感都是恒定的。3） 电机运行时频率和温度对绕组电阻没有影响。4） 铁心损耗、磁滞损耗忽略不计。按照异步电机定子、转子绕组连接方式可将异步电机定子、转子绕组等效成如图2-3所示的物理模型。图2-3 三相异步电机的物理模型在图中可知A、B、C是定子的固定轴线，其中假设A为参考坐标轴，a、b、c为转子绕组轴线，它们随转子旋转，电角度为转子轴和定子A轴的空间位移变量。由文献可知异步电动机的数学模型主要由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。1. 电压方程模型中三相定子绕组的电压方程为： (2-1) (2-2) (2-3)三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为： (2-4) (2-5) (2-6)其中 为定子和转子相电压的瞬时值； 为定子和转子相电流的瞬时值；为各相绕组的全磁链；为转子和定子绕组电阻。为了简便起见，通常把电压方程写为矢量形式（本文矢量均用黑体表示）： (2-7)2. 磁链方程 (2-8)式中是A相的自感，其余是互感，同理可得B、C相。在对磁通讨论时应该明白，电机绕组交链磁通主要由两类组成：一、穿过气隙的相见互感磁通；二、不穿过气隙的漏磁通。在电机绕组等效模型中，对每一项绕组来说，它所交链的磁通是互感磁通和漏感磁通之和，所以定子与转子各项自感为： (2-9) (2-10)至于绕组间的互感，因为三相绕组轴线之间存在120的相位差，在气隙磁通为正弦分布的条件下有互感： (2-11) （2-12)总结上面所述可把磁链方程写为矢量形式: (2-13)3. 转矩方程根据电机能量转换原理，电机中磁场能量； （2-14)电磁转矩等于电流不变只有机械位移变化时磁场储能对机械角位移的偏导数,且，所以 （2-15)将（2-17）代入（2-18）并考虑文献中的分块矩阵关系式； （2-16)4. 运动方程忽略电力拖动系统传动机构中的粘性摩擦和扭转弹性，则有： （2-17)式中负载转矩;J机组的转动惯量;D与转速成正比的阻转矩阻尼系数;K扭转弹性转矩系数;极对数。对于恒转矩负载，D=O, K=0，则： 且 （2-18)综上以上方程式近一步说明了异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，为了简化系统我们通常把它进行坐标变换，把它等效成直流电机模型。2.2 异步电机的坐标变换如果要求解上节所列举的多变量系统方程就需要用到坐标变换的方法来简化它，把交流电机模型等效成直流电机模型需要遵循的等效原则为：在不同坐标下所产生的磁动势完全一致的原则。1、三相两相的静止坐标变换这一坐标变换我们通常称为3/2坐标变换，绘出如图2-4的三相与两相坐标系，其中N2、N3为他们各自所在相的绕组匝数。图2-4 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量 根据等效原则可得到三相坐标变换到两相坐标的变换矩阵，且,则有 (2-19)同理如果要将两相坐标变换到三相坐标，则有 (2-20)2、两相静止坐标到两相旋转坐标变换及数学模型将的两相静止坐标变换为dq两相旋转坐标，由坐标变换等效原理可得到两相静止坐标到两相旋转坐标的变换矩阵,因为旋转坐标和静止坐标存在以下关系式： (2-21) (2-22)写成矩阵形式则有： (2-23)同理可得两相旋转坐标到两相静止坐标的变换矩阵，则有 (2-24)有了这样的坐标变换异步电机的数学等效模型就得到可进一步的简化，更有利于我们分析电机的参数。 图2-5 异步电机的等效模型 图 2- 5 是异步电动机的空间适量的等效电路图，该等效电路是在正交定子坐标系上描述异步电动机，图中: 定子电压空间矢量；转子电流空间矢量定子电流空间矢量定子磁链空间矢量转子磁链空间矢量 电角速度(机械角速度和极对数的乘积)。