（通信与信息系统专业论文）基于dsp的直接转矩控制系统研究.pdf

摘要 直接转矩控制( d t c ) 是一种转矩响应快的高性能的交流调速方 法，具有结构简单、动静态性能良好等优点。而随着电力电子技术、 专用芯片以及控制理论的发展，应用先进的控制算法，开发全数字化 的运动控制系统已成为新一代运动控制系统设计发展方向。t i 公司 2 0 0 0 系列d s p 集成了大量的片上存储器和专用的运动控制外设电 路，已经被广泛的应用于各种电机的运动控制系统中。 论文对传统的直接转矩控制方法进行了研究，归纳了直接转矩控 制系统的特点。从模块化角度分析了直接转矩控制系统的原理，详细 阐述了磁链与转矩的计算、磁链与转矩滞环控制、p w m 产生与控制 等直接转矩控制的基础理论。 针对无速度传感器d t c 系统，论文使用常规电流误差方程构建 可调模型，采用模型参考自适应的方法，搭建了全速范围内基于电流 误差方程的速度辨识模型。并对仿真结果进行了分析和总结，仿真结 果验证速度辨识方案的有效性。 最后，论文选择三相异步电机为控制对象，以高速t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 控制芯片和智能功率模块i p m 为主体器件构建了直接转矩控制 实验平台，进行实验研究。论文详细介绍了硬件控制电路的实现，和 与之对应的控制系统的软件的编写方法，实现了直接转矩控制系统的 全数字化控制。 关键词三相异步电机，直接转矩控制( d t c ) ，数字信号处理器 ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) ，速度辨识， a bs t r a c t d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) t e c h n o l o g yi sah i g h p e r f o r m a n c e a d j u s t a b l e s p e e dm e t h o dw i t h f a s tt o r q u er e s p o n s e ，w h i c hh a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r ea n de x c e l l e n td y n a m i ca n ds t a t i c p e r f o r m a n c ee t c w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s s p e c i f i c i n t e g r a t e dc h i p sa n dc o n t r o lt h e o r y , a p p l y i n gn e wm o t i o n c o n t r o l a l g o r i t h m a n d d e v e l o p i n g f u l l d i g i t a l c o n t r o l s y s t e m h a v eb e c o m e m a i n s t r e a mr e s e a r c h t i2 0 0 0s e r i e s d s p , w h i c hi n t e g r a t e sn u m e r o u s o n c h i p p e dm e m o r i e sa n dp e r i p h e r a lc i r c u i t su s e df o rm o t i o nc o n t r o l ，h a s b e e nw i d e l yu s e di nm o t i o nc o n t r o l i n d u s t r y a f t e rt h ea n a l y s i so ft r a d i t i o n a ld t c ，t h i sp a p e rc o n c l u d e s c h a r a c t e r so fd i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 a l s ot h i st h e s i se x p a t i a t e sm a n yb a s i c c o n c e p t i o no fd t ci nd e t a i l w h i c hi n c l u d et h ec a l c u l a t i o no ff l u xa n d t o r q u e 、h y s t e r e s i sc o n t r o lo f f l u xa n dt o r q u e 、p w mg e n e r a t i o na n dp w m c o n t r 0 1 a c c o r d i n gt os e n s o r - l e s sd i r e c tt o r q u e c o n t r o ls y s t e m ，t h i sp a p e r c o n s t r u c t st h ea d j u