（机械电子工程专业论文）基于dsp的直接转矩控制系统.pdf

摘婪 摘要 异步电动机被广泛应用于工业生产的各个领域，随着工业自动化程度的不断 提高，对电动机控制系统的要求也越来越高。从某种意义上说，电动机控制系统 能否跟上工业化不断深入的发展步伐，对整个国民经济都有着举足轻重的作用。 精度高、响应快、计算筒单永远都是电动机控制系统追求的目标。直接转矩 控制即是基于此目标由西方发达国家德国率先提出并发展起来的。直接转矩控制 计算简单、对电动机参数依赖性小、动静态性能优良的特点使它成为当前异步电 动机控制中最重要的控制策略。目前国内交流电动机控制的微处理器仍以单片机 为主，采用矢量控制等传统控制策略。随着模糊控制、无速度传感器理论等技术 的发展，需要处理的数据量越来越大，对系统的实时性和精度的要求也越来越高， 单片机已开始显得力不从心。因此，开发一套采用高性能微处理器的直接转矩控 制系统显得十分必要。 本文在仔细研究异步电动机控制策略发展历程的基础上，使用数字信号处理 器d s p 作为微处理器，开发出异步电动机的直接转矩控制系统。系统采用电动 机控制专用d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，该芯片集成了许多电动机控制所需 的功能模块，减少了外围电路设计工作；功率器件采用目前最先进的智能功率驱 动模块i p m ，其内置的保护电路大大提高了系统的可靠性。d s p 和i p m 的采用， 实现了先进理论与先进器件的融合。系统硬件部分可作为通用的异步电动机控制 系统硬件部分，运行相应的软件，即可实现相应的控制功能。系统的软件部分是 利用在c 语言中嵌入汇编语句的方法设计，这种方法使得所设计的软件具有可 读性好、可移植性强的特点。论文在对硬件各个部分和软件部分进行分别调试后， 对整个系统进行了实验，分析了实验结果。为进一步验证实验结果的正确性，论 文还利用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 模块对系统进行建模仿真。论文最后，总结 了整个系统的成功和不足，并展望了直接转矩控制今后的发展。 论文开发出一整套实用的直接转矩控制软硬件系统，对实验和仿真的结果分 析表明，系统具有控制精度高、动态性能好等优点。 关键词：异步电动机 直接转矩控制转矩调节磁链调节功率驱动 开关电源d s p 曲北】n k 人1 j 硕f 生毕、i k 论文 a b s t r a c t 摘篮 i n d u c t i o nn l o t o ri sb e e nu s e de v e r y w h e r ei ni n d u s t r y t h ei m p r o v i n go ft h e a u t o m a t i ct e c l m o l o g yi ni n d u s t r yb r i n g st h es t r i c t e rr e q u i r e m e n tt ot h em o t o l c o n t r o l s y s t e mt oc e r t a i ne x t e n t ，w h e t h e rt h ed e v c l o p m e n t o fm o t o rc o n t r o ls y s t e mc a l lk e e p u pw i t ht h ep a c eo f t h ei n d u s t r i a l i z a t i o nw i l la f f e c tt h ew h o l e d o m e s t i ce c o n o m y 1 h e h i g h e s tp r e c i s i o n ，s h m t e s tr e s p o n s e t i m ea n ds i m p l e s tc o m p u t i n ga r et h e e t e r n a ld e s t i n a t i o no fm o t o rc o n t r o ls y s t e md i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) w a sb e e n b l 。o u g h t b a s e do nt h e s eo b j e c t sb yw e s t e r nc o u n t r y - - g e r m a n y n o w a d a y s ，i th a s b e c o m et i r em o s ti m p o r t a n tc o n t r o lt h e o r yi ni n d u c t i o nm o t o rc o n t r o l s y s t e mj u s t b e c a u s eo i i t sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss i m p l ec o m p u t i n g 1 0 wr e l i a b i l i t yt om o t o r p m a l t l e t c ra n dg o o dd y n a m i ca n ds