中文翻译-基于TMS320LF2407A的异步电机直接转矩控制研究

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 8 页中文翻译：基于 TMS320LF2407A 的异步电机直接转矩控制研究徐路飞，南广群电气与电子信息工程学校黄石技术研究所黄石，湖北省，中国摘要异步电机直接转矩控制是继矢量控制技术之后提出的一种高性能的控制系统。近 20 年来，它一直以其简洁明了的系统结构、优良的动态和静态性能迅速发展。直接转矩控制系统直接控制电磁转矩和定子磁链，采用空间矢量和定子磁链定向的分析方法。在本文建立的感应电机驱动系统的数学模型直接转矩控制（DTC）中，介绍了直接转矩控制（DTC）基于 TMS320LF2407A 的感应电机方案。该控制方案可以用电压空间矢量调制技术得到逆变器的开关控制信号。最终得到一个用 DSP 控制 1.1 千瓦的驱动器的方法。实验结果表明，利用SVPWM 的 DTC 具有许多优点，如实现简单、运行性能好、电压利用率高。1.绪论异步电动机直接转矩控制（DTC）的方法因其简洁的系统方案，良好的动态和静态性能被广泛利用。它在很大程度上，解决了在计算复杂度矢量控制的一些重要问题，通过对电机参数变化影响的规律，实际的性能很难做到理论分析结果。直接转矩控制系统采用空间矢量分析和现场的定子磁链定向，以定子电流和电压的实时检测到 3/2 变换，然后直接交流电机的磁链和转矩的计算到静止坐标系。根据控制器的输出和焊剂的定位结果，查找最优开关表，可以产生 PWM 信号。本文建立的数学模型的直接转矩控制（ DTC）的感应电机系统。然后，一个全数字化的直接转矩控制系统的实现方案，介绍了以TMS320LF2407A 作为核心控制芯片，IPM 作为主电路的工作原理。该控制方案获得空间电压矢量调制技术的逆变器开关控制信号。本文提出了系统的硬件和软件结构。试验结果表明，SVPWM 的 DTC 具有许多优点，如实现简单、运行性能良好、电压利用率高。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 8 页2.异步电机直接转矩控制的控制原理和数学模型直接转矩控制系统结构如图 1 所示，主单元是由转速 PI 控制器，转矩 PI控制器，PI 控制器的磁通，定子磁链观测器和转矩等构成。在直接转矩控制系统中，关键在于如何控制定子磁链 s，而它可以通过 U-I 模型推导，定子磁链s 和电压之间的关系如下。它采用近圆形磁链轨迹控制系统在低速运行，从而保证了转矩和定子磁链在频率低的情况下不变。DTC 电压方程（1）定子磁链方程（2）（3）（4）在公式中， s 、 s 是定子磁链 S 在 - 坐标上的分量， 是磁轨道相位角。 s 、 s 、 r 、 r 是定子与转子在 - 轴线上的电压，is 、 is 为定子电流的分量。式 5，表示感应电机的电磁转矩方程。（ 5）通过公式（1）至（5） ，可以计算出该定子磁链和电磁转矩的理论观测值。分析计算结果后，定子磁链和电磁转矩可以采用闭环控制，控制系统的开关状态可以通过磁链空间位置和查找开关表得到。当逆变器处于一个运行状态，磁中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 8 页通轨迹沿电压矢量对应状态的方向移动。定子磁链的估计依赖于定子电阻，而定子电阻的偏差会造成定子通量的不合理偏差。为了解决直接转矩控制系统电机在速度慢时性能较差的问题，提出了模糊控制器的模糊推理算法，它可以估计定子电阻。图 1 基于 SVPWM 的 DTC 系统图3.该系统的组成及电流检测该实验系统以 TMS320LF2407 作为控制芯片，智能模块 PM200CAVJ060作为逆变器主电路。该系统的硬件结构图如图 2 所示，TMS320LF2407 作为主成分，其指令周期为 25ns，使用 PWM 得分辨率高，可以实现实时控制的复杂计算。两个事件管理模块 EVA 和 EVB，能实现 A/D 转换的 16 个通道，对称和非对称 PWM 波和死区的规划等。芯片 HEDS - 5606 是用于速度检测，其正交编码脉冲电路频率是芯片 LF2407A 的 4 倍，可以由脉冲计数定时器的速度反馈值可以得到。电流传感器 LA108-P 用于定子电流检测，一，定子电流信号的B 相采样，放大和滤波后送入 A/D 与 DSP 处理器的端口。电压传感器 LV228P用于电压检测，对三相交流电压的值可以通过测量主电路直流侧电压得到。功率模块达到 20kHz 的开关频率，它是 6 个 IGBT 单元和它集成了完美的驱动电路内部，从而达到功能的过电流保护，过热保护和系统低电压保护。电流检测电路是通过检测 fig.3.since 电机绕组对称的两个 ia 和 ib 电流。