s t a b l em o d e lb yu s e i n gt h ec o n v e n t i o n a lc u r r e n t d if f e r e n c e t h es p e e di d e n t i f i c a t i o ns c h e m eb a s e do nm o d e lf o r w h o l e s p e e dr a n g e i s a d o p t e d w i t ht h em e t h o do fm o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v es y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l ti sa n a l y z e da n ds u m m a r i z e d ， w h i c hs h o w st h a tt h es p e e di d e n t i f i c a t i o ns c h e m ei sv a l i d f i n a l l y , t h i st h e s i ss e l e c t st h r e e p h a s ei n d u c t i o nm o t o ra so b j e c to f c o n t r 0 1 t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mi s c o n s t r u c t e df o re x p e r i m e n ts t u d i e s ，w h i c hi sb a s e do nh i g h s p e e dd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t m $ 3 2 0 f 2 8l2d s pa st h ec o n t r o l l e ra n d i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m )a st h em a i nd e v i c e s t h i st h e s i s e x p l a i n st h er e a l i z a t i o no fh a r d w a r ec o n t r o lc i r c u i ti nd e t a i la n dt h e c o r r e s p o n d i n g c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ec o m p i l i n gm e t h o d t h ef u l ld i g i t a l c o n t r o lo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mw a se s t a b l i s h e d k e yw o 剐d s t h r e e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o r , d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( t m s 3 2 0 f 2 8 12 ) ，s p e e de s t i m a t o r i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：驾l 年月日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 0 。 1 | l 矽f t , y日期：掣年月阜日 硕j ：学位论文第一章绪论 第一章绪论 现代社会中，不论在工农业生产、国防、科技还是在同常生活等各个方面， 都广泛应用着电动机作为主要的动力设备。根据采用的电流制式不同，电动机分 为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机形式多样、用途各异、拥有 量最多。交流电动机又分为同步电动机和异步( 感应) 电动机两大类。 在实际应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生 产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高 产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术 一直是研究的热点。 1 1 交流调速技术的发展与现状 由于最早得到广泛应用的电能是直流电，所以直流传动是最早的电气传动方 式，从2 0 世纪3 0 年代开始，直流调速系统就得到了广泛应用。直流电机具有良 好的转矩控制性能，只要改变电枢电流就能简便而线性地、无时间滞后地控制转 矩。所以长期以来，凡是要求调速范围广、速度控制精度高和动态响应性能好的 场合，几乎全都采用直流电动机调速系统。