t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i c s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r a n dc o n v e n t i o n a ls t r a t e g ys u c ha sv e c t o rc o n t r o ls t i l lm a k e s u p t h ei n t e r n a li n d u c t i o n u l o t o rc o n t r o l s y s t e m l b rt h e p r e s e n t n e v e r f l m l e s s ，w i t h t h e a p p l y i n g o fn e w t e c l m o l o g i e s8 l l c ba sf u z z y c o n t r o la n ds e n s o r l e s s t h e r eh a sm u c hm o r ed a t as h o u l db e c a l c u l a t e da n dm u c hi n o r e r e q u i r e m e n t f o r p r e c i s i o n a n dr e a lt i m e ，u n d e rs u c h s i t u a t i o n 、t h e s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r s h o w sm o r ea n dm o r ed e f i c i e n c i e s c o n s e q u e n t l y ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt od e v e l o pan e ws y s t e mw h i c hc o m b i n ean e w e r 【1 1 1 c r o c o m p u t c ra n dd t cs t r a t e g y t h ep a p e ri l l u s t r a t ea l l t i l ec o n t r o lt h e o r i e so fi n d u c t i o nm o t o ri n d e t a i l ，a n d d e s i g n ad t c s y s t e m v i a d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t h es y s t e m u s e t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p c h i pw h i c hi ss p e c i a l i z e di nm o t o rc o n t r o ls y s t e m ，t h ec h i p c o n t a i n s m a n ys p e c i a lm o d u l ef o rm o t o rc o n t r o l ，a n dd e c r e a s em a n yp e r i p h e r a l i n s t c u m e n t st h en e w e s ti n t e l l i g e n tp o w e rm d d u l e ( i p m ) i sb e e nu s e df o r p o w e r i n s t r u m e n t ，i t si n n e rp r o t e c tc i r c u i tr a i s er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mt h eu t i l i z a t i o no f i p ma n dd s pm e r g et h en e w e s t t h e o r y a n di n s t r u m e n t t h eh a r d w a r e s y s t e m i s i n d e e da nu n i v e r s a lo n e ，i tc a nm a k eu pa l lk i n d so f i n d u c t i o nm o t o rc o n t r o ls y s t e mi f c o n f i g u r i n gc o i l e s p o n d i n gs o f t w a r e ，t h es o f t w a r eo ft h es y s t e mi sd e v e l o p e d t t u o u g l l e m b e d d i n ga s s e m b l el a n g u a g ei ncp r o g r a m ，s u c hm e t h o dt a k e st h es y s t e mr e a d a b l e a n d t r a n s p l a n t a b l ec h a r a c t e r s t h e n ，t h ea m h o rn o t o n l ya n a l y z e t h er e s n i t o f e x p e r i m e n t ，b u ta l s o t e s t i f yt h es y s t e mv i as i m u l i n km o d u l eo fm a t l a bs 。