直接转矩控制问题的研究及DSP系统设计.pdf

大连理工大学 硕士学位论文 直接转矩控制问题的研究及DSP系统设计 姓名 张帆 申请学位级别 硕士 专业 控制工程 指导教师 王金城 20081221 人连理I j 人学专业学位硕士学位论文 摘要 直接转矩控制变频调速技术是近年来继矢量控制变频调速技术之后发展起来的一种新 型的具有高性能的交流变频凋速技术 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 信号发生器 其思想新颖 控制结构简单 控制手段直接 信号处理 的物理概念明确 是一种具有高静动态性能的交流调速方法 本文介绍了异步电机直接转矩控制的基本原理 从异步电机数学模型入手 通过对逆变 器开关状态分析得到空间电压矢量 论述了空间电压矢量与转矩和磁链之间的关系 给出了 直接转矩控制系统的基本结构 并对各工作单元进行了介绍 本文详细阐述了直接转矩控制的基本原理和实现方法 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并控制其各物理量 直接在定子坐标系中计算并控制转矩与磁 通 借助于离散的两点式调节 B a n g B a n g 产生P W M 信号 直接对逆变器的开关状态进 行优化控制 以获得转矩的高动态性能 文中根据直接转矩控制原理 利用M a f l a b S i m u l i n k 软件对异步电动机直接转矩控制系统进行了建模和仿真 给出了用M a f l a b S i m l i n k 对该系统 进行仿真的方法和结果 在控制系统的具体实现上 由于直接转矩控制对实时 生要求很高 因此在硬件方面 采 用目前比较流行的数字信号处理器D S P 作为系统的控制器 其处理速度高的特点正好符合 本试验的需要 在主电路中 系统使用了集成度高的功率器件 智能功率模块 P M 作为 逆变环节 其集成了七个I G B T 实现了高开关频率逆变以及故障诊断的功能 从而使控制 系统的体积大大缩小 控制更加灵活 D S P 和P M 的采用 实现了先进理论与先进器件的 结合 在T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 为核心的硬件基础上 采用汇编语言编制了控制系统的软件 实现 了直接转矩控制算法 最后 总结整个论文的工作 并展望了今后的研究重点 关键词 直接转矩控制 空间电压矢量 异步电动机 数字信号处理器 人连理 r 人学专业学位硕十学位论文 R e s e a r c ho f t h eD i r e c tT o r q u eC o n t r o la n dt h eD e s i g no f D S PS y s t e m A b s t r a c t D h c tT o r q u eC o n t r o lV V V Ft e c h n o l o g yan o v e la n dh i g h p e r f o r m a n c ee x c h a n g eV V V F t e c h n o l o g yi sd e v e l o p e da f t e rt h ev e c t o r c o n t r o lt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s I ts a v e sc o m p l i c a t e d v e c t o ra n ds i m p l i f i e sm a t h e m a t i c sm o d e le v e nt h e r ei sn oc o n M l o nP W M s i g n a lg e n e r a t o r I ti sa l l i g hs t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e so fA CD r i v em e t h o dw i mi n n o v a t i v et h i n k i n g s i m p l ec o n t r o l s t r u c t u r e d i r e c tm e a n so f c o n t r o l c l e a rp h y s i c a lc o n c e p to fs i g n a lp r o c e s s i n g T h et h e o r e t i c a lo f d i e c tt o r q u et o r q u e D T C f o ra s y n c h r o n o u sm o t o r sa r ep r e s e n ti nd e t a i li nt h e p a p e r B a s i co nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fa s y n c h r o n o u sm o t o r s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nS V P W Ma n dt o r q u ea n df l u xb ya n a l y s i s i n gt h es w i t c h i n gs t a t eo f t h ei n v e r t e r t h e