1 9 世纪9 0 年代以后，出现了交流电， 解决了三相交流电的输送和分配问题，制造了经济适用的鼠笼式异步电动机，交 流电气传动在工业中逐步得到了广泛应用。 近十几年来，科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极为有利的 技术条件和物质基础。交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一 样，而且成本和维护费用比直流电动机系统更低，可靠性更高。现在，随着电力 电子技术、数字控制技术和控制策略的发展及应用，交流调速传动系统的应用越 来越广泛。 1 、电力电子技术的发展 电力电子技术的蓬勃发展和器件的迅速换代为交流调速技术的迅速发展提 供了物质基础。迄今为止，电力电子器的发展经历了分立换流关断器件、自关断 器件、功率集成电路p i c 、智能模块i p m 四个阶段。2 0 世纪8 0 年代中期以前， 变频装置功率回路主要采用晶闸管元件，装置的效率、可靠性、成本、体积均无 法与同容量的直流调速装置相比。2 0 世纪8 0 年代中期以后，用第二代电力电子 器件g t r 、g t o ( s a t et u r no f ft h r u s t e r ) 、v d m o s i g b t ( v e r t i c a ld o u b l e d i f f u s e d m o s f e t - - i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 等创造的变频装置在性能与价格比 上可以与直流调速装置相媲美。随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块 化方向继续发展，第二代电力电子器件是2 0 世纪9 0 年代制造变频器的主流产品， 硕i j 学位论文第一章绪论 中、小功率的变频调速装置主要是采用i g b t ，中、大功率的变频调速装置采用 g t o 器件。2 0 世纪9 0 年代至今，电力电子器件的发展进入了第四代，主要器件 有高压i g b t 、i g c t 、i e g t 、s g c t 。第四代电力电子器件模块化更为成熟，如 智能化模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) ，专用功率器件模块a s p m 等。一代 电力电子器件带来一代变频调速装置，性价比一代高过一代1 2 。 2 、数字控制技术的发展 数字控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为交流调速技术的 发展提供了重要的技术保证。交流调速从开始应用时起经过了十几年，其控制器 ( 或系统的控制回路) 多由模拟电子电路组成。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。单片机作为控制元件的控制系统虽然目前仍 然占据着电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1 3 3 。 为了提高运算速度，在2 0 世纪8 0 年代初期出现了数字信号处理器( d s p ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，其中采取了一系列措施，包括集成硬件乘法器、提高 时钟频率、支持浮点运算等，以提高运算速度。d s p 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，改善了电机控制的实时性和运算精度。为了在广 阔的电机控制市场抢占份额，各大d s p 生产厂商纷纷推出专门用于电机控制的 d s p 。 同时，电机控制技术的发展也是多样化、复杂化的，随着对电机控制电路的 要求不断提高，用户自己开发电机专用的控制芯片显得非常必要。c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 是一种很好的解决方案。作为开发器件，c p l d 或f p g a 具有用户可编 程的特性。利用c p l d 或f p g a ，工程师可以在实验室中设计出专用的电机控制 集成电路，从而大大缩短了产品开发、上市的时间，降低了开发成本。一片c p l d 或f p g a 就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电 路。 3 、控制策略的发展 随着电力电子技术及数字控制技术的发展，交流调速系统的控制策略也得到 了发展。目前实用的交流调速系统的控制策略，主要有以下几种】： ( 1 ) v _ ，f 控制 v f 控制是交流电机最简单的一种控制方法，通过在控制过程中始终保持 v f 为常数，来保证定子磁链的恒定。然而控制是一种开环控制，速度动态 特性很差，电机转矩利用率低，控制参数还需要根据负载的不同来做相应的调整， 特别是低速时由于定子电阻和逆变器电力电子器件开关延时的存在，系统可能会 2 硕一 ：学位论文第一章绪论 发生不稳定现象。 ( 2 ) 矢量控制 交流电动机是多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状态重 构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之 问的解耦，实现了对交流电动机的控制等效为直流电动机的控制，使交流调速系 统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调速成为 可能。目前对调速性能要求较高的生产工艺已较多的采用了矢量控制型的变频调 速装置。但矢量控制计算量较大，控制系统复杂，需要对磁场精确定向，且性能 受转子参数变化影响较大。 ( 3 ) 直接转矩控制 直接转矩控制的变频调速技术简称为d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) ，是继矢 量控制变频调速技术之后发展的新型高效变频调速技术。1 9 8 5 年德国鲁尔大学 m d e p e n b r o c k 教授首先提出直接转矩控制的理论，它不考虑如何使定子电流解 耦，而是直接着眼于对电磁转矩的直接控制。它采用空间矢量的方法，在定子坐 标系下计算和控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散两点式调节 ( b a n g b a n g 控制) 产生p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳选择， 以获得转矩的高动态性能控制。它省去了复杂的矢量变换，没有通常的p w m 调 制器。在很大程度上解决了矢量控制中运算、控制复杂，特性易受交流电动机参 数变化影响的缺点。 直接转矩控制技术自诞生之日起就以其独特新颖的控制思想，直接明了的系 统结构，优良的静态、动态特性受到了普遍重视，并得到了迅速的发展。目前该 技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 1 2 直接转矩控制的特点及其研究现状 l 、直接转矩控制的特点 直接转矩控制技术自1 9 8 5 年提出并且于1 9 8 7 年推广到弱磁调速范围，近二 十年来，各国科研工作者和工程技术人员从不同的角度对其进行了不同程度地改 进，各方面性能都在不断提高，并已经进入实用阶段。 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动机的数学模型、控制 电动机的磁链和转矩，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。 3 硕l j 学位论文第一章绪论 ( 3 ) 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 、直接转矩控制的研究现状 ( 1 ) 现代控制理论应用 现代控制理论中各种控制方案的应用使得系统的动态性能和鲁棒性得以提 高。随着功能强大的数字处理芯片( d s p ) 的推出，许多以前无法实时实现的算 法都可以应用到实时控制系统中。例如最近研究十分活跃的非线性控制、模糊控 制、神经网络控制、模糊神经网络控制等。这些控制策略运用到直接转矩控制理 论中，将使得一些由于自身无法克服的诸如转矩脉动等弊端，逐渐被先进的控制 技术所弥补。 ( 2 ) 全数字化控制 直接转矩控制对处理的实时性、快速性要求很高，在结构上特别适合于全数 字化。d s p 正是能满足这种需求的芯片，它具有高速信号处理和数字控制功能， 同时便于故障监视、诊断和保护，既确保了系统的高速响应性，又增强了系统可 靠性。 ( 3 ) 无速度传感器控制系统 在现代交流传动系统中，为了达到高精度的速度闭环控制，速度传感器的安 装是必不可缺的。但是速度传感器的安装不仅增加了系统的成本，降低了系统的 稳定性和可靠性，而在有些恶劣应用场合，传感器的安装和维护都非常不便，因 此无速度传感器技术的研究成为当今各国学者研究的热门方向。无速度传感器技 术是利用检测到的电机电压、电流和电机的数学模型推测出电机转速的技术，具 有不改造电机、省去昂贵的机械传感器、降低维护费用和不怕粉尘和高温高湿等 恶劣环境影响的优点。 ( 4 ) 低速性能的改善 传统的直接转矩控制系统中，磁链的计算要用到定子电阻飚，在中高速时， 如果忽略飚，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，忽略风或认为它是常数将使所计算的磁链幅 值、相位偏差很大。为了解决此问题，s a y c e dm i r 等人提出分别采用模糊控制和 p i 控制对定子电阻进行观测，我国也有学者提出模糊神经网络定子电阻估计的 方法【5 9 1 。 4 硕i ：学位论文第一章绪论 1 3 无速度传感器技术的研究现状 在交流调速传动系统中，为达到高精度转速闭环控制，必须在电机的传动轴 上安装速度传感器，然而速度传感器的安装会带来系统成本的增加、体积增大、 可靠性降低及其性能易受工作环境影响等缺点。在不包含速度传感器的情况下， 如何使调速系统仍具有较高的动、静态特性，这一课题为无速度传感器技术提供 了较好的应用前景。因此，无速度传感器的传动控制不仅是现代交流传动控制的 一个重要研究方向，而且己成为当前研究的热点。 随着近年来新的功能强大的数字信号处理( d s p ) 芯片的发展，各种现代控 制理论的思想得以应用到高性能异步电机调速系统中。