感应电机空间矢量直接转矩控制的数字实现研究论文电子版下载.doc

感应电机空间矢量直接转矩控制的数字实现研究论文电子版下载 第45卷第7期xx年7月电力电子技术Power ElectronicsVe145。 No7Julyxx感应电机空间矢量直接转矩控制的数字实现孙振兴，张兴华(南京工业大学，自动化学院，江苏南京210009)摘要给出一种感应电机空间矢量直接转矩控制(DTC)的数字实现方法，详细阐述了以TMS320F2812作为控制器核心的直接转矩变频调速系统的软、硬件设计方案。 采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)方式生成逆变器开关控制信号。 有效减小了转矩和磁链的脉动，实现了感应电机的高性能控制。 实验结果表明，该系统起动迅速，运行平稳。 动、静态性能优良。 关键词感应电机空间矢量脉宽调制；直接转矩控制TM571A1000一lOOX (xx)07005803A DigitalImplementation forSpace VectorM odulationDirect Torque Control ofInduction Motor SUNZhenxing，ZHANG Xinghua(Nanjing Unweof Technology，Najing210009，China)AbstractA digitalimplementation methodof space vector pulse width modulationdirect torquecontrol(DTC)system ofinduction mot0rs ispresentedThe softwareand hardware designscheme ofDTC dr i ving system usingthe TMS320F2812as themain controlleris investigatedBy usingspace vectormodulation methodto produceinverter switchcontrol signal，the fl uxand thetorque ri ppleare reducedsignif icantlyConsequently，the highper formancecon-tr olo finduction motordr iving systemis real izedT he experi mentalresults showthat thedrivingsystemstarts quicklyand operatessmoot hlyT he systemhas excellentdynamic andsteadystate performanceKeywordsinduction motor；spacevectorpulsewidthmodulation；direct torquecontrol FoundationProjectSupported byNationa lNatural scienceundation ofChina(No60974009)；Six Tal entFlood TideProject ofJiangsu Province(No09E010)l引言DTC是继矢量控制后发展起来的一种高性能交流调速方法，具有动态响应快，控制简单及鲁棒性好等优点。 DTC有两种基本实现类型基于滞环和开关逻辑表的DTC及空间矢量调制(SVPWM)DTC【1。 前者采用滞环比较定子磁链和转矩与参考值之间误差，依据比较结果，通过查表选择基本电压矢量对电机转矩、定子磁链进行直接控制。 该方法在一个采样周期内仅作用一个固定的电压空间矢量。 忽略了转矩和定子磁链误差的大小导致低速时较大的转矩和磁链脉动。 且逆变器的开关频率不固定2】。 后者根据转矩和定子磁链的误差采用PI控制通过驱使误差为零确定参考电压矢基金项目国家自然科学基金资助项目(6O974oo9)；江苏省“六大人才高峰”项目(O9E010)定稿日期xx1230作者简介孙振兴(1984)，男，江苏常州人，硕士，研究方向为交流电机驱动控制。 58量，然后利用SVPWM合成该矢量。 由于采样时刻的电压和定子磁链误差可在下一个控制周期内得到补偿。 因此转矩和定子磁链的脉动较小，且SVPWM算法保证了逆变器开关频率恒定【3。 在此给出了一种SVPWMDTC的数字实现方案。 以TMS320F2812为控制器，二极管整流桥和IGBT逆变桥组成功率主电路。 采用高速光耦完全隔离高压与低压侧的PWM驱动信号保证驱动板不受高压干扰，构造数字化的SVPWMDTC系统，实现了高性能感应电机的变频调速。 2直接转矩控制的基本原理和系统结构21基本原理根据交流电机理论，感应电机的转矩方程为=l l llsin8r (1)厶式中L为漏电感；为定子磁链矢量；为转子磁链矢量；为转矩角。 电机运行时，为充分利用电动机的定额，通常保持定子磁链的幅值为额定值，转子磁链幅值由感应电机空间矢量直接转矩控制的数字实现负载决定。 因此根据式 (1)，可通过调节来改变感应电动机的。 设当前时刻t。 的定子磁链向量为(t)，下一个采样时刻t的定子磁链向量为(t)，采样周期为，其间作用于电机的空间电压矢量为。 由电机基本方程可得(t)=(t2)一(t) (2)图1为定子磁链变化与空间电压矢量作用关系图。 可见，通过选择适当的，可控制的旋转速度改变定子磁链的平均旋转速度从而改变的大小，达到控制电机输出转矩的目的。 图1定子磁链变化与空间电压矢量作用关系图22空间矢量直接转矩控制系统结构图2示出SVPwMDTC系统结构。 