ng a i n i n g t h eS V P W M g a v ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e m Ss t r u c t u r e i n t r o d u c e st h ew o r ko fe v e r yu n i t A c c o r d i n gt Ot h et h e o r yo fD T C t h es i m u l a t i o nm o d e lo fD T C f o ra s y n c h r o n o u sm o t o rb a s e do n M a t l a b S i m l i n ki sd e v e l o p e d T h et y p i c a lD T Cs y s t e mi si n t r o d u c e d t h em e t h o da n dr e s u l tt o s i m u l a t et h es y s t e mi nM m a t l a b S i m l i n ka l eg i v e n B e c a u s ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lr e q u i r e sv e r yh i 曲p e r f o r m a n c eo fR e a l t i m e t h ep o p u l a r m i c r o c o m p u t e rc o r eD S Pi su s e da sc o n t r o l l e ri nt h ed e s i g no f h a r d w a r e I t sh i g hs p e e do f n m n i n gi s s u i t a b l ef o rt h ee x p e r i m e n t I nt h em a i nc i r c u i t t h e r ei sah i g h l yi n t e g r a t e dp o w e re l e m e n t I P Ma s i n v e r t e r w h i c hi n c l u d e ss e v e nI G B T h a sh i g hs w i t c hf r e q u e n c ya n df a u l td i a g n o s i sf u n c t i o n I P M g r e a t l yd e c r e a s e s t h eb u l ko f s y s t e m T h ea d o p t i o no fD S Pa n dI P Mh a sr e a l i z e dt h ec o m b i n a t i o no fa d v a n c e dt h e o r ya n da d v a n c e d d e v i c e T h es y s t e mc o n t r o ls o f t a r ei sd e s i g n e di na s s m b l el a n g u a g eb a s e do nt h eh a r d w a r e f u n d a m e n tw i t hu s i n gT M S 3 2 0 L F 2 4 0 7a sc o r ea n das p e e dS e n s o r l e s sD T C F i n a l l y t h et h e s i ss u m su pt h ew h o l ew o r ko ft h et h e s i sa n dp r e d i c tt h ed i r e c t i o no ff o r w a r d s t u d ya sw e l l K e yW o r d s D T C S V A s y n c h r o n o mm o t o r D S P I I I 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下进行研究工作 所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用内容和致谢的地方外 本论文 不包含其他个人或集体已经发表的研究成果 也不包含其他已申请学位或其他 用途使用过的成果 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意 若有不实之处 本人愿意承担相关法律责任 学位论文题目 直接装矩控剑闻题鲍堡究区Q 婴丕统遮让 作者签名 弛日期 巡年 皑 日 人连理 1 大学专业学位硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定 在校攻读学位期间论文 工作的知识产权属于大连理工大学 允许论文被查阅和借阅 学校有权保留论 文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印 或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文 学位论文题 作者签名 导师签名 人连理 I 人学专业学位硕十学位论文 引言 随着电力电子技术和计算机控制技术的发展 继矢量控制之后 