f t w a r c j ：r e a l l y 1 h ep a p m 8 u 1 1 3u pt h ei n s u f f i c i e n c yo fw h o l es y s t e ma n dp r e d i c tt 1 1 ed i r e c t 俩螋 o f d t ca sw c l i a l t o g e t h e r ，t h e w h o l ed t cs y s t e mw i t hh a r d w a r ea n d s o f t w a r eh a sb c e n d e s i g n e di n t h e p a p e r a n di t w a sb e e np r o v c l lt h a tt h e s y s t e m in d e e dh a sh i g h e r p l e c i s i o na n db e t t e rd y n a m i ca n ds t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i c k e y w o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r d i r e c tt o r q u e c o n t r o l ( d t c ) 、t o r q u ea d j u s t f i l i x a d j u s t ，p o w e rd r i v e ，s w i t c hm o d ep o w e r s u p p l bd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ! 些三些奎堂堕竺竺些丝塞 第一章绪论 第一章绪论 l 皂动机被广泛应用丁工业、民用的各个领域。这其中，交流i u 动机，特别是 三相异步电动机，由于克服了直流电动机造价偏高、维护困难、寿命短、单机容 量和最高电压受一定限制等缺点，自然成为生产中应用最多的电动机。它被广泛 应用子金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械等设备中。 起初，电动机仪被用来实现超停控制、提供动力，随着现代技术的进步，特 别是电力电子技术、微处理器技术和自动控制理论的发展，控制技术已不再是传 统的“电动机控制”或“电气传动”，而是在此基础上进一步融合r “运动控制” 的概念，运动控制要求精确地实现被控对象的位置控制、速度控制、加速度控制 以及转矩或力的控制。 1 1 交流电动机控制系统的发展历程 1 11 模拟控制系统向数字控制系统的发展 早期的交流电动机控制采用模拟控制。然而，模拟控制系统电路具有很多不 足之处，如功能单、参数离散性大、控制精度不高等。 近年来，交流电动机控制系统向数字化方向发展。数字化是指系统的控制采 用数字技术，主要功能的实现由软件来完成。在交流调速系统中采用全数字控制， 与模拟控制方式相比，具有如下优点：温度漂移小，稳定性好；硬件电路标准， 成本低；电路容易集成化，可以减小控制系统的体积并提高了可靠性；采用数字 式通讯，上级微型计算机能非常灵活地控制系统运行；控制软件灵活，可根据不 同的控制要求采用不同的控制策略，因此对控制的变化具有较强的适应性。 11 2 功率器件的发展 回顾功率器件的发展，从二极管到三极管，实现了从刁：可控到可控的飞跃； 可控晶闸管的诞生使得可控器件开始向大功率方向发展，从此可控晶闸管开始占 据大功率器件市场。但可控晶闸管只能控制导通而不能控制关断的特点，限制了 其在许多领域的发展。特别是在高频领域，要求能高频控制功率变换，从而提高 功率变换装置的效率，碱小体积。双极功率三极管( g t r ) 的出现在一定程度上解决 ，这个问题，随着饱和压降不断降低和频率提高，g r l r 在许多领域得到应用。但 西北j ：、i k 大学硕士生翔论文 第一章绪沦 是由十它的控剐功率夫( 功率放大倍数较低) ，保护设计复杂，器件存在二次击穿等 问题，因而应用无法快速推广。随着功率金属氧化物半导体场效应晶体管 ( m o s f e 。1 1 ) 的诞生和发展，m o s f e t 凭借微功率电压控制特性和高频率特性，迅 速枉中小功率变换领域发挥作用。但其通态电阻与电压限制了它向高电压应用 发展。而这时绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 的发明结合了m o s f f t 的电压控制特性和 g t r 的饱和电压特性，突破了两类器件的限制，开始向大功率领域进军。 近年来带驱动和保护电路的智能功率模块( i p m ) n 继面市，它被称为第三代功 率器件，如三菱公司的1 p m 模块，用户不必考虑器件的具体运行，只需设汁系统 控制部分和最优的结构。新型i p m 模块甚至将开关电源也设计在模块内，更加方 便刚，! 使用。这也是初期人们喜欢1 p m 模块的主要原因。