l垒I_一I整流器一E编码器图2SVPWMDTC系统结构图M定子电流i，i由霍尔传感器检测，经32变换，得到静止，卢坐标系下的定子电流分量i，i。 定子磁链由如下观测器进行估计qtm=J(M一尺)，m=ol，卢 (3)式中为在，JB坐标系下的估计值；?i分别为定子电压、电流矢量在ot，坐标系下的分量。 忽略定子电阻R压降，式 (3)可写为=J，=、蚺蜉f4)【0a=tan(口)转矩计算式为=号(。 ) (5)估计出的定子磁链与转矩经PI调节器得到d，q坐标系下定子电压分量，u，最后由2r2s变换得到下个周期所需的u，。 系统中电机由电压源型逆变器供电驱动，逆变器的输出共有8种电压矢量，包括6个工作电压矢量。 (100) (101)和2个零电压矢量 (000)， (111)。 3系统硬件设计系统硬件主要包括功率驱动电路、信号检测电路和DSP控制电路。 功率驱动电路采用ACDCAC电压型变频电路，由整流电路、滤波电路和逆变电路三部分组成，拓扑结构如图3所示。 图3功率驱动主电路系统采用霍尔传感器检测电机的定子电流。 霍尔传感器具有测量精度高输入与输出在应用频率范围内成线性关系，可以做到无接触检测等特点。 由于霍尔元件输出有正有负的弱电流信号，因此先将电流信号转换为电压信号。 此信号经过运算放大器的电压调理得到满足03V要求的信号，再经过跟随器的隔离和限幅后，将检测值送至DSP的AD转换器采用增量式旋转编码器作为测速元件检测到的差分信号经AM26LS32ACD元件转换成电压信号给DSP的CAP捕捉口。 增量式编码器的优点为无需AD转换，可直接与数字控制芯片相连，抗干扰能力强，测速范围大，分辨率高等，因此特别适合于数字控制系统。 电机旋转一周编码器产生1024个脉冲。 若对两列脉冲的上升沿和下降沿均计数就会产生4096个脉冲。 在一个速度采样周期内。 将检测到的边沿数存放在计数寄存器T2T中，当需要计算转速时，仅需从T2T中读取此值即可。 根据2次计数差和采样周期可计算出转子的机械角位移。 该系统采用的TMS320F2812型DSPl具有高达150MIPS高速数据处理能力18KB片内数据RAM128KB FLASHEPROM；定时器连续向上，下计数生成对称PWM3个全比较单元输出6路互补的PWM，且极性可设置具有生成SVPWM的硬件电路死区时间设置灵活；快速AD转换器增强的CAN模块和事件管理器EV，正交编码器电路接口及多通道缓冲串口等外设。 外围电路得到了很大简化，系统成本降低，具有很高的可靠性因此在电机全数字控制系统中得到广泛应用。 59第45卷第7期xx年7月电力电子技术Power ElectronicsVo145No7Julyxx4软件实现与启动策略41软件流程系统软件主要包括主程序和定时器下溢中断服务子程序两部分，软件流程如图4所示。 主程序主要实现DSP中各模块的初始化任务。 PWM波的产生采用对称的方式由EV模块GP定时器1进行定时中断当定时器计算值为零时事件触发中断。 中断服务子程序中将直流母线电压和两相电流的AD采样及速度检测送入DSP，经磁链观测器、磁链PI调节器、转矩PI调节器及SVPwM等模块进行运算处理，所产生的结果选择施加到逆变器的开关矢量状态字。 当全比较器产生比较匹配时，立即将该状态字加载到输出逻辑控制单元。 以决定此时PWM脉冲信号的高低电平状态控制功率器件的通断。 达到控制电机的目的。 豳藿囱Y32标变换r一定了磁链、转矩角、转矩计算=工=二速度Pl调节=工=磁链PI调节I=二工=转矩PI调节I=一压稠r_J圃，】一T1中断返回(a)丰程序(b)定时器下溢中断服务了程序图4软件流程图42启动策略对交流感应电机而言起动过程包括建立磁场和输出转矩两部分。 DTC系统起动一般采用串行起动法或并行起动法【61。 前者优点是响应速度较快，但其电流过载较大；后者优点是电流过载小，但响应较慢。 实验中采用并行起动策略。 5实验结果实验选用四极变频调速感应电机。 其参数为=055kW，uN=38o v，N=15A，N=1390rr ain，R。 =128Q，R=466Q，Lk=55mH，互感系数L=730mH，J-0035kgm，摩擦系数b=0015。 实验中，PWM采样周期Ti n=100I xs，速度采样周期Ts=10Tp，给定转速(Or=50rad8，磁链给定值=07Wb，速度PI调节Kpl=1，Ki1=01，磁链PI调节=100，=O1，转矩PI调节Kp3=80，Ki3=01，转矩限幅35NIn。 图5a为转速响应曲线。 可见，转速响应无超调，稳态转速波动较小。 图5b为转矩响应曲线，可见。 起动时转矩动态响应迅速，轻载时有一定转矩脉动。 图5c为定子磁链曲线，可见，磁链轨迹平滑，脉动较小。 图5d为定子相电流波形，可见，起动电流波形接近正弦波，稳态时(对应于电机轻载)电流波形产生了一定畸变。 总体上驱动系统的动、静态性能优良，运行平稳。 O0霎o o0009060300，30609d|Wb(c)定子磁链3薹O一1ts fd)定子相电流图5实验波形6结论针对基本直接转矩控制中转矩和磁链脉动较大，逆变器开关频率不固定的问题，研究了将空间矢量调制技术和直接转矩控制有机结合的SVPWMDTC系统，给出其数字实现方案，并对系统进行了实验，结果证明，SVPWMDTC技术对控制磁链，降低转矩脉动有明显效果。 参考文献【1】Lascu C，Boldea I，Blaabjerg FA Modified DirectTorqueControlfor InductionMotor SensorlessDrive【J1IEEE Transon IndustryApplications，2000，36 (1)122-130【