各国学者在这方面己作了 大量的工作，较为典型的估计方法有1 4 2 】：( 1 ) 基于电动机数学模型计算转速：( 2 ) 模型参考自适应法；( 3 ) 扩展卡尔曼滤波法；( 4 ) 基于人工神经网络的方法；( 5 ) 基于电机非理想特性的转速辨识方法等。以下逐一讨论上述方法的基本思想和特 点。 ( 1 ) 基于电动机数学模型计算转速 基于数学模型的开环估计是指利用电动机的定、转子磁链和电压空间矢量方 程，通过适当的计算来估计电动机转速。这些方法名称很多，但根据其基本思路， 大体上可以分为两类：一类是着眼于电动机的磁链和电压矢量方程组中含有转速 信息的方程，通过化简、替换等运算，将转速求取出来；另一类是电动机的同步 频率减去转差频率获得转速，同步频率和转差频率的求取方法不同，获得转速的 算法也不同。 这些开环估计方法的准确性主要取决于数学模型中的参数是否正确，特别是 在低速情况下，因为电动机参数的偏差会使得其准确性大大降低，严重影响传动 系统的动静态性能。尽管如此，它们还是具有简单直接且运算量的特点，经过改 进，在部分产品中还是得到了实际应用。 ( 2 ) 模型参考自适应法 图1 1 模型参考自适应转速辨识框图 模型参考自适应法( m r a s ) 辨识速度的主要思想是将不含未知参数的方程 作为参考模型，而将含有待估计参数的方程作为可调模型，两个模型应该具有相 同物理意义的输出量。利用两个模型的输出量的误差构成合适的自适应率来实时 5 硕i ：学位论文 第一章绪论 调节可调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。m r a s 应用 到转速估计方面较有影响的工作是s c h a u d e r l 4 】提出的转速m r a s 辨识方法，将不 含有真实转速的磁链方程( 电压模型) 作为参考模型，含有待辨识转速的磁链方 程( 电流模型) 作为可调模型，以转子磁链作为比较输出量，采用比例积分自适 应律进行速度估计，状态和速度的渐进收敛性由p o p o v 的超稳定性理论来保证。 其原理如图1 1 所示。 m r a s 是基于稳定性设计的参数辨识方法，保证了参数估计的渐进收敛性。 但由于m r a s 的速度观测是以参考模型准确为基础的，参考模型本身的参数准 确程度就直接影响到速度辩识和控制系统工作的成效。而电机的电阻与电感随着 工况的不同在变化，所以如何同时对多个参数进行辩识，保证参数和系统状态同 时收敛到真值，是m r a s 方法面临的一个重要问题。s h i n n a k a l 5 j 等从理论上说明 了多参数同时辨识对单一频率电源是不可行的，虽然k u b o t a l 6 】等曾尝试在d 轴 电流参考值上迭加低频电流分量的方法，取得了一定的效果。m r a s 主要的研究 方向应放在：1 ) 合理选取参考模型和可调模型，力求减少变化参数的个数；2 ) 观测器设计中误差校j 下矩阵的选取；3 ) 参数自适应律的选择。主要的目标仍是 提高收敛速度时保证系统的稳定性和对参数的鲁棒性。 ( 3 ) 扩展卡尔曼滤波法 卡尔曼滤波【7 】是由r e k a l m a n 在2 0 世纪6 0 年代初提出的一种最小方差意 义上的最优预测估计的方法，它的突出特点是可以有效地削弱随机干扰和测量噪 声的影响。扩展卡尔曼滤波算法则是线性卡尔曼滤波器在非线性系统中的推广应 用。如果将电机转速也看作一个状态变量，而考虑电机的五阶非线性模型，在每 一步估计时都重新将模型在该运行点线性化，再沿用线性卡尔曼滤波器的递推公 式进行估计( 转速) 。扩展卡尔曼滤波法提供了一种迭代形式的非线性估计方法， 避免了对测量量的微分计算，而且通过对q 阵和r 阵的选择可以调节状态收敛的 速度。这种方法可有效抑止噪声干扰，提高转速估计的准确度。但是，估计精度 同样受电机参数变化的影响，而且存在计算量太大的缺点，即使在采用降阶模型 的情况下这一问题仍然突出。 ( 4 ) 基于人工神经网络的方法 由于神经网络具有自学能力，能逐步提高自身性能，因此越来越来的学者丌 始把神经网络运用于电机转速的辨识方法里面，神经网络最普通的用法就是采用 多层前馈的网络结构，但在该结构中没有反馈信号。作为对电机转速的辨识方法， 反馈信号在神经网络的训练过程中是十分必要的，因此更多的是采用多向传播算 法，即b p 算法来调整网络的权值。 l b e n b r a h i m 采用基于b p 算法的两层神经网络结构对异步电机转速进行辨 6 硕1 ：学位论文第一章绪论 识，神经网路模型的输出值与电机的实际输出值比较，产生的误差值经过b p 算 法来调整神经网络的权值，这样，产生的转速估计值可以实时跟踪的实际转速值。 值得注意的是，神经网络的b p 算法比模型参考自适应算法要简单，后者的 自适应机构往往要利用李雅普诺夫函数或者波波夫超稳定性理论，以保证估计值 收敛于实际值，这通常会导致很复杂的算法，而神经网络算法直接简单，不需要 很复杂的数学推导。但是基于人工神经网络的方法在理论研究上还不太成熟，其 硬件实现有一定难度，使得这一方法的应用还需要较长的时间。 ( 5 ) 基于电机非理想特性的转速辨识方法 前面讨论的集中方法都是建立在电机的理想模型上，也就是建立在具有一些 理想化假设的电机的动态方程上。而电机的非理想特性指电机被忽略的一些特 性，比如磁饱和，集肤效应，齿槽效应等。