同时，器件制造商在提 高器件的技术水平的同时，也在努力推出更系统化的模块，如包括整流、逆变、 驱动、保护和系统控制，甚至滤波、开关电源等的模块。用户只需要了解接口电 路和定义，很快可以组成运行系统。 智能功率器件i p m 具有体积小、重量轻、性能好、抗干扰能力强、使用寿命 长等显著优点，是目前电动机数字控制领域的发展方向。 11 3 控制策略的发展 如前所述。早期的交流电动机控制系统主要实现对速度的控制，即为交流调 速系统。交流调速系统的发展大致经历了| 如下几个阶段： 【1 ) 变极调速 变极调速通过变换异步电动机绕组极数以改变同步转速实现调速，该方法控 制的结果是异步电动机的转速阶跃变化，而非连续变化。 ( 2 ) 串级调速 在异步电动机的转子侧接一个二极管或晶闸管整流桥，将转差频率交流电变 为直流电，再用直流电动机旋转变流机组或电子逆变器将转差功率变为机械能加 p 3 , * j j 用，或使其返回电源以进行调速的一种方式。该方法曾在风机、泵机中广泛 采用。 ( 3 ) 调压调速 ： i _ 晶闸管反并联连接，通过调整晶闸管的触发角，改变异步电动机端电匪以 进行调迷的系统称为调压调速。这种方法在调速过程中的转差功率损耗在转子里 西北工、大学硕士生毕业沧文第一章绪论 或外接电阻_ i ，因此效率较低， ( 4 ) 电磁调速 该方法通过在异步电动机和负载之间串接电磁耦合器，调节电磁耦合器的励 磁，改变转差率进行调速。这种调速系统结构简单、价格便宜，但在调速过程巾 转差能量损耗在耦台器上，效率低，仅适用于调速性能要求不高的小容量传动控 制场合。 ( 5 ) 变频调速 改变异步电动机的供电频率，可以改变电动机的转速。为了不使电动机磁饱 和或欠励磁，改变供电频率的同时必须啡调地改变电动机的供电电压，即同时实 现变压变频( v v v f ) 。传统的变频凋速系统分为转速开环、恒压频比和转速闭环、 转差频率控制的变频调速系统等。这些变频调速系统基本上解决了异步电动机平 滑调速的问题。尤其是转差频率转速闭环控制系统，基本具备了直流电动机双闭 环控制系统的很多优点，是一个比较优越的控制策略。 ( 6 ) 矢量控制系统 传统的变频调速系统虽然已经能够满足许多工业应用场合的控制要求，但其 系统控制的规律是从异步电动机稳态等效电路和稳态转矩公式出发导出的稳态值 控制，因而还是比曹流调速系统略逊一筹 从2 0 世纪6 0 年代起，微处理器、大规模集成电路等微电子技术飞速发展， 同时快速的电力半导体变流装置的研制工作也进展迅速。在这些坚实的物质基础 f ，2 0 世纪7 0 年代，德国西门子公司的f b l a s c h k e 等提出“感应电动机磁场定向 的控制原理”| = ，同时美国学者也提出类似理论。 矢量控制原理的基本出发点是：考虑到异步电动机是一个多变量、强耦合、 非线性的时变系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通 这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之问的变换， 则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分 别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从 而可以像直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制。 ( 7 ) 直接转矩控制4 斑接转矩控制( d 1 c ) 理论是2 0 世纪8 0 年代中期由德国的d c p h e n b r o c k 教 西北 - ：业犬学硕士牛毕业论文 第章绪论 授和日本学者i t a k a h a s h i 相继提出的。彳：同十矢量控制理论，直接转矩控制摒弃 了解椭的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测定子电压和电流，借助瞬 时空问矢量理论计算电动机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现 磁链和转矩的直接控制。 直接转矩控制技术直接在定予坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用 定子磁场定向，借助于离散的两点式调节器产生开关信号，直接对逆变器的开关 状态进行控制，以获得高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型 的简化处理，没有通常的p w m 发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制 手段直接，信号处理的物理概念明确，是听十具有高静动态性能的交流调速方法。 1 14 控制元件的发展 交流电动机数字控制系统的发展是伴随着微电子技术和数字式控制处理芯片 的发展而发展起来的。 在过去的几十年里，单片机的广泛应用实现了简单的智能控制功能。随着信 息化的进程和计算机科学与技术、信号处理理论与方法等的迅速发展，需要处理 的数据量越来越大，对实时陛和精度的要求越来越高，低档单片机已不再能满足 要求。