如图 3 所示，将检测到的霍尔电流送到信号放大电路，全波整流器的输出发送到采样针 adcin1（B 为 adcin2）A/D 转换器在 TMS320LF2407A 的模拟信号转换中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 8 页为数字进行处理。图 2 系统硬件结构图图 3 电流检测电路4.SVPWM 的工作原理与软件设计控制系统采用空间电压矢量实现空间电压矢量调制逆变器的开关信号。其输入信号是控制器磁链和转矩输出信号 Vref 和 Vref 。在任何时刻，定子电压矢量应该落在六个电压扇区来区别基本电压矢量。在任何 PWM 周期 T，任意的定子电压矢量可以通过相邻的两个基本矢量合成。如图 4 所示，电压 Vref 是中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 8 页两个基本电压矢量 V1，V2 和两个零相电压 V7，V8 的合成矢量。它们之间的关系是：（6）（a）（b）图 4 电压矢量 PWM空间矢量的计算步骤如下：（1）电压矢量的计算；（2）判断是根据区间角相；（3）开关电压矢量作用时间的计算；（4）复合三相 PWM 信号根据开关电压矢量作用时间的计算。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 8 页控制软件分为两部分，主程序和中断服务程序。主程序完成初始化后继续循环。所有的控制过程是在中断服务程序完成。中断服务程序主要完成电机的定子电流、电压采样，加工电流，电压的转换，A/D 转换器，速度反馈信号通过电路单元处理，并输出 6 路 PWM 信号，用于基于直接转矩控制算法控制。该系统采用定时器 T3 触发中断每一采样周期，从而确保产生 6 路 PWM 脉冲。5.实验结果和结论实验电机参数是额定功率 PN 为 1.1kW，定子额定电压 UN 为 380V，定子电阻是 3.66 欧姆，定子电流 2.66A，定子电感 Ls 为 316.6mh，转子电感 Lr 是316.6mh，定子互感 Lm 是 296.6mH，额定转速是 1410r/min，实验结果如图 5至图 8 所示。从这些数字示波图能看出，电机的过渡时间很短，电机转速从 0上升到 800 转，不到一秒钟的时间，没有超调量，它充分体现了直接转矩控制的优异的加速性能。从图 6 到图 7，在稳定状态下的电流波形与电压波形是有更好的质量正弦波。图 5 设定转速 n*和实际转速 n中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 8 页图 6 在稳定状态下的定子电流波形图 7 定子电压波在稳定状态图 8 定子磁链组件直接转矩控制方案，采用 TMS320LF2407A DSP 作为核心控制系统，用控中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 8 页制系统的软件编写 DSP 汇编语言进行研究。定子磁链观测器是直接转矩控制系统的重要组成部分。经典的 U-I 模型简单。然而，随着误差的积累，积分器不可避免地带来了直流漂移。本文提出了一种基于低速和高速间的转化的模型。在本文中，我们研究感应电机直接转矩控制系统在 TMS320F2407A 中的应用。采用 SVPWM 技术的原理，通过软件设计抑制谐波产生的信号，简单方便。致谢在此，作者要感谢自动化重点学科项目与黄石电子工程学院的支持。参考文献1 M.F.Escalante,J.C.Vannier,A.Arzande.Flying capacitor multilevel inverters and DTC motor drive applications.IEEE Trans.Ind. Electro.,2002, vol.49,no.4,8098152 Joon Hyoung Ryu, Kwang Won Lee,Ja Sung Lee. A Unified Flux and Torque Control Method for DTC-Based Induction-Motor Drives. IEEE Transactions on Power Electronics,Vol.21,No.1,January 2006:2342423 Masao Yano,Michio wahori Transition from Slip-Frequency Control to Vector Control for Induction Motor Drives of Traction Applications in Japan Power Electronics and Drive Systems 2003. PEDS 2003.The Fifth International Conference on Volume 2,17204 Wang Huangang,Xu Wenli,Yang Geng,et al. Anew approach to direct torque co