交流调速领域又出现了 新兴的控制技术 1 9 8 5 年 德国鲁尔大学D e p e n br o c k 教授提出异步机直接转矩控制法 D T C 该方法无需矢量控制的解耦的复杂算法 基本思想足在维持磁链幅值不变的情况 下采用定子磁通定向的方法 通过调整定子磁链在空间的旋转速度以控制转矩 它不需要解 耦电机数学模型 进而控制电机的转速 因此与矢量控制技术相比 直接转矩控制在很大程 度上克服了矢量控制计算复杂和易受参数变化影响的特点 具有转矩响应快 控制结构简单 易于实现全数字化等优点 成为交流调速控制理论第二次质的飞跃 1 0 多年来 直接转矩控 制不断得到完善和发展 特别是随着各种智能控制理论的引入 又涌现了许多基于模糊控制 神经网络和模糊神经网络的直接转矩控制系统 控制性能得到了进一步的改善和提高n 1 十多年来 在国内外直接转矩控制不断得到发展和完善 许多文章从不同角度提出了新 的见解和方法 特别是随着各种智能控制理论的引入 又涌现出了许多基于模糊控制和人工 神经网络的D T C 系统 控制性能得到了进一步的改善和提高 下面就介绍一下有关文献中 关于直接转矩控制的研究现状和成果 并对其未来发展进行展望伫1 控制系统的性能是借助于控制环节来实现的 改善和优化各个环节的结构 必然有利于 控制系绕I 生能的提高 下面简要介绍一些对直接转矩控制中各控制环节的改进研究隋况 1 磁链调节器和转矩调节器的细化改进 传统直接转矩控制一般对转矩和磁链采用单滞环控制 根据各滞环的输出结果确定当前 的电压矢量 因为不同的电压矢量在不同的瞬间对转矩和定子磁链的调节作用互不相同 所 以 只有根据当前转矩和磁链的实时偏差合理地选择电压矢量 才有可能使转矩和定子磁链 的调节过程达到比较理想的状态 显然 转矩 磁链的偏差区分的越细 电压矢量的选择就 越精确 控制性能也就越好 2 智能开关状念选择器的研究 用施密特触发器实现直接转矩控制的转矩调节和磁链调节时 需要人为设定触发器的容 差 而该容差大小与系统的性能密切相关 为减少人为因素对系统性能的影响 有文章提出 了将各种先进的智能控制理论应用于直接转矩控制的新方案 通过应用各种智能控制理论如 模糊 人工神经网络等柬选择开关状态 完全抵消了触发器的容差影响 使性能改善更加明 显 3 电压矢量选择方式的改进 直接转矩控制通过定子磁链定向 直接对转矩进行控制 省去了复杂的解耦过程 使得 系统结构简单 控制方便 该方式在每个采样周期所选用的电压矢量 总是保证转矩在t 0 时刻能最快地向着砸确的方向变化 很显然 用这种方法选择电压矢量 虽然在各控制周期 直接转矩控制问题的研究及D S P 系统设计 的开始时刻控制效果最佳 但是整个控制周期内的效果却未必最好 为了改善这种情况 减 小转矩的脉动 一些研究者提出了一种新的电压矢量选择方法 预期电压法 根据转矩偏差 磁链偏差和转速计算出一个能达到最佳控制的预期电压 然后用零电压型逆变器的6 个工作 电压中与之相邻的两个电压矢量来合成它 计算出各自的工作时间 然后用零电压补足采样 周期 4 改善低速性能的研究 传统的直接转矩控制系统中 定子磁链一般采用u n 模型计算定子的磁链 虽然它克服 了u i 模型在低速时受定子电阻R 影响比较大的缺点 但风随温度变化的影响还是没有消 除 运行的性能还会受它的影响 因此如何准确地检测R 的实时变化 一直是改善系统低 速性能的首要问题 近来人们设计了多种定子电阻观测器来解决这个问题 在一些文献罩提 到了一种基于模糊控制的定子电阻在线观测器 该观测器把对定子电阻值影响比较大的三个 因素 定子电流 转速和运动时间作为输入量 以定子阻值的变化作为输出 设计了模糊 观测器 定子电阻初值与变化值相加就是控制中的定子电阻 这种观测方法能比较准确地观 测电阻的变化 低速性能有了比较好的改善 5 无速度传感器直接转矩控制系统 在实际应用中 安装速度传感器既增加系统的成本 又降低了系统的可靠性 因此取消 速度传感器的研究便成了交流传动中的一个热门方向 并取得了一些新成果 最近国内在这 方面的研究中 应用较多的理论是模糊参考自适应 它从模型参考理论出发 利用转子磁链 方程构造了无速度传感器直接转矩控制系统 只要选择适当的参数自适应律 速度辨识器能 比较准确地辨识出电机转速 但是由于它无法同时正确地辨识出电机转子电阻的变化 因而 使系统性能受到了影响 这是该方法需要改进的地方 本论文将对直接转矩交流调速控制系统进行研究和设计 主要工作包括直接转矩控制理 论的研究 利用M a c l a b 软件进行仿真研究 控制系统的硬件设计 控制系统的软件设计 其中以控制系统的硬件设计为主 2 大连理 I 人学专业学何硕十学化论文 1 交流调速系统的历程 1 1电机调速技术的发展概况 电气传动是现代最主要的机电能量变换形式之一 在当今社会中广泛应用着各式各样电 气传动系统 其中许多机械有调速的要求 如车辆 电梯 机床 造纸机械 纺织机械等等 为了满足运行 生产 工艺的要求往往需要调速另一类设备如风机 水泵等 为了减少运行 损耗 节约电能也需要调速 如果根据原动机束分类 那么原动机是直流电动机的系统称之 为直流电气传动系统 而原动机是交流电动机的系统 则称之为交流电气传动系统 如果根 据转速的变化情况来分类 电气传动系统又可分为恒速电气传动系统和变速电气传动系统两 大类 以前在要求调速的地方多用直流电动机 这是因为直流电动机调速方便 只要改变电机 的输入电压或励磁电流 就可以在宽广的范围内实现无级调速 而且在磁场一定的条件下它 的转矩和电流成正比 