用这些基于非理想特性的方法检测电 机转子磁链的位置，具有很好的对电机参数变化的鲁棒性，由于这些方法更注重 技术上的要求，和基于理想特性的转速识别方法有很多的不同，在此只作简要介 绍。 k d h u r s t 等人提出利用齿谐波信号的转速辨识方法，通过对定子反电势或 者电流信号的处理可以检测出转子速度信号；f b r i z 提出使电机转子的槽口宽度 按一定规律呈周期性变化分别，使转子具有一定的凸极特性，通过检测转子凸极 的位置，就得到转子的速度。 1 4 研究内容及论文安排 论文结合国内在直接转矩控制技术实际情况和实验室具备的实验条件，仿真 部分侧重于速度观测方案及无速度传感器直接转矩控制在全速范围内的运行研 究，d s p 实现部分则包括直接转矩控制系统整体框架、各具体模块及硬件电路的 设计与实现，各章节结构和内容安排如下： 第一章绪论，主要介绍了课题背景交流调速技术的发展和现状，包括电力 电子技术、数字控制技术和控制策略的发展，并介绍了课题研究对象直接转矩控 制的特点和研究现状，在此基础上对无速度传感器技术的发展，最后介绍了课题 的研究内容。 第二章直接转矩控制基本原理，主要从理论上分析了异步电机的数学模型， 并从模块化的角度分析了异步电机直接转矩控制的基本结构和原理，并做了仿真 研究。 第三章无速度传感器d t c 仿真研究，主要是在第二章直接转矩控制方法的 基础上，利用m a t l a b 仿真工具，验证了全速范围内基于电流误差方程的速度 辨识方案的可行性，搭建仿真模型并给出m a t l a b 的仿真结果，并对结果进行了 7 硕。l 学位论文 第一章绪论 分 j r 。 第四章基于d s p 的直接转矩控制系统硬件设计，是本课题的重要部分，首 先介绍了控制算法核心芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，从总体上介绍了基于d s p 的直接转 矩控制系统硬件设计，包括功率电路有控制电路各功能描述和f 2 8 1 2 开发板的资 源评估；其次按硬件系统的结构划分，分别介绍了功率电路和控制电路的设计， 详细介绍了整个硬件设计过程，包括器件选型、方案选择、基本原理参考和具体 电路的实现，给出各部分的p r o t e l 原理图和系统的p c b 图。 第五章基于d s p 的直接转矩控制系统软件设计，是本课题的核心，结合第 2 章直接转矩控制的基本原理及第4 章的硬件系统设计，本章介绍了系统的软件 设计。首先介绍了d s p 开发环境和软件编程，包括d s p 的数值处理、c c s 环境 和c 语言的开发；其次在第2 章d t c 基本结构和第4 章硬件电路的基础上介绍 了各模块的程序实现，介绍了主程序流程和中断子程序流程。 第六章实验测试与结果分析，结合第四章基于d s p 的直接转矩控制系统硬 件设计和第五章基于d s p 的直接转矩控制系统软件设计，对整个系统进行联机 实验，讨论了实验中遇到的问题和解决方法，最后给出了实验结果，并进行结果 分析。 第七章，对论文的研究工作进行总结，归纳所取得的成果，并在此基础上进 行了展望。 8 顾 j 学位论文第二章直接转矩控制桀奉原理 第二章直接转矩控制基本原理及仿真研究 直接转矩控制技术采用空间电压矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算 和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产生 p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动念性能。 本章从异步电机数学模型入手，介绍了直接转矩控制系统的基本原理，搭建了 d t c 系统的仿真模型，并从电机启动、速度阶跃、转矩阶跃及最后s a ，s b ，s c 结 果等实验对系统进行仿真研究。 2 1 异步电机数学模型 2 1 1 空间矢量的概念的引入 在对异步电动机进行分析和控制时，均需对三相进行分析和控制，若引入 p a r k 矢量变换，会带来很多方便，p a r k 矢量变换将三个标量变换为一个矢量， 这种变换对于时间函数同样适用。若选定三相定子坐标系中的a 轴与p a r k 矢量 复平面的口轴如图2 - 1 所示重合，则三相物理量毛( ，) 、( r ) 、t ( ，) 的p a r k 矢量 i ( ，) 为： 4 ，卜一冗l一丌 i ( ，) = 詈 吒( f ) + x b ( t ) e 。3 + t ( ，) p 。3 】 ( 2 - 1 ) 为： 图2 一l a 、b 、c 坐标系与口、坐标系的关系 三相静止坐标系( a 、b 、c ) 到两相静止坐标系( 口、) 的p a r k 变换矩阵 c ：一2 3 1 1 1 22 o 巫一笪 22 ( 2 2 ) p a r k 矢量i ( f ) 在某时刻值代表三相物理量合成作用在坐标系中的空间位 置，所以称为空间矢量。对于异步电动机而言，空间磁动势矢量、磁链矢量是确 实存在的，而电流空间矢量和电压空间矢量实际并不存在。但是磁动势与电流相 关，电压又与磁链相关，所以仍可以定义电流空间矢量和电压空间矢量，它们分 别表示三相电流的合成作用和三相电压的合成作用在坐标系中所处的位置。