单片机作为控制元件的控制系统虽然目前仍然占据着电动机控制系统的主 导地位，然而随着对控制要求的不断提高和新的控制策略的产生，单片机作为控 制元件也显得越来越力不从心，主要表现在：( i ) 模拟量离散化时受分辨率的限制 会产生量化误差，从而降低了实际信号的复现性，影响了控制精度阻 ；( 2 ) 微处理 器的处理速度有限，导致了系统的采样周期不能很小，对控制系统的实时性有一 定的限制，所以控制系统的响应速度受采样周期的影响可能变差，严重时系统会 出现不稳定；( 3 ) 交流调速伺服系统的数字化程度和性能受微处理器胜能的制约， 如果要求高性能、高精度和快速响应，则会使系统价格比较贵。 数字信号处理器芯h u d s p 的产生，在很大程度上弥补了单片机作为控制核心 所表现出来的不足。随着d s p 技术的发展和控制要求的提高，越来越多的工业控 制产品的设计采用了d s p 芯片。d s p 是一种高速专用微处理器，它既具有传统微处 理器自成系统的特点，又具有优于通用微处理器对数字信号处理的运算能力。d s p 为完成信号的实时处理，采用了改进的哈佛结构：程序和数据存储器相隔离，双 独立总线，在确保运算速度的前提f ，还提供程序总线和数据总线之间的总线数 4 阿北1 ：业大学硕士生毕业论文第一章绪论 据交换器，以实现冯诺依曼结构的一些功能，提高了系统的灵活性、d s l l 中专门 设置了乘法累加器结构，从硬件上实现了乘法器和累加器的并行工作，可在单指 令周期内完成一次乘法并将乘积求和的运算。利用d s p f i 口高速计算能力可以增加 采样速度和完成复杂的信号处理和控制算法，k a l m a n 滤波、自适应控制矢量控制、 状态观测器等复杂算法利用d s p 芯片都可以方便地实现【，j 。 目前，多家公司都推出了专门用于电动机控制的d s p 。这一高度集成化的器 件代表了传统微处理器及通用d s p 处理器方案的重大突破，使电动机驱动及调迷 控制更为简单易行。与其它方案相比，它还提供了更好的电动机性能、更低的能 耗、更高的可靠性及静音运行。此类专用芯片具有很强的实时运算能力，并集成 了电动机控制所需的外围接口，使设计者只需外加较少的硬件即可实现电动机控 制系统，从而降低系统费用，提高了性价比。d s p 芯片已经在交流电动机传动系 统中越来越多地展示出其卓越的性能。 1 2 直接转矩控制的发展现状 经过近2 0 年的发展，直接转矩控制理论已经日趋成熟，直接转矩控制的理论 和应用现状体现在以下几个方面： ( 1 ) 磁链调节和转矩调节的细化l 驯 直接转矩控制根据磁链调节器和转矩调节器的输出选取空问电压矢量，不同 的电压矢量对磁链、转矩有不同的作用。传统的直接转矩控制磁链调节器、转矩 悯节器均为单滞环控制，即只有一个容差。国内有学者提出双滞环调节器理论| 8 1 ， 即每个滞环有两个容差，磁链、转矩偏差情况被细化，可据此选取相应的电压矢 量：偏差越细化，电压矢量的作用越精确，这样，不仅改善了直接转矩控制系统 的动静态特性，也减小了磁链、转矩的脉动。 ( 2 ) 智能开关状态选择器的研究 磁链调节和转矩调节由容差决定，容差本身是一个难于控制的模糊量。有学 者提出模糊开关状态选择器的概念，选择器的输入为转矩误差、磁链误差和磁通 角的模糊量。模糊开关状态选择器在转矩误差域上定义了五个模糊子集了：n l 、 n s 、z 、p s 和i r 一；在磁链误差域上定k t 2 2 个模糊子集：n 、z 和p 。该选择器的 应用! 哿使系统响应迷度加快、系统超调量减小、抗扰动能力增强。 ( 孙低速性能的改善 西北工q k 大学硕士4 毕业沦文 第一章绪论 传统的直接转矩控制系统中，磁链的计算要用到定子电阻r s ，在中高速叫， 如果忽略r 。，对计算结果影响不大，系统仍具有很高的控制精度。但在低速时， 定子电阻上的压降分量比重很大，忽略凡或认为它是常数将使所计算的磁链幅值、 相值偏差很大。为了解决此问题，s a y c e dm i r 等人提出分别采肘漠) 湖控n , t i p 控制 对定子电阻进行观测归】，我国也有学者提出模糊神经网络定子电阻估计的方法 i o i i i | i ( 4 ) 无速度传感器理论 在速度检测方面，传统的控制系统要求有速度传感器，存在成本高、安装维护 困难、系统易受干扰、可靠性降低、不适于恶劣环境等弊端。采用无速度传感器 技术是当今交流传动发展的趋势。aa b b o n d a t i 等人首次报道了无速度传感器矢量 控制的异步电动机调速系统；to n t a m 首次提山了理论意义上的转速辩识方法； 1 9 8 7 年，t a m a is h i n z o 采用模型参考自适应( m a r s ) 的方法实现了对l 乜动机转 速的自适应辩识。后来，k u b o t ah i s a o ，m a t s u s ek o u k i 又在电动机全阶观测器的 基础上分j ；0 采用李亚普诺夫理论和波波夫理论推导出了电动机转速以及电动机定 转子电阻的磁链观测器，我国也有这方面的论文发表p a l 1 5 1 。上述方法均是 针对矢量控制系统设计的，采用的状态变量是定予电流和转子磁链。目前，我国 学者胡育文等也在其文章中”提出r 新型自适应速度观测器的理沦。直接将闭环 观测器观测的定子磁链应用于直接转矩控制系统中，同时能够辩识出电动机的转 速及电动机参数。 ( 5 ) 应用现状 直接转矩控制一经问世就倍受关注，得到各国学者的深入研究，直接转矩控 制系统在理论上已日趋成熟，并已有了成功应用，如在大功率交直交传动领域， 德网r u h r 火学和a b b 公司合作，成功地将该控制技术应用二于二电力牵引系统中。 