根据异步电机的数学等效模型，列出异步电动机在定子坐标系上的各矢量方程： （2-25） （2-26） （2-27） （2-28） （2-29） (2-30)式中： 电压空间矢量 电流空间矢量、转子、定子磁链空间矢量、转子的电阻和自感、定子的电阻和自感 电机的角速度 定子和转子的互感 、机械转动惯量、机械摩擦系数 电机极对数所以通过公式2-18可知，要改变转矩可以通过改变磁通角来实现。直接转矩控制就是通过改变磁通角的大小以达到对转矩直接控制的。2.3 三相桥式PWM逆变器与电压空间矢量2.3.1 三相桥式PWM逆变器的工作原理在交流调速系统中，通过对逆变器的控制，可以调节电机的转速，所以逆变器调速系统中是最重要的一个部件，按照中间直流环节直流电源性质的不同，通常把逆变器分为电压源型和电流源型两类，在直接转矩控制系统中逆变器采用的是电压源型，三相逆变器的原理图如2-6:图2-6 三相桥式电压源型逆变器 在图中有六个功率开关器件（VT1VT6）使用开关符号代替，二极管是为了防止误导通，在逆变器上它的上下桥臂的开关器件是互补的，也就是说当一个处于导通状态时，另一个一定处于关断状态。假设三个桥臂上的开关器件分别用Sa、Sb、Sc表示，以Sa为例，当上桥臂导通时Sa=1；当下桥臂导通时Sa=0，同理可有Sb、Sc。根据上下桥臂导通规律，功率开关器件共有8中工作状态，既VT2、VT4、VT6导通，VT4、VT5、VT6导通，VT6、VT1、VT2导通，VT1、VT2、VT3导通，VT2、VT3、VT4导通，VT3、VT4、VT5导通，VT5、VT6、VT1导通，VT1、VT3、VT5导通8种状态。为了简便起见用表示逆变器输出的电压空间矢量,通过每一桥臂导通状态的不同可以得到8个不同的电压空间矢量,将开关量从0到7排列可得8种开关状态表如下:表2-1 逆变器的8种开关状态表状态Sa00001111Sb00110011Sc01010101从开关状态表可知当上桥臂和下桥臂都分别导通时，既111和000时，这两个开关状态是无效的，因为这时的逆变器没有输出电压。其余六个为非零电压矢量，当三相负载不都接到相同的电位上，这时的负载电压将加在电机上产生旋转磁场和电磁转矩，从而使电机旋转起来，这是直接转矩控制的基本理论。在开关状态为有效值时，假设初始开关状态为时，则以后的开关根据导通原则，则有依次导通顺序为。由逆变器的工作原理图2-6可以推导出的表达式： （2-31）这样就更直观的表述了逆变器的三相输出电压的状态。2.3.2 -坐标系下的电压空间矢量与磁链、转矩的关系交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，我们常用时间量来表示，但它们绕组存在空间位置的关系，所以用空间矢量来表示，三相绕组形成的正六边形电压空间矢量可以表示为如图2-6：1 电压空间矢量与磁链的关系当异步电动机的三相对称定子绕组由三相平衡正弦电压供电时，逆变器的输出电压直接加到异步电动机的定子上有： （2-32）图2-6 电压空间矢量 当电机转速不是很低时，定子电阻压降在其中几乎不起作用，可忽略不计，则定子电压与磁链的空间矢量关系可为： （2-33）由上式可得到定子电压与磁链空间矢量在空间中形成的关系如图2-7：图2-7 电压空间矢量与磁链空间矢量的关系 图中S代表六边形的六个边，根据定子电压与磁链的空间矢量的积分关系可知磁链空间矢量将沿六边形的边逆时针旋转运动，也就是说当给定逆变器的电压不同时，磁链空间矢量将不断沿逆时针运动，且存在于不同的六边形扇区，影响电机的转速。2 电压空间矢量与转矩的关系由异步电机的数学模型可得到转矩与磁链的表达式： （2-34）其中为电机的漏电感，是定子磁链与转子磁链的夹角。由此可知异步电动机的转矩的大小定子磁链幅值、转子磁链幅值有关，还和它们的磁通角有关，如图2-8和公式2-35当磁通角从0到90变化时，电磁转矩从零变化到最大值。在实际运动过程中，一般要保持定子磁链幅值为额定值，转子磁链幅值由负载决定，所以通常改变电动机转矩的大小主要通过改变磁通角的大小来改变。在直接转矩控制中，就是通过空间电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，以改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变转差频率也即改变磁链角的大小来控制电动机的转矩。