从而使得它的转矩易于控制 转矩的调节性能和控制性能比较理想 因此直流电动机调速系统比较容易得到良好的动态特性 所以过去直流传动系统在变速传动 系统中一直占主导地位 为了获得可变的直流电压以调节转速和控制转矩 6 0 年代以前大都是采用 直流发电机 一直流电动机 机组 1 9 6 0 年以后由于大功率半导体器件的出现 这种系统中的直流发电机 已为整流器所替代 也就是把公用的三相交流电源经整流电路而获得可变的直流电源 对直 流电动机供电 在额定转速以下用减小电枢电压的方法来调速 系统具有叵定最大转矩的运 行特性 输出的最大功率随转速的升高而减小 采用转速负反馈 电流负反馈和自i 馈的控制 手段可以使传动系统获得高精度 快响应 宽范围的转速调节和转矩控制特性 3 J 这种直流 传动系统在现今变速电气传动系统领域中是一种主要的传动形式 广泛应用于各行各业 但是 在直流电气传动系统中 由于直流电动机本身在结构上存在严重的问题 它的机 械接触换向器不但结构复杂 制造费时 价格昂贵 而且在运行中容易产生火花 特别是由 于换向器强度不高等问题的存在 直流电动机无法做成高速大容量的机组 此外由于电刷易 于摩擦等问题存在 在运行中需要有经常性的维护检修 以上这些缺陷就造成了直流电气传 动不尽理想 1 8 8 5 年交流鼠笼型异步电动机的问世打破了直流传动作为唯一电气传动方式的局面 由 于它结构简单 运行可靠 价格低廉而且峰同耐用 惯量小 便于维修 适用于恶劣环境等 特点 使其在工农业生产中得到了极广泛的应用 但是交流电动机调速比较困难 而且其调速性能 调速范闱 稳定性或静差度 平滑性 等 却无法与直流调速系统相媲美 因此这些电机绝大部分都是恒速运行的 早在19 世纪 3 0 年代 国外就丌始研究各种交流电机变速传动 在早期采用的主要是绕线式异步电动机转 子外串电阻和鼠笼型异步电动机变极调速 后来在5 0 年代异步电动机定子串饱和电抗器的 直接转矩控制问题的研究及D S P 系统设计 调速方法也有了一定的发展 变极调速是一种有级的调速方法 由于受电机结构和制造工艺 的限制 通常只能实现两三种极对数的变换 不能做到连续地调节速度 调速范围和极数都 非常有限 此外还可以依靠改变定子电压 改变电源电压或定子串阻抗 或绕线型电动机 转子串电阻 或带转差离合器的异步电机调节励磁电流都可实现变转差率调速 但是电机的 损耗与转差率S 成比例地增大 效率随转速的降低而降低 由于电机在高转差低转速下运行 特性恶化 使实际可行的调速范围受到限制 在6 0 年代大功率半导体变频装置的问世开创 了电力电子技术发展的新时代 这种半导体电力电子器件有体积小 价格低 坚固耐用 性 能良好等优点 通过使用它可以连续地改变电源频率 十分理想地实现交流电动机的无级调 速 从而使交流电机调速技术的发展起了一个飞跃 尤其是7 0 年代以来 大规模集成电路 和计算机控制技术的发展 新型电力电子器件的出现 以及先进控制理论 如自适应控制 模糊控制 神经网络控制等 等的应用 为交流电力拖动的开发进一步创造了有利条件 现在 交流调速领域相当活跃 新技术层出不穷 目前 交流调速系统正向集成化 实 用化 智能化方向发展 诸如交流电动机的串级调速 各类型的变频调速 无换向电动机调 速 特别是矢量控制技术 直接转矩控制技术的应用 使得交流调速逐步具备了宽调速范围 高稳速精度 快动态响应等良好的技术性能 原来的交直流拖动分工格局被逐渐打破 在各 工业部门用可调速交流拖动取代直流拖动己指同可待 特别需要指出的是在世界能源紧张 能源费用高涨的今天 交流调速技术作为节约能源的一个重要手段 引起了人们的高度重视 总之 交流调速技术的应用有着广阔的前景 随着生产技术的不断发展 交流调速逐步代替 直流调速的时代已经到来 1 2 直接转矩控制的概况 直接转矩控制变频调速技术 德语称之为D S R D i r e k t e S e l b s t r e g e l u n g 英语称之为D S C D i r e c tS e l f C o n t r 0 1 是继矢量控制变频调速技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的 交流变频调速技术 1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的德彭布罗克 D e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩控制的理 论 接着1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围 不同于矢量控制技术 直接转矩控制有着自己 的特点 它在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂 特性易受电动机参数变化的影响 实际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题 直接转矩控制充分利用逆变器的开关特 点 引入容差控制概念 通过一些简单的计算和调节使异步电机的磁链和转矩在动态时按要 求快速变化 因而具有高动态性能 控制电路简单的优点 它不需要解耦电机数学模型 强 调对电机转矩进行直接控制 在很大程度上克服了矢量控制计算复杂和易受参数变化影响的 特点同 近几年来 许多学者把智能控制原理和直接转矩控制相结合 提出了许多基于模糊控制 自适应模糊控制以及神经网络控制等控制策略的控制系统 使控制性能有了进一步的提高 4 人连理l 