以下 9 硕i j 学位论文第二章直接转矩控制皋本原理 的分析是建立在空间矢量的基础上。 2 1 2 逆变器和电压空间矢量 三相两电平电压型逆变器的电路如图2 2 所示，共需六个开关组成，每个桥 臂上下两个开关互为反向，即一个接通时，另一个断开，所以共有2 3 = 8 种可能 的开关组合。 图2 2 逆变器一电动机模型 用配、& 分别表示逆变器三相桥臂的开关状态，其中最( x = 口，b ，c ) 为1 时表示该相桥臂上开关导通，下开关关断；为0 时表示该相桥臂下开关导通，上 开关关断。得到的开关组合状念见表2 1 。 表2 1 逆变器的8 种开关组合状态 状态 01234567 s a0o01ll01 s b0l0ool11 s co11l000l 根据逆变器开关状态，可知其输出的三相电压( u a 、u b 、u 。) 可表示为： 毫 = 警 三三； 季 c 2 - 3 ， 同时建立正交两相坐标系口、。若用玩代表定子三相电压的合成作用在定子坐 标系中的位置，则称玩为定子电压的空间矢量。因a 轴与口轴重合，则其p a r k 玩2 亏( “a + 心p 。3 + “c p 。3 ) ( 2 - 4 ) 用u o ，厅。，历：厅，表示八种开关组合状态下的电压矢量，以配s = 0 11 为 = 一詈，= 三，虬= 三。 1 0 硕l ：学位论义第二章直接转矩控制幕奉原理 喀( o l1 ) = 玩= - 三( u 。+ 1 , 1 b p o + l i c e o ) 斗争疑1 + 务k 1 t 4 3 ，一哕 上式说明，开关组合( 0 1 1 ) 状态下电压矢量玩的幅值等于2 u a 3 ，与口轴 夹角为1 8 0 0 。依次求出其它各丌关状态下的电压矢量如下： 2f ! 疗2，z2 f i , ( 0 0 1 ) = 厅2 = 詈u d p 勺f i , ( 1 0 1 ) = 毛= 亏u c p o厅，( 1 0 0 ) = 厅4 = 亏u d 承( 11 0 ) 2 吃2 j 2u ，p 3 万，玩( 0 1 0 ) = 魂2j 2u ，p 7 j 。，a , ( o o o ) ：玩：o ， ， f f s ( 1 1 1 ) = 厅，= 0 不难看出，在这8 个电压空间矢量中，有6 个非零矢量，其幅值均为2 u d 3 ， 角度依次相间6 0 0 。这样8 个开关状态对应如图2 - - 3 所示的8 个电压空间矢量 d o u 7 ，其中和吗为零电压空间矢量，位于原点。 甜5 b 甜6 口 ( i i o ) 【0 1 0 ) ( 0 1 1 ) 图2 3 电压空间矢量 2 1 3 异步电动机r 型等效数学模型 异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，按惯例 在建立其数学模型时做如下假定。 ( 1 ) 电机定、转子三相绕组完全对称，所产生的磁势在气隙空间中正弦分 布。 ( 2 ) 忽略铁芯涡流、饱和及磁滞损耗的影响，各绕组的自感和互感都是线 性的。 ( 3 ) 暂不考虑频率和温度变化对电机参数的影响。 本文使用异步电机r 型等效电路模型，r 型等效电路介绍如下，异步电动机 r 型等效电路如图2 4 所示，模型以定子磁链、转子磁链为状态变量的状态方程 描述为： 硕一i ：学位论文 第二章直接转矩控制皋奉原理 - - - 一 1 国vr 图2 4 异步电机的工1 型等效电路图 移= 彳矽+ b 【= c 妒 r - 3 - e ( 矽, 。如一。) 式中： i 趣毛0鹏 10 趣与0 彳= 1 鹏0 啾 【0姚 u b = 10 01 o o o 0 c = 雕吉爿 毛= l 工+ 1 厶如= 1 厶 r 为定子电阻值；r ，为转子电阻：缈为电机旋转电角速度； 励磁电感；嫉为定子磁链； 为转子磁链；尸为电机极对数； 电动机的电磁转矩方程为： 乙= 昙只厶( o “一如“) 或利用式( 2 - - 4 ) 改写成： 瓦= 昙只( 卢一虮卢k ) 式中： 瓦一一电动机的电磁转矩； 只一一电动机的极对数。 电动机的机电运动方程为： = 专等 式中： z 一一负载转矩； j 一一电机及拖动系统的转动惯量。 1 2 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 0 为漏感；l 为 丁为电磁转矩。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 硕i ：学位论文第二章直接转矩控制皋奉原理 2 2 直接转矩控制系统的基本原理 图2 5 直接转矩控制系统结构框图1 4 6 l 经典直接转矩控制结构框图如图2 5 所示，具体模块分为： 1 、相电压、相电流计算模块 系统需要检测直流母线电压u d ，对电机端电压信号，则利用电压重构单元 来获得定子电压信息，这是因为三相交流电压信号可以由直流母线电压和逆变器 开关状态信息得到。由于电机是星形接法，无零序电流分量，所以该控制系统只 需要测量电机的两相电流，三相电流总和为0 可求出第三相电流。 该模块的作用是通过计算测得的直流母线电压得到三相定子电压进而转换 成定子电压空间矢量，通过计算两相定子电流得到三相电流进而转换成电流矢 量，以便于后续转矩、定子磁链和磁链角的计算。 三相定子绕组a ，b ，c 在空间互成1 2 0 。