图2-8 电压空间矢量与转矩的关系通过对电压空间矢量与磁链、转矩关系的分析可以总结出：当逆变器的输出电压改变时，磁链也随电压值的不同沿六边形逆时针运动，磁链的运动改变了定子磁链与转子磁链的磁通角和幅值，通过磁通角与幅值的变化从而改变了转矩的大小，从而实现对电动机的控制，此外通过对转矩大小的调节来控制电压空间矢量的工作状态和零状态交替出现，就能控制定子磁链空间矢量平均角速度的大小。通过这样的瞬态调节就能获得高动态性能的转矩特性，这就是直接转矩控制的基础。2.4 直接转矩控制的系统结构 图2-9 直接转矩控制（DTC）系统的原理图图2-9是直接转矩控制（DTC）系统的原理图，与矢量控制一样它们也是分别控制异步电机的转速和磁链来控制电机。首先将三相电流整流，通过对电流、电压的采样检测，再经过三相坐标系下的3/2变换，变换为-静止坐标系下的两相电压、电流，然后和速度反馈信号一起分别进入转矩观测模型和磁链观测模型分别得到磁链和转矩的估计值、，在转矩调节器和磁链调节器中分别与转矩和磁链给定值式、进行比较，得到系统的状态信息，然后根据磁链扇形区间判断模块的输出信号，从开关状态表中选出适合的电压开关状态去驱动逆变器，给电机提供合理的电压空间矢量来满足电机动态、静特性变化的需要，实现电动机高性能的转矩控制。2.4.1磁链模型与转矩模型直接转矩控制中转矩和磁链的控制均采用双位的砰-砰控制器，这样简化了控制器的结构，在直接转矩控制系统中转矩和定子磁链反馈信号的计算模型是系统的核心。在-两相静止坐标系下，根据公式2-33磁链关系式： （2-35） （2-36）因此在2-9直接转矩控制系统结构图中的磁链观测模型的结构图为图2-9 定子磁链观测模型结构框图像这样用定子电压与定子电流来确定定子磁链的方法的模型叫u-i模型， 同样在-两相静止坐标系上有电磁转矩表达式为： （2-37）其中： （2-38） （2-39）将上式代入2-37中则有： （2-40）根据方程式建立系统结构框图：图2-10 转矩观测模型结构框图2.4.2 转矩调节器设计根据异步电动机-静止坐标系下的模型可知，交流电机的转矩变换的转速是一个积分环节，只受转矩的影响，不受控制量得影响。因此转矩的控制是直接转矩控制系统的关键，图2-10是转矩调节器的原理图。图2-10 转矩调节器的原理图从图中可知，转矩控制包含了两级容差控制，其中是转矩给定值，是转矩反馈值，是转矩给定值和转矩反馈值的误差值。、为误差带，远远大于，、是转矩调节器输出，原理如下： ,=1;(增加电磁转矩)； ,=0;(减少电磁转矩)； ,=1;(增加电磁转矩)；，=0;(减少电磁转矩)由此可以得出转矩输出的信息量，每种信息对应不同的转矩状态，在转矩控制环中，除了转矩调节调器，还要有转速的测定，所以转速的测定通常采用光电码盘测速，速度调节器采用PI节器，这里我们不做详细介绍，在直接转矩硬件设计部分将做介绍。2.4.3 磁链调节器设计根据转矩调节器设计原理可以得到磁链调节器的设计方法，如图2-11是磁链调节器的原理图：图2-11 磁链调节器的原理图其中是磁链给定值，是磁链反馈至，是磁链给定值和反馈值的误差值，、为误差带，是磁链调节器的输出，根据原理图可以得出磁链调节器的输出： ,=1;(增加磁链),=0；（减小磁链）2.4.4 磁链扇形区间判断磁链为六边形，每个边对应不同的磁链位置，所以必须知道定子磁链的位置，才能够协调转矩环、磁链环来选择合适的电压开关状态，达到控制电机的目的。图2-12 扇形区间根据电压空间矢量与磁链的矢量关系图2-8可得扇形区间结构如图：由此可以得到磁链扇形区间判断表：表2-2 扇形区间判断表 扇形区域 区间判断条件1扇区 2扇区 3扇区 4扇区 5扇区 6扇区知道了扇形区间，就能够准确的选择开关状态表里的开关状态。2.4.5 通过转矩、磁链、扇形区间选择最优开关控制量前面介绍了转矩调节器、磁链调节器和扇形区间判断，那么我们将利用这三个输出量选择最优的开关控制量。 