人学专业学位硕士学位论文 传统的直接转矩控制系统采用滞环控制器 根据转矩误差 定子磁链幅值误差来选择逆 变器的开关状态 对一些不确定的冈素引起的误差微小变化不能及时控制 变化的参数对直 接转矩控制系统的性能有着直接的影响 而模糊控制善于处理存在不精确性和不确定性信息 的控制问题 适用于常规控制难以解决的非线性和时变系统 在异步电机的直接转知控制中 开关状态选择器采用多变量模糊控制器 速度调节器采用自适应模糊控制器 可进一步提高 系统的性能 神经网络采用并行计算结构 利用它建立的观测器和辨识器具有较好的跟踪性能 并且 神经网络可以通过学习异步电机的各种参数变化时的映射关系来确定内部反馈的权重系数 在电机参数变化时也可以实现高性能的控制 将神经网络应用到直接转矩控制系统的逆变器 控制中 以其较强的学习能力 自适应能力 自组织能力以及容错能力可获得较好的控制效 果 直接转矩控制有以下几个特点 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 它不需要将交流电动机与直流电动机作比较 等效 转化 既不需要模仿直流电动 机的控制 也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型 它省掉了矢量旋转变换等复杂的 变换与计算 因此 它所需要的信号处理工作特别简单 所用的控制信号使观察者对于交流 电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断 2 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链 只要知道定子电阻就可以把它观测出来 了 而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链 观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感 因此 直接转矩控制大大减少了矢量控制技术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三相交流电动机的数学模型和控制其各 物理量 使问题变得特别简单明了 4 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果 它包含有两层意思 直接控制转矩 以及对转矩的直接控制 综上所述 直接转矩控制技术 用空问矢量的分析方法 直接在定子坐标系下计算与控 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 B a n d B a n d 控制 产 生P W M 信号 直接对逆变器的开关状态进行最佳控制 以获得转矩的高动态性能 在交流电机控制中 速度传感器的安装不仅增加控制系统的成本 还存在安装和维护上 的困难 降低系统的可靠性 并且不适应恶劣的工作环境 因此限制了它的应用范围 无速 度传感器技术 就是如通过己知的调速系统参数快速而准确地估算出电机的实际转速值 1 9 7 5 年 A A b b o r d 等人根据异步电机数学模型及控制原理 推导出电机的滑差表达式 在 无速度传感器领域作出了首次尝试 19 8 2 年 K J o e t t e n 首次将无速度传感器技术应用于矢量 控制 使得交流传动又上了一个新台阶嘲 从2 0 世纪7 0 年代至今 国内外学者提出了诸多方法对转速进估算 例如 采用扩展卡 直接转矩控制问题的研究及D S P 系统设计 尔曼滤波器估算电机转速 建立以定子电流和转子磁链为状态变量 以转速为参数的电机状 态方程 将状态方程线性化 根据卡尔曼滤波器的递推公式估算转矩 另外还有模型参考自 适应法 1 V I R A S M o d e l R e f e r e n c eA d a p t i v eS y s t e m 它的主要思想是将不含未知参数的方程作 为参考模型 将含有待估计参数的方程作为可调模型 并且两模型具有相f 司物理意义的输出 量 利用两模型的输出量的误差构成合适的自适应律来实调节可调模型的参数 以达到控制 对象的输出跟踪参数模型的目的口1 由于转速可以看成是定子电压和电流的函数 而人工神 经网络具有逼近任意非线性函数的能力 且神经网络具有自学习和自适应能力以及较强的抗 干扰性 所以也可以采用人工神经网络进行转速的估计 利用神经网络进行辨识 一般都是 预先规定网络结构 通过学习系统的输入输出 使要求的误差函数达最小 进而归纳出隐含 在系统输入和输出的关系吲 1 3 交流调速控制系统全数字化的发展 最初的电动机控制都采用模拟控制方法 模拟控制由于受器件的影口向较大的漂移 控制 系统的精度和长期运行陛能受到一定的限制 随着现代电子技术的进步 电动机控制专用集 成电路在电动机控制中得到大量的应用 这些电路大多为模拟数字混合电路 它大大提高了 电动机控制器的抗干扰能力 同时又缩短了产品的丌发周期 随着电动机控制的发展越来越趋于多样化 复杂化 现有的专用集成电路也未必能满足 新产品开发要求 人们也可以根据具体的需要自己开发电动机专用的控制芯片 现在市场上 较通用的变频器大多采用单片机来控制 应用较多的是8 0 9 6 系列产品 但单片机的处理能 力有限 例如对采用矢量变换控制的系统 由于要进行复杂的坐标变换 需要处理的数据量 大 实时性和精度要求高 单片机往往不能满足要求 近年来 各种集成化的单片数字信号 处理芯片D S P D i g i t a lS i g