，构成a b c 三相坐标系，在此坐 标系中再定义一个q b 直角坐标系，其q 轴与b 轴重合，1 3 轴超前9 0 。，即可构 成静止的a b c 坐标系到静止的q 1 3 坐标系变换( c l a r k e 变换) 。 ( 1 ) 电流计算 对于三相星形接线而言，有如下关系： + + t = 0 ( 2 - 1 0 ) 因此，可测量电机两相电流而得到第三相电流。 将三相定子电流变换成两相电流矢量，电流矩阵变换方程为： 1 3 硕 ：学位论文 第二章直接转矩控制基奉原理 擀 l一!一1 22 1压1 22 压 13l 22压 ( 2 1 1 ) 式中：i s 。如为电流的两个分量；乇为数学上为了求逆矩阵而补充定义的一 个其值为零的电流，无物理意义；艺，t 电机定子三相绕组中的实际电流。 由于三相定子电流和为零，因此上式可写成： 阱 店。 压 与 吖z 2 ( 2 - 1 2 ) 擀匪稠 协 图2 6u i 模型结构框图【9 】 u i 模型结构简单，在计算过程中唯一需要的电动机参数是易于确定的定子 1 4 硕。 ：学位论文第二章直接转矩控制摹奉原理 电阻。但它只有在被积分的差值，也就是厅，( f ) 一r ，乏( ，) 的值比较大时- a 能提供正 确的结果，其误差是由定子电阻足的存在引起的，随着转速的降低，定子电阻 压降乏( f ) 足带来的误差将增大，所以该模型在3 0 额定转速以上时，能够较准 确地确定定子磁链，而且结构简单、鲁棒性强，在低速时定子电阻随温度的变化 不能忽略，因此对磁链观测准确性有较大的影响，特别是定子频率接近零时，用 做积分的定子电压和定予电阻压降之问的差值消失了，以致在稳定情况下只有误 差被积分，这时u i 模型无法确定定子磁链。 定子磁链幅值计算表达式为： 虬= ( 以一嵋) ( 2 1 4 - ) 电磁转矩通过定子电流和定子磁链计算， 1，、 r = 二疗ff 。1 f ，一一l 。杪。l ( 2 1 一)l e2 i n p l s 8 v 。口一s a vs 81 k 厶1 5 ) 式中n 。为电机极对数。 3 、磁链调节和转矩调节 磁链调节和转矩调节环节由滞环比较器组成，其结构框图分见图2 7 和 图2 8 。 ：v 一二- 够 一 o 。 + 。 图2 7 磁链调节器结构框图图2 8 转矩调节器结构框图 设定子磁链幅度和转矩的给定值分别为：和死，设定子磁链幅度和转矩的 观测值分别为沙。和乃，定义定子磁链和转矩误差如下： 中s2 v ：一? s ia r e = 巧一瓦 磁链调节器的容差为勺，输出为乃，当织+ 勺时，0 = l ，此时应选择 能使磁链幅值增大的电压空间矢量；当一 虮 + 时，巴保持不变；当 虬一时，已= o ，此时应选择能使定子磁链幅值减小的电压空间矢量。 转矩调节器的容差为唧，输出为辱，当瓦+ 白时，f t = o ，此时应选择 非零电压空间矢量；一勺 瓦 t a n 3 0 0 = o 5 7 3 3 ，就表明定子磁链进a 3 0 0 部分所在 的区段内，否则便是在6 0 0 部分所在的区段内。综合以上两个因素就可以准确地 判断出定子磁链轨迹所在的位置，图2 1 0 为电压空间矢量和磁链空间矢量的关 系。 88 i 忆口( _ ) ，帆，( + ) 忆口( + ) ，帆，( + ) ( - ) ，忆，( _ )忆口( + ) ，忆，( 一) 图2 - 9 虮。和帆口正负关系示意图和空间扇区边界分割示意图 口 u 4 ( 1 0 0 ) 玩( o i l ) 图2 1 0 电压空间矢量和磁链空间矢量的关系 ( 2 ) 开关选择单元 表2 2 电压矢量开关表 fu ，f vs 1s 2s 3s 4s 5s 6 一一一一一 - 0o“2u 3u 4“5u 6“l 一一一一一一 01甜o“7u 0“7u 0“7 一 一一 一 一 1o “l “2 甜3u 4u 5 u 6 一 一 - 一一 11 “7甜0“7u 0甜7“o 综合以上的磁链调节器输出信号巴，转矩调节器输出信号碍以及磁链所在 区域信号s n ，可对应选取合适的电压空间矢量哌，这就构成了电压矢量丌关表， 由于在同一扇区内使磁链幅值增减的电压空间矢量并非唯一，故存在不同的电压 矢量开关表，表2 2 是常用的一种电压矢量开关表。 1 6 硕j ：学位论文第二章直接转矩控制基本原理 如果将磁链调节器和转矩调节器细化，则可得到更复杂的电压矢量开关表， 那样会使磁链的控制和转矩的控制更加精确，但丌关频率将加大，且系统变得复 杂。 5 、转速调节 在高性能的交流传动系统中，速度闭环是必须的。如前文所述，直接转矩控 制系统中，转矩给定一般是由给定转速和实际反馈转速之差经过速度调节器得 到。 由电机运动方程式( 2 - 9 ) 可知： 疋一五= 等等 输入为电机速度与给定转子速度，通过p i 控制器得到参考电磁转矩信号， 与实际电磁转矩相比较。 6 、p w m 控制 参照图2 5 中直接转矩控制结构框图，p w m 控制器的作用就是输出p w m 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。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。p w m 控 制器通过这些输入信号，按照直接转矩控制的原理，利用一定的软件算法实现对 p w m