图2-13 电压空间适量与扇形区域根据电压空间矢量和磁链的关系可知，将磁通和转矩两个调节器结合起来，共同控制逆变器的状态，使电机的输出转矩快速跟随指定值变化，从而使系统获得高动态性能。他们电压矢量如图2- 13所示将电压空间矢量分布的平面划分为6个扇区，6条虚线代表各个扇区间的分界线，每个扇区包含一个非零电压矢量，并且是该扇区的角平分线，称扇区主矢量。根据磁通和转矩调节器的输出来选择下一周期要施加的电压矢量。实现电机的直接转矩控制，需要兼顾磁链和转矩的控制，因此对电压矢量的选择就要兼顾这两方面需要。以2扇区为例来，在此区域中，、为正向力矩矢量，、为反向力矩矢量，而、是使磁链减小的矢量，、是使磁链增大的矢量。因此如果需要既增大磁链，同时又需要正向力矩的话，就应该选择电压矢量；如果增大磁链，同时需要反向力矩的话，选择；如果减小磁链，同时需要正向力矩的话，选择；如果减小磁链，同时需要反向力矩的话选择。利用这样的原理，在整个磁链角空间里列成一个定子向量表，来表示在不同区域里所有情况下的电压矢量选择，在此区域中具体的选择方法（逆时针运动）如表2所示：表2-3 转矩、磁链、扇形区间开关控制表扇形区间位置123456outTout00 1 10 1 综上可以把直接转矩控制总结为：在控制系统中根据定子磁链的幅值以及电磁转矩的当前值，分别与给定的磁链的幅值以及电磁转矩的值进行比较，给出正确的磁链开关信号，从6个有效电压矢量中选择一个最佳的控制矢量，使电机运行在期望最佳状态。第3章 基于TMS320F2812处理器的硬件设计数字信号处理器是一类具有高速运算能力的微处理器，DSP芯片由最初的8位发展到现在的32位，使用DSP实现数字信号处理器已经成为工程技术领域的主要实现方法，综合参考文献DSP数字信号处理器具有：灵活性高；高精度、高稳定性；可以大规模集成，且易于实现；可以实现模拟系统无法实现的诸多功能，图3-1 基于DSP的异步电机直接转矩控制系统总图控制系统的核心是TMS320F2812DSP，它主要完成直接转矩控制算法、电流检测、电压检测、串行通信等功能，它和上位机连接实现人机交互。由图3-1可知直接转矩控制整个控制系统由主回路，控制回路和电流、电压检测电路组成，逆变部分采用智能功率模块IPM，它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且内部有过电压、过电流等故障检测电路，方便了驱动电路和保护电路的设计。此外DSP还监控调速系统的运行状态，当系统出现短路、过压、欠压、等故障时，封锁PWM输出信号，将停止电机运行状态。3.1 TMS320F2812数字信号处理器介绍3.1.1 TMS320F2812的主要特性TMS320F2812芯片是美国TI公司生产的32位定点数字信号处理器，它采用先进的改进型哈佛结构，其程序存储器和数据存储器具有各自的总线结构，使它的处理能力达到最大,主要特性如下7：1CPU采用T320CZXLP核。2150MHz的时钟频率。318K字节的双访问片内程序/数据内存(RAM),128K字节片内程序。 4两个12位的A/D转换模块,共有16路A/D输入。53个32 bit的CPU定时器。6两个事件管理模块(EVA.EVB),每个事件管理模块带有3个全比较单 元。7. 一个eCAN总线模块,一个多路缓冲串行模块,2个SCI串行通讯模块,一个串行外设接口模块SPI。812个CPU中断组,每组含8个中断。3.1.2 DSP的事件管理模块TMS320F2812 DSP的内置了一个事件管理器（EV），它具备完善的功能，使得TMS320F2812能实现各种电机的控制，满足各种电机控制要求，事件管理器主要由通用定时器单元、比较单元、死区生成单元及捕获单元组成。这里主要介绍定时器单元：1. 每个通用定时器Tl，T2，它们可互相独立或同步工作，主要功能：（1)每个定时器有4种可选择的操作模式。（2)各定时器的比较单元能够生成相应PWM波。（3)定时器的工作状态可由相应的控制寄存器设定。（4)定时器T1对所有的比较和PWM电路提供时基。