n a lP r o c e s s i n g 的性能得到很大的改善 结构上的差异使D S P 器 件比1 6 位单片机单指令执行时间快8 l O 倍 完成一次乘法运算快1 6 3 0 倍 而且D S P 器 件的软件和开发工具越来越多 越来越好 价格大幅度降低 比单片机具有更高的性能价格 比 从而使D S P 器件及技术更容易使用 D S P 具有处理速度更快的C P U 更大容量的存储器 R O M R A M F L A S H 等 具有波 特率发生器和F I F O 缓冲器 提供高速 同步串口和标准异步串口 其中有的系列片内还集 成了A D 转换和采样 保持电路 内置高速硬件乘法器 增加了多级流水线 减少指令执行 时间 使D S P 器件具有高速的数据计算能力 D S P 器件采用精简指令集 对S C 大多数指 令都能在一个周期内完成 并且通过并行处理技术 使一个指令周期内可完成多条指令 D S P 器件运算功能强 提供了高度专业化的指令集 提供了F F T 快速傅立叶变换和滤波器的运算 速度 此外 D S P 器件提供J T A G J o i n tT e s tA c t i o n 接口 具有更先进的开发手段 使批 量生产测试更方便 世界上各大D S P 生产厂商1 1 公司 A D 公司等 都推出了自己的内嵌 式D S P 电动机控制专用集成电路 每个厂家的D S P 都町能采用一些特殊的D S P 指令来完成 6 大连理工大学专业学位硕十学位论文 一些特殊操作 以降低D S P 程序的复杂度和运算时间 其中美国1 1 公司推出的 T M S 3 2 0 C 2 4 X 它在D S P 核心技术的基础上集成了一个电动机事件管理器 并可提供P W M 输出 完成控制算法的处理 数据的交流以及系统监控等功能 可以完成电动机高速 可靠 的先进控制技术叫 在交流电动机控制中 D S P 特有的高速计算能力 可以增加采样频率 完成复杂的信号 处理和控制算法 使P I D 算法 卡尔曼滤波 F F T 状态观测器 自适应控制及智能控制能 在较短的采样周期内完成 控制电力电子外罔设备 实现电动机的控制和调速 并且D S P 的信号处理能力还能减少传感器的数量 电机控制专用D S P 还可产生高分辨率的P W M 波形 灵活实现P W M 控制 减小电磁干扰和其它噪卢问题 同时多路P W M 输出可用束控制多台电 机 交流调速控制系统采用D S P 器件 可以设计出适合于大多数电力电子系统的统一的硬 件电路 降低控制器的硬件成本 改善控制的可靠性完成计算和判断的复杂控制功能 并且 容易实现监控 预警 数据采集和故障诊断等功能 现在 全数字化的控制系统己经成为现 代电气传动系统的发展趋势 1 4 本文解决关键问题的途径 本文首先对直接转矩控制算法进行了深入研究 进而通过仿真对矢量控制算法和直接转 矩控制算法的控制性能进行对比 证明直接转矩控制具有更优良的控制效果 然后进行异步 电动机直接转矩控制系统的软硬件设计 在硬件设计方面控制器采用1 1 公司的高速信号处 理器1 M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 AD S P 芯片 主电路的功率逆变部分采用先进的智能功率模块P M 使 用光电编码器对转速进行采样 整个硬件设计实现了先进的控制算法与先进的控制器件的结 合 最后进行直接转矩控制系统的软件设计 采用C 和汇编语言混合编程 并在C 2 0 0 0 环 境下进行了调试 7 直接转矩控制问题的研究及D S P 系统设计 2 直接转矩控制原理及设计方案 2 1直接转矩控制原理 2 1 1 感应电动机数学模型的建立 异步电动机就其本质而一言 是一个高阶 非线性 强耦合的多变量系统 为了便于分 析 在建立异步电动机的数学模型时 作以下几点假设瞄1 1 忽略空间谐波 三相定子绕组和三相转子绕组在空间对称分布 在空间互差1 2 0 度 各项电流所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布 2 忽略铁磁饱和 磁滞及涡流等的影响 不计铁心和导线的集肤作用 3 转子为圆柱形 气隙均匀 忽略定子 转子齿槽影响 认为定子 转子具有光滑的 表面 4 不考虑频率和温度变化对电动机参数的影响 异步电动机的数学模型包括磁链方程 标准状态方程 转矩方程及转子运动方程等 感 应电动机直接转矩控制系统中采用的分析方法是空间矢量的数学分析方法 使得问题变得简 单明了 图2 1 是感应电动机的空间矢量的等效电路图 I l 歹够矽 l 图2 1 异步电动机的空间矢量等效电路图 F i g 2 1 E q u i v a l e n tC i r c u i to f A s y n e h r o n o u sm o t o rs p a c ev e c t o r 该电路图是在 F 交定子坐标系 a D 坐标系 上描述感应电动机的 各物理量的意义如下 y f 一定子电压空间矢量 一定子电流空间矢量 一转子电流空间矢量 缈 一定子磁链空间矢量 矽 一转子磁链空间矢量 8 大连理T 人学专业学位硕十学位论文 一电角速度 机械角速度和极对数的积 图2 2 三相坐标系a b e 与两相系统口 轴的位置关系 F i g 2 2 R e l a t i o no f c o o r d i n a t ea b c a n dc t 且规定将旋转空间矢量在Q 轴 见图2 2 上的投影称为Q 分量 在正交的B 轴上的投影 称为B 