经过a b b 公司的后续开发，已经成功地应用于干线内燃和电力机车，如奥地利联 邦铁路的1 8 2 2 和瑞士联邦铁路的4 6 0 电力机车1 ：t 如。 1 3 国内外的研究现状及问题 日前，国外的交流电动机控制系统发展相当迅速，直接转矩控制系统在理论 及应用上已渐趋成熟，研究方向已从系统实现及局部性能的改善转向系统整体性 能的最优，神经网络、模判控制等一世新技术j f 被应用其中。 6 西北丁业火学硕士，j 二毕业论文 第一章绪f 2 - 与发达国家相比，我国的交流电动机控制技术起步较晚，技术j ：u x , t 落后。随 着工业化的不断发展，对交流电动机控制的要求也越来越高。国内目前也有很多 学者在研究直接转；c 叵控制系统，然而大部分学者是在对理论进行研究的同刚，只 是利f 1 日m a t a b x , 系统进行仿真。随着高一i l 自g 微处理器d s p 的发展及其在国内的逐步 推广，开发出一套融合先进微处理器d s p 与先进的直接转矩控制理论的交流电动 机控制应用系统，将对对国民经济的发展有着重要的意义。 1 4 本论文的研究内容 本论文结合国内在直接转矩控制系统领域理论研究多、系统实现少的发展现 状，将侧重点放在系统的基本实现上，开发设计出一套能够实现直接转矩控制理 论的完整的软硬件系统，并利用m a t l a b 软件对实验结果进行验证，对高性能交流 电动机控制系统在我国的开发应用进行了一些微薄的探索。 本文的主要内容如下： 筇章在参考浏览大量文献资料的基础上，对交流电动机控制系统在控制策 略、控制元件、功率驱动方面的发展历程进行了简单叙述，对论文开展的意义进 行了闸述，提出交流电动机的直接转矩控制理论。 第：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。 第三章介绍了所设计的直接转矩控制系统的硬件部分，包括主电路扳和控制 电路板。主电路板实现控制电压的直流一交流的变换过程，其核心器件采用智能功 率模块p m 2 0 c t m 0 6 0 ，开关电源部分采用u c 3 8 4 2 控制芯片来实现。控制电路板是 直接转矩控制理沦的物理载体，它利用电动机控制专用高性能芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 来实现。 第四章对系统的软件部分做了介绍。由于该设计采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为微 处理器，因此软件设计即是针对该芯片、采t g c 语言中嵌入汇编语句的方法实现的。 第五章在对系统软硬件系统单独调试的基础上，对系统联合调试的实验结果 进行r 分析和讨论，对论文所开发的系统进行概括和评价。为了对实验结果进行 验证，还利用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 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创建其仿真原理图，最终予以封装。对仿真结 果进行分析，对赢接转矩控制系统进行简单评价。 生堕生型! 叁三堕! ：竺坐：坐堡茎 箜= ：至重：些墼! 型皇型! ! 堡 第二章直接转矩控制理论 2 1 概述 直接转矩控制出现以前，矢量控制氏期占据着异步电动机控制的主导地位。矢 量控制技术模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现 r 对交流电动机的转速和磁链控制的完全解耦”j 。然i i f ，由于系统特性受电动机 参数的影响较大，以及在模拟直流电动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19 8 5 年由德国学者md e p e n b r o c k 首次提出的，随后日 本学者i t a k a h a s h i 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予坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动 机的磁链和转矩，计算过程简单。 ( ! ) 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，通过定于电阻叫可观测。而矢 量控制磁场定向所用的转子磁链的观测需要知道电动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。 【二) 直接转矩控制采用空问矢量的概念来分析异步电动机的数学模型和控制 其各物理量，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概念 2 2 1 逆变器原理 直接转矩控制技术采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节器产生开关 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。 逆变器由六个开关组成，它的简图如图2 - 1 ( a ) 所示。由于逆变器的上下桥臂同 时导通时电源短路，因此对应于三组开关共有2 3 = 8 种有效组合，论文中定义s 。