（5)定时器T1或T2对捕获单元和正交脉冲计数操作提供时基。（6)定时器的时钟源可选为内部的或外部的。2. 每个通用定时器中有一个16位的定时器增/减计数的计数器TxCNT，可读写。一个16位的定时器比较寄存器(双缓冲)TxCMPR，可读写；一个16位的定时器周期寄存器(双缓冲)TxPR，可读写。TxPR寄存器存放的是定时器的周期值。当TxPR与TxCNT的值相等时，根据定时器的计数方式,通用定时器停止操作并保持当前值、复位至0或开始向下计数；一个16位的定时器控制寄存器TxCON,可读写。TxCON规定了通用定时器的工作模式，如通用定时器计数方式、通用定时器的时钟源、是否起动定时器、是否允许通用定时器比较模式以及何时重新对TxCMPR赋值等。3另一个可读写的控制寄存器GPTCONA/B规定了通用定时器针对不同定时器事件所采取的操作，并且指明了它们的计数方向等。4 定时器的用途：用于定时，确定采样周期等8。3.1.3 A/D转换模块A/D转换模块是一个带采样/保持电路的12位模数转换器，它将采集端口采集到的模拟信号转换成数字信号，它具有自动排序能力，一次最多可执行16个通道的自动转换。它的转换速度很快，在25MHz的A/D转换模块时钟时，执行一次转换操作时间为50ns，该系统采用一个电压传感器和两个电流传感器,通过检测逆变器前端的母线电压Ud。经A/D转换模块采样后可根据当前的开关状态计算逆变器输出电压的Ut。同时，电机的两相电流由电流传感器检测后也经A/D转换模块采样，再经过3/2变换，可求出电流分量，最后根据有关第二章公式可算出磁链和转矩的大小。3.1.4 串行外设接口SPI、串行通讯接口SCI1、串行外设接口SPISPI是一个高速同步串行I/0端口,在该系统中SPI连接DSP控制器和显示器,用于DSP和外部外设之间的数据通信。还可以作为外部I/O或者用于对外设等进行扩展。2、串行通讯接口SCI TMS320F2812设有双通道异步串行外设通信口(包括SCIA和SCIB)，在该系统中它与RS-232或者RS-485等标准接口相接，用于DSP的CPU与PC上位机之间的数字通信。支持半双工、全双工等通信模式。两种外设接口构成了整个系统的通讯平台，他们构成了控制系统的主要外围电路，本控制系统采用主、从分布式计算机控制结构，PC机只发送控制命令和接受运行数据。本系统采用DSP的SCI接口完成与上位机的通讯功能，通讯接口采用美信公司的MAX232芯片构成串行通信模块，MAX232符合所有RS-232的技术标准，只需要单一 +5V电源供电，是双路驱动，内部包括电容性的电压生成器，可以将单5V电源转换成符合EIA/TIA-232E的电压等级。由于上位计算机带有RS-232接口，可以利用上位机的串行口与下位机进行数据交换，对下位机DSP控制器的监控，串行通讯电路如图3-2所示：图3-2 PC机与DSP串行通信硬件接口电路 3.2 主要的硬件电路设计由系统结构框图可知主电路由调压器，三相整流电路、预充电电路、滤波电路、放电回路组成。3.2.1 三相整流电路三相整流电路主要由6个整流元件按照固定的连接方式连接如图3-3，可以构成三相桥式整流电路。 其作用是把交流电整流成为直流电，且电压波动能够限制在允许范围之内。 图3-3 三相桥式整流电路 由它的原理可知，在每一个时刻时需要有两个晶闸管同时导通，这样以便形成回路，且它们应属于一个为共阴极，另一个为共阳极。整流输出电压U0在一个周期里脉动6次，每次脉动波形都不一样。在接通电路时还应该保证必需要有两个晶闸管处于导通状态，这样才能保障电路正常工作。3.2.2充电控制和放电控制充电控制由一个功率电阻和继电器并联组成，如图3-1充电控制回路，当系统开始工作时，继电器断开，整流桥通过功率电阻向中间支撑电容充电。当支撑电容的电压值达到所需值时，闭合继电器功率电阻被短路，整流桥直接向支撑电容充电，充电过程结束。整个系统只有在充电过程结束后，IPM才允许正常工作。当系统停止工作时，支撑电容需要放电，所以设计了放电回路，如图3-1放电回路。3.3系统控制电路3.3.1 智能功率模块IPM功率驱动是直接转矩控制系统的核心部分，它影响整个该控制系统的性能。