分量 则感应电动机在定子坐标系上由下列方程式表示n 们 R I 0 R 2 1 2 一矽2 I j a 沙2 定子磁链与转子磁链由下式获得 沙l L I 2 1 2 2 2 3 2 4 定子旋转磁场提供的功率如下 气 P 缈 T 吾 一a I l 口 一 2 5 式缈 一定子频率 定子旋转磁场的频率 且 缈 织L 口 f l L 由此方程町得出下面两个方程式 9 2 6 直接转矩控制问题的研究及D S P 系统没计 1 口 一0 9 L I 印 一C O s 一 2 7 V l 口 彩s L I 口 c o s 甲l 口 2 8 将式2 7 和式2 8 代入式2 5 得转矩 丁 要一 口 一一卢比 2 9 如果用转子磁链代替定子电流 转矩方程式将变为简明的形式 即 l 2 2 1 0 由式2 3 和式2 4 可得 丁 古瓤 一甲1 q J L p 2 1 1 该公式表达的是定子磁链与转子磁链之间的交叉乘积 也可写成如下形式 专孤脚I n 秒 2 1 2 式中0 定子磁链与转子磁链之间的央角 即磁通角 由此可知电动机的转矩和定子磁链与转子磁链之间的交叉乘积成正比 转子磁链的变化 可以根据式2 2 通过改变转子电流来实现 而定子磁链可以根据式2 1 以定子电压的积分来 改变 稳态转矩的计算则是根据式2 12 通过对转子磁链与磁通的夹角0 t 的计算束完成 转矩的大小通过改变定子磁链运动轨迹的平均速度从而改变磁通角0 来实现来控制 2 1 2 逆变器的电压状态 用于感应电动机直接转矩控制的逆变器如图2 3 所示 由三组 六个丌关 S 墨 S b 夏 s 墨 组成 在图中相电压分别为输出值是以开关状态的切换状态而定 所以可以 得到2 3 8 种导通状态n S S S 分别是0 l 其中 l 表示与 极接通 反之 O 表示与 一 极接通 则逆变器的丌关状态如表2 1 所示 逆变器相应的瞬时电压矢量如 图2 4 所示 l O 大连理 I 人学专业学位硕七学位论文 图2 3 电j 卞 i 逆变器 F i g 2 3V o l t a g ei n v e r t e rs c h e m a t i c 利用P a r k 矢量变换将三个电压标量 三维 变换为一个矢量 维 如式2 1 3 所示n 刁 y S a S b S c 詈 成 p 2 S c V i ad j v 2 1 3 i 堑 其中y 为定子电压的空间复矢量 v l 口为y 实轴分量 H 口为y 虚轴分量 P e 3 图 2 4 中y l 0 0 0 y l 1 1 1 是输出端子短路时的状态 属于零电压矢量 y l 可用矩阵形式 表达如式2 1 4 所示 表2 1 逆变器的开关状态 T a b 2 1c o n t r a c to f I n v e n t o rS w i t c hS t a t e 1l 22 西矗 22 2 1 4 直接转矩控制问题的研究及D S P 系统设计 应用与上述相同的变换方法 可以得到定子电流的空间复矢量如式2 1 5 所示 1 0 I 一 I 吒 吼 l 1 1 H 0 l 1 1r 1 钟 0 9 P 巧 0 l 1 巧 O 1 O 图2 4 空间电压矢量分布 F i g 2 4V o l t a g ev e c t o rs p a c ed i s t r i b u t i o n 2 1 3 异步电动机的转矩控制原理 2 1 5 逆变器的输出电压y t 直接加到异步电动机的定子上 则定子电压也为y t 定子 磁链矽 f 与定子电压矿l t 之间的关系由式2 1 确定 经变换得 矽l f I y I f 一 l f 尺1 d t 2 1 6 若忽略定子电阻压降 则 矽l h t m 2 1 7 从式2 1 7 中可知 只要对定子电压向量进行适当的切换 就可以控制磁链甲 的大小 使之保持一定 如图2 5 所示 图中定子磁链被分成了六个区 即0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 当定子磁链走到某一区时 如0 1 若定子电压在y 1 1 0 状态的积 分使得定子磁链沿着定子电压方向不断增加 则当定子磁链幅值增加到I 甲 1 l x 甲 l 时对定子 1 Z 电压进行切换 如切换到矿 0 1 0 状态 使得定子电脏的积分改变方向 即磁链改变方向 1 2 一2万一2 2 笪2 2鱼2 人连理 人学专业学位硕十学何论文 定子磁链的幅值丌始减小 当定子磁链减小到I 出 l 三 卫时 则再次对定子电压进行切换 1 2 并切换到y 1 l 0 定子磁链又开始沿着定子电压矿 1 1 0 的方向增加 这样通过改变 定子电压来实现对定子磁链的控制 由于这种方法可将定子磁链控制在某一固定值范围 所 以在这种条件下 就可以得到圆形的磁链轨迹 从而获得很高的转矩响应 2 J 只要选择适当 的矢量 就可以得到如图2 5 所示的状态 由于在实际运行中 保持定子磁链的幅值为额定值 而转予磁链幅值由负载决定 由式 2 1 2 可知若要改变感应电动机的转矩 可以通过改变磁通角来实现 在直接转矩控制技术中 其基本控制方法就是通过电压空问向量y t 来控制定子磁链的旋转速度 控制定子磁链走 走停停 以改变定子磁链的平均旋转速度的大小 从而改变磁通角的大小 以达到控制电机 转矩的目的 如图2 6 所示 t 时刻的定子磁链少 f 和转子磁链矽 以及磁通角0 t 的位置见图2 6 从t 时刻 观察到t 时刻 若此时给出的定子电压空间矢量使定子磁链J 下转 则定子磁链空间矢量由 f 的位置旋转到缈 的位置 