= 1 代表a 相上桥臂导通、下桥臂关断，s 。= o 代表a 相上桥臂关断、下桥臂导通的 状态，其余两相定义方法相同。、与开关信号的八种组合对应的是电压分量 第学阿接转矩控制理沦 u 。、u 。、u ：的八种组合”“，如图2 - l f b ) 所示，其数学表达式为式( 2 - - ) 。直接转 矩控制正是根据磁链、转矩的不同要求来产生开关信号，控制逆变器的功率开关， 输出相应的相电压给异步 乜机，以达到我们的控制要求。 lu 。= e ( 2 s 。一sb s 。) 3 ub = e ( 2 sb s 。一s 。) 3( 2 一1 ) 。= e ( 2 s 。一s 。一sb ) 3 一e 2 j e 了 0 1 10 0 11 0 11 0 0”00 1 0 125456 l a ) 逆变器简图 l b ) 逆变器输出与对应相电压波形1 2 1 图2 - 1 逆变器筒图及对应输出电压波形 2 2 2 空间电压矢量的概念 定义电压矢量： u ；( t ) = a u 。( t ) 十ub ( t ) e ”2 ”+ u 。( t ) c 1 2 4 ”( 2 一! ) j 电压分量u 。、u 。、u 。的八种组合可以对应计算得到八种电压矢量u 。将这八种 电压矢量画在一个矢量图中，则形成八个离散的空间矢量，其中6 个1 二作电压矢 量的顶点构成一个正六边形的顶点i ” ，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 翔、司电压矢量 9 2 3 直接转矩控制的基本原理 直接转矩控制的磁链轨迹有两种：德国d e p h e n b r o c k 教授提出的六边形轨迹 和日本学者提出的近似圆形轨迹。如图2 - 3 所示。 u i ( a ) 六边形磁链轨迹( b ) 近似圆形磁链轨迹 囤2 - 3 六边形和近似圆形磁链轨迹 近似圆形磁链轨迹要求六个非零电压矢量不停切换，以达到磁链轨迹近似圆 形的目的。而六边形轨迹将3 6 0 。平面划分为一个正六边形，其中六个对角线代表 六个非零电压矢量，六条边代表磁链运动轨迹，六边形轨迹要求控制过程在每 6 0 。范围内只需作用一个电压矢量。对二二者进行比较：近似圆形方案开关频率高， 转矩脉动、电动机损耗和噪声较小，应用于中小功率的场合。六边形方案相当于 六边梯形波逆变器供电，功率器件开关频率低，适用于大功率的场合。本文将以 六边形轨迹进行论述。 直接转矩控制理论的原理如图2 4 所示。 amm uctv f c s s 图2 - 4 直接转矩控n , g , , n n 2 1 0 筇二章卉按转矩控制理论 直接转矩控制的简单工作过程为： ( 1 ) l 包动机定子电压u 。、定子电流i ；作为整个系统的输入量作用于电动机数 学模型a m m ，a m m 的输出是定r 磁链分量、 ov 它们经两相三 n 坐标变 换湖p “、i ，。后输入至磁链区域判断单元f c ，计算出当前定子磁链所在区域； ( 2 ) 磁链幅值构成单元a m a 计算得出磁链幅值、| ，该值与系统磁链给定值 。一起输入至磁链调节器a 1 t r r ，a f j r 输出磁链调节开关信号v q ； ( 3 ) a m m 计算出的转矩t t 、系统转矩给定值r 。以及转矩调节器容差l ， 1 同作为转矩调节器a t r 的输入信号，a t r 经计算输出转矩开关信号t q 和p n ； ( 4 ) 磁链区域n 、磁链调节开关信号w q 、转矩开关信号t q 和p n 、零状态 选择单元a z s 的输出信号共同作为开关信号选择单元a s s 的输入，经判断比较后 得出电压开关信号s 。、sb 、s 。； f 5 ) 电压开关信号s 。、sh 、s 。作用于逆变器的六个开关，由此产生三相电压， 作用丁电动机。 下面对构成直接转矩控制的各个单元及其作用过程进行分别论述。 131 异步电动机数学模型a m m 【i “ a m m 包括磁链模型和转矩模型，其功能是根据系统检测到的定子电压1 1 。、 定于电流i ，利用电动机自身的参数，分别计算出定子磁链分量、 ，。、以及电磁 转矩t ，。 定予磁链、| ，。的观测通常利用u - i 模型来完成，即利用电动机的定子电流和定 子电压来计算。 该模型的数学表达式为： v 。( t ) = i ( u 。( t ) 、( t ) r ；) d t( 2 - 3 ) 按磁链分量形j 弋表达，则为： 、t ) = 如。( t ) 一i ；。( t ) r ；) d t 、| ，b ( t ) = j ( u ；口( c ) 一i 。n ( t ) r ：) t i t f 2 4 ) ( 2 - 5 ) 该模型中只用到一个电动机参数定子电阻r 。，r 。非常容易确定。模型中 用到的u ；( t ) ，i 。( t ) 同样容易精确地检测得到，因此，该模型具有简单实用的特点。 电动机高速运转时，r ；随温度的变化并不显著，然而这种变化在低速时变得 第一章“棱转斯控制珲沦 非常显著，此时利用l i i 模型计算定子磁链将带来很大误差。低速时一般采用i - n 模型来计算定子磁链。 a m m 单元的功能除j 定子磁链汁笄外，还包括电磁转矩t ，的计算： 1 t ：= 三( 、，o 一、l ，i 。) 【2 - 6 232 坐标变换器u c 1 1 坐标变换器u c i 的功能是将a m m 计算出定子磁链的两相分量v 。、u ，。变换 至三棚坐标下，得到i 相分量、。