其中功率驱动部分的核心器件是智能功率器件IPM， IPM器件被称为第三代功率器件，它包含了IGBT芯片及外围的驱动和保护电路等，现在大量的将功率器件与传感器、检测和控制电路、保护电路及故障自诊断电路等集成为一体，它们具了有很多优点：如开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单；IPM中含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，这样就为IPM提供了更多的保护功能。其中IPM选用三菱公司产品PMZOCTM060，它本身具有驱动功能，过流保护，短路保护，过热保护，欠压保护等功能，所以使用方便，足以满足一般工业应用的要求。其结构图如图3-4。图中的P、N为直流母线电压输入端，U、V、W分别为经变换后的电压信号，与电动机的三相连接；UP、VP、WP、UN、VN、WN分别对应六个功率开关的控制端，它们由控制电路板传来的开关信号控制，根据此开关信号实现IPM内部功能：开关的开启与关闭，IPM内置有保护电路，可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。如果IPM模块中有一种保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号F0。IPM故障信号F，经光电耦合器TLP521-l隔离后送到TMS320F2812的PDPINTA引脚，当有故障发生时，PDPINTA引脚电平被拉低，TMS320F2812的PWM1_6引脚输出被置为高阻状态,同时进入PDPINTA_ISR0保护中断程序，进行保护设置，从而达到保护IPM的目的。 图3-4 PMZOCTM060电路结构图该模块保护功能如下：1） 驱动功能：当输入驱动信号电平大于最小关断电压时，功率开关管IGBT关断；当输入驱动电平小于最大开启电压0.8V时，功率开关管关断。2）过流保护：IPM监视每一个IGBT的集电极电流，一旦发现IGBT过电流并超过允许时间(10ns)，则过电流保护立即关断相应的IGBT，并在故障时间内封锁IGBT的驱动信号。如果是下桥臂IGBT发生过电流，IPM还将通过Fo端口输出脉冲宽度为2ms的故障信号。3） 短路保护：IPM监视每一个IGBT的集电极电流，一旦发现IGBT出现短路电流，则短路保护动作。4） 过热保护：IPM检测模块温度,一旦发现模块温度超过了允许值，IPM立即关断下桥臂的所有IGBT；直至模块温度降下来为止，并在整个过热期间封锁IGBT的驱动信号，同时通过F0输出故障指示。5） 欠压保护：IPM检测每一桥臂的控制电压，一旦发现控制电压在一定的时间内降到了允许值 12V以下，则IPM立即关断相应的IGBT，并在整个欠压期间封锁IGBT的驱动信号。如果是下桥臂发生欠压保护，则IPM将同时输出低电平的故障指示信号。当然为避免各开关信号受到干扰,保证系统的可靠性,电路中采用了TOSHIBA公司的TLP521-1光电耦合器对开关信号进行隔离,提高了系统的稳定性。为满足上面设计要求，设计了以TPS70151为芯片的供电电源，如图3-5。图3-5 TMS320F2812的供电电源电路图 有了可靠的电源电压，就能持续地向TMS320F1812提供内核为1.8V,I/O口为3.3V的电压。3.3.2 电流检测采样电路及限幅保护电路由电机原理可知三相异步电机电机定子三相电流之和为0，因此只需检测a、b两相电流值就可以计算c相电流，所以只需要两个电流传感器。其中霍尔电流传感器具有测量精度高，且输出与输入在应用频率范围内呈线性等优点。因为霍尔元件输出的是弱电流信号，所以在输出前必须将该电流信号转换成电压信号，霍尔传感器的输出为有正负方向的电流信号，其转换得到的电压信号也有正负,而TMS32OF2812的片内A/D转换模块的输入为0-5v的电压信号，因而需要电平偏移电路，将有正负极性的电压信号转换为F2812的A/D转换器所需的单极性电压信号，解决的方法是A/D输入端加