这个期间转子磁链的旋转情况由式2 2 可知不直接跟随 超前于它的定子磁链 转子磁链的位置变化实际上受该期间定子频率的平均值的影响 因此 在时刻t 到时刻t 这段时间罩 定子磁链旋转速度大于转子磁链的旋转速度 磁通角0 t 加大 由0 t 变为0 t 相应地转矩也增大 若在t 时刻 给出零电压向量以 则定子 磁链空间矢量p t 保持在t 时刻的位置静止不动 而转子磁链空间矢量却继续旋转 则磁 通角减小 从而使转矩减小 图2 5 定子磁链向量控制 F i g 2 5 C o n t r o lo f f l u xv e c t o r s 直接转矩控制问题的研究及D S P 系统设计 p J 图2 6 转矩的调 i 了 F i g 2 6T o r q u er e g u l a t o r 2 1 4 异步电动机的直接转矩控制方案 通过以上分析可知 对于一台异步电动机采用直接转矩进行控制 首先 适当选择各开 关状态 即利用异步电动机输入电压矢量的不同组合 并且对定子磁链轨迹进行分区 不同 区域采用不同电压矢量控制 使定子磁链的轨迹近似为一圆形 也就是维持定子磁链的平均 值近似为恒定值 以使谐波 噪音及转矩脉动最小 其次 转矩调节器采用三值比较器 利 用零电压矢量的插入时间长短来控制定子磁链转速的改变 从而改变磁通角 进而改变转矩 或采用反向旋转的定子电压使定子磁链反转来改变转矩 将转矩值限制在一定的容差范围 内 使得电动机输出的转矩基本维持恒定 通过对异步电动机的定子磁链和转矩的调节和控 制来实现电动机的调速n 3 1 在控制过程中定子磁链调节和转矩调节是密不可分的 因此定子 电压开关控制表应该是二者共同作用的结果 2 2 异步电动机直接转矩控制系统 直接转矩控制系统框图如图2 7 所示 图中包含了转矩的闭环控制 磁链位置的测定 以及磁链幅值的闭环控制 司 以下介绍系统各部分工作原理 2 2 1 磁链的自控制和调节 根据式2 1 6 确定异步电动机的定子磁链有一个优点 就是在计算过程中唯一需要了解 的电动机参数是易于确定的定子电阻 式中定子电压和定子电流同样也是易于确定的物理 量 它们能以足够的精度被检测出来 计算出定子磁链后 再把定子磁链和测量所得的定子 1 4 火连理T 人学专业学位硕士学 7 论文 电流代入式2 9 就可以算出电动机的转矩 用定子电压与定子电流来确定定子磁链的方法 称为 一f 模型法n4 l 其结构如图2 8 所示 磁链自控制的任务是识别磁链运动轨迹的区域 且给出正确的磁链开关信号 以产生相应的电压空间矢量 控制磁链按照圆形轨迹正确地旋 转 磁链调节的任务是通过定子电压空间矢量将定子磁链的幅值控制在允许的范围内 使磁 链的轨迹接近圆 图2 7 直接转矩控制系统 F i g 2 7 C o n t r o ls y s t e mf o u n d a t i o n 形 为此 首先确定磁链的幅值范围一 I 学 根据这个范围可以得出两个同心圆 对定 子磁链控制的目的就是使其轨迹在两个同心圆所确定的范围内 再将定子磁链轨迹分成六个 区 即0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 不同区域采用不同的定子电压矢量 如图2 1 0 所示 为描述方便 先给出逆变器电压状态与开关状态对照2 2 表 由矽 I y f 衍离散化得到 甲l 胛 甲l g 一1 1 l 胛一1 2 1 8 表2 2 逆变器电压状态与开关状态对照表 T a b 2 2C o n t r a c to f I n v e n t o rS w i t c hS t a t ea n dV o l t a g eS t a t e 直接转矩控制问题的研究及D S P 系统设计 图2 8 定子磁链的U f 模裂 F i g 2 8 T h eu iM o d e lo f S t a t o rF l u x 用矢量三角形描述式2 1 8 如图2 9 所示可得 I 甲l 1 1 J In l 皿 C O S 9 W 2 1 9 故可得如下结论 1 当所施加的电压矢量与当前磁链矢量之间的夹角的绝对值小于9 0 度时 该矢量作 用的结果使得磁链幅值增加 2 当所施加的电压矢量与当前磁链矢量之间的夹角的绝对值大于9 0 度时 该矢量作 用的结果使得磁链幅值减小 3 当所施加的电压矢量与当自 磁链矢量之间的夹角的绝对值等于9 0 度时 包括零矢 量 该矢量作用的结果使得磁链幅值基本保持不变 图2 9 定子磁链位置和电压矢量 F i g 2 9 F l u xd e f i n i t i o na n dV o l t a g ev e c t o ro f s t a t o r 1 6 人连理T 大学专业学位硕十学位论文 I 敝 v m 浴 五 图2 1 0 定子电压作用下的磁链运动 F i g 2 1 0M o v e m e n to f f l u xc o n t r o l l e db ys t a t o rv o l t a g e 以位于0 1 区的A 点为例 见图2 1 0 如果需要磁链幅值增加 则可选择电压矢量 或 如果需要定予磁链幅值减小 则可选择电压矢量 z 或叱 但定子电压矢量z 和z 是使定子磁链反向旋转的 不可取 而电压矢量口 在A 点的方向与定子磁链旋转 方向相差很远 通常也不可取 所以采用电压矢量u 和 来控制磁链幅值 采用相邻两电 压矢量进行控制还有一个优点 就是这两个电压矢量只有一位开关量不同 在切换时只需改 变其中 位开关量的状态 这样