、。、i ，。，提供给幅值汁算单元和磁链区域判 断单元。，该两n 三相坐标变换基于下式实现： v a 卜 f 帆 0 3 一i 一 一 一j 一 2 一；j 一引 ，“b 。、 v 一 二33 磁链区域判断0 - 元w f c 磁链区域判断单元的目的是确定磁链所处扇区，扇区定义如图2 5 中s 1 s 6 晰永。 d o k 。：。 图2 - 5 磁链所在区域 为判断磁链所在扇区，首先定义如下函数： ：1 叭 0 1 0、pk 0 其中k - a ，b ，c 。 【2 - 8 ) 定义 n = 4 m 。- 2 mb + 1 i l 。 ( 2 9 ) 1 8 按照罔2 - 5 中的扇区位置，定子磁链所在扇区与n 有如表2 - l 所示对应关系成立 袁2 一ln 与磁链扇区的对应关系 _ _n462315 l 磁链区域 s 1s 2s 3s 4s 5s 6 234 磁链幅值构成单元a m a 在直接转矩控制中，需要对不断减小的磁链幅值进行调节，为使其被限制在 一定的波动范围内，首先要求检测出当前磁链幅值。 对于六边形磁链，磁链分量、h 、，。对称： 、y 。( t ) + i l ，h ( t ) + v 。( t ) = 0( 2 一【0 ) 所以定子磁链的幅值为： 阻= o 5 ( 。q 吲+ 阿。i ) ( 2 1 1 ) 235 磁链凋节器a r 电机运转过程中，由于定子电阻压降等因素的影响，定子磁链将会不断减小， 因此要求不断“校正”定子磁链到一个指定的变化范围内。为了避免定产磁链幅 值减小到容差以外，引入磁链调节闭环，由磁链调节器给出一个定子电压空间矢 量，加大定子磁链幅值，这就是磁链调节器a r 所需完成的工作。 磁链的调节过程是通过磁链电压来完成的。所谓磁链电压是指这样一个定子 电压空间矢量，它的主要作用是根据磁链调节器的作用，在需要时被开启用以增 加磁链幅值。根据异步电机的数学模型，在式( 2 3 ) 中，若忽略定子电阻r 。，则： v 。( t ) 2j “，( t ) d t( 2 一1 2 ) 从式( 2 1 2 ) 可以看出：定子磁链矢量、l ，。与定子电压空问矢量u ；之间为近似 积分关系，并可由此得出定子磁链运动方向与空间电压矢量作用方向一致的结 论u 据此，定于磁链任一位置时能够增大磁链幅值的电压矢量有两个，分别是与 磁链运动轨迹成一6 0 。和一1 2 0 。的电压矢量。本论文选用与磁链运动轨迹成1 2 0 。的 电压作为磁链电压。 a t p r 的工作要求预先给定一个容差宽度e 。它是定子磁链幅值对于给 定值、v ! 所允许的波动宽度n 磁链凋节器的结构实际i ：也是施密特触发器，对磁链 幅值进行两点式调节，如图2 - 6 所示。 图2 - 6 磁链曲点式渊节器 2 36 转矩调节器a t r 转矩调节的任务是对转矩进行直接控制，直接转矩控制即由此得名。转矩调 节器a t r 的功能有两个：( 1 ) 用转矩两点式调节器直接调节转矩；( 2 ) 用p a n 调 节器，在调节转矩的同时，控制定子磁键的旋转方向，以加强转矩的凋节。 2 36l 转矩电压的作用原理 电动机数学模型部分已经论述过，电磁转矩可由式( 2 6 ) 计算得到。该公式还 可以表达为定子磁链与转：产磁链的差积形式，即为： 1 t ，= ；阻。m i s i n o ( 2 1 3 ) 1 。o 式中：l 。：电动机的漏电感； 、p ：定子磁链； ：转子磁链； 由上式可以看出，电磁转矩与定子磁链幅值、转子磁链幅值以及它们之问的 夹角有关。实际运行中，保持定予磁链i 嚼随为额定值，以充分利用电动机铁心； 转子磁链幅值由负载决定，因此，转矩的改变只能通过改变磁通角e ( f ) 来实现。直 接转矩控制中是通过施加或去除一个空间电压矢量，控制磁链走走停停，以改变 定子磁链的平均旋转速度面。的大小，从而改变磁通角0 的大小，以达到控制电动 机转矩的目的，该空间电压矢量称为转矩电压。 施加或去除转矩电压控制转矩的过程如图2 7 所示。 t 、时刻，定子磁链、；，l i ( t - ) 、转子磁链、p ，( t 2 ) 以及磁通角e ( t 1 ) 如图示位置，此时 施加转矩电压1 1 0 ，则定子磁链由v 。( t 1 ) 运动至图中、h ( t 2 ) 位置。同时，根据异步 笫二章直接转矩控制理i 也动机的数学模型，有公式 r 。i ，一、j ，4 - j 、i ，= 0( 2 - 1 4 ) 成白：，可以看出，转子磁链不直接跟随超前于它的定子磁链。转子磁链的位置实 际上受该期间定子频率的平均值面。的影响。因此在t 。到t ：的时间段内，定子磁 链的旋转速度大于转子磁链的旋转速度，磁通角e 【t 】增大，按照电磁转矩公式， 电磁转矩增大。 1 1 ( i 卿弘 i o ) i n ) 、 图2 - 7 转矩电压的作用过程 1 2 时刻，转矩电压停止作用，零电压空间矢量开始作用，则定子磁链v ，( t 2 ) 保持硝：该位置不变，而此时转子磁链空问矢量v ，( t 2 ) 却仍以面。的速度运动，因此 e ( t ) 减小，转矩减小。 23 62 转矩两点式调节器 类似于磁链两点式调节器，转矩两点式调节器也由一个施密特触发器构成， 如图2 - 8 。施密特触发器的输入为转矩实际值t f 和转矩给定值l ，调节器的容差 是e ”输出为转矩开关信号t q ，t q 的取值它决定着转矩电压的开启与关闭。 图2 - 8 转矩式两点式调节器 2