中文翻译-一个关于感应电动机直接转矩控制的简单的开关表硬件电路

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 11 页一个关于感应电动机直接转矩控制的简单的开关表硬件电路Bibhu Prasad Panigrahi a,b,Dinkar普拉萨德,Sabyasachi 森古普 电机工程系、英迪拉甘地理工学院,Sarang,Dhenkanal,759146,印度奥里萨邦电机工程系,印度理工学院,Kharagpur 西孟加拉邦,印度,721302文摘一个简单的关于直接转矩控制(DTC)的硬件电路实现了,它可用来快速控制感应电动机。这个提出的硬件方案模仿传统开关表,不需要使用任何在线快速计算设备像微处理器,PC 或 DSP。控制器只使用常用的离散的硬件组件。硬件实现的实验结果已经被提出和被仿真结果所支持。另一个没有使用开关表的备用硬件方案也被提出并对实验结果的方案进行比较,发现相互是一致的。关键词:直接转矩控制;感应电机驱动;逆变器;开关表，直接转矩控制;变速传动1 介绍感应电机直接转矩控制(DTC)已引起一些寻找有效的和高性能交流电机驱动器的研究人员的重大兴趣。在发表的文献中，几乎所有的的 DTC 相关工作都使用相对昂贵的数字信号处理器等等。虽然数字控制驱动器具有很好的灵活性,但对于控制器成本可能只是整个系统的一小部分时，它们的成本增加可能会限制其在高端驱动器上的使用。另一个来自数字控制驱动器方法上的因素是输入电机电流模拟值和逆变器直流环节电压上的延迟基于 PC(或者说 DSP)的直接转矩控制。该延迟部分是由于固有的延迟在 A/D 转换过程和部分由于串行方式,在数据输入通过一个由多路 A/D 转换器的输入线。总体程序执行时间延迟严重限制了可实现的 PWM频率的逆变器和电动机通量波形,电流和转矩可能不会被引用在某些限制中。实现更高的 PWM 开关频率或许要被迫使用高速数字处理器与多个 A /D 转换器来实现更快的能力等等,导致了更高的成本。本文提中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 11 页出了以更换硬件来减少总体成本以及实现更高的脉宽调制开关频率。整个 DTC方案实施使用通常可用的低成本离散电子元件。先进的硬件有望应用在众多的低和中等功率感应电动机驱动器上，在小规模行业中，在选择驱动时考虑控制器成本是一个重要的因素。2 直接转矩控制的原理基于 DTC的流行的开关表使用在三维查找表中的存储交换信息,查找表在变量通量和转矩误差以及空间位置的通量矢量连接定子绕组(2-11)。一个典型的开关表与表 1相似。在表 1中,表示通量逻辑。逻辑“1”表示增加和逻辑“0”表示减少。表示扭矩逻辑： 1 , 0 和1 ,分别调用为控制作用增加,维护,减少电动机转矩。讲述六个空间矢量瞬时定子通量。基于三个输入变量(、 、),所需的逆变器输出向量被指定开关表。六个主动电压向量和两个零向量,表示为相应的开关模式与数字空间电压矢量表示。例如,变化的电压矢量 VI将要求,根据图 1,打开开关上在引脚a和b和较低的开关在引脚c 。图 2显示了六个变化的空间向量和所有的六个空间矢量。每一个电压矢量位于相应的中心部位。随着我们在逆时针方向运动按照 d-q轴,向量 6、5、4、3、2、1 进入序列。向量 1从-延伸 (从 d轴,在逆时针的方向)的图 2等等。在所有的报道工作, 借助一些快速数字处理器，开关表建立 DTC方案实现了 DSP或 PC6、7。实际的电机电流和直流环节电压被应用于计算设备。基于切换模式输出像 PC机(或 DSP)和了解直流环节电压的瞬时幅度三个阶段对电机线电压进行了计算。将三相电流和电压转换为两相静止“d”和“q”轴。图 1逆变器的 DTC驱动中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 11 页图 2空间电压矢量和空间领域表 2扇区确定算法表 3 带有 6个控制信号的直接转矩控制开关表中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 11 页3 提出硬件方案主要硬件模块作为简单解释了在未来部分在拟议的 DTC实现方案是:感应电机终端电压和电流和转换他们从三相到两相。确定 d轴组件的定子与通量和计算合成通量大小,其空间位置部门)和通量逻辑信号()。扭矩计算和比较实际和参考震级的扭矩得到转矩逻辑状态()。硬件实现的开关表(表 1)。3.1 感应电机电压和电流和三相到两相转换电动机终端电压由低成本场效应晶体管的输入应用在微分放大器模式，这样的线电压信号电平电压下调,称电子接地电位。基于低成本运放的电压传感器电路与相对较低的带宽就足够了目前应用的最终使用这些信号在确定相对较低的频率实际 d 、q 轴。两个电流传感器,致力于霍耳效应原则,用来获得孤立的测量线电流和定子。三相平衡的检测线电压 vbc、vab 转换为两阶段电压 vd 、vqs,三相对两相的实现是通过使用简单的运算放大器基础电路。这两个线电流 ias和 ibs的感应电动机是同样转化为 d、q 轴,再使用运放电路。3.2 确定定子联系及其位置,定子 d和 q轴电压减去这个集成电阻下降来得到定子通量组件。d 和 q组件的定子通量(和)使用两个单独的平方低成本因子(AD633)和个人乘法器输出增加,使用一个运放,得到的定子磁链定向的磁场。与平方级的定子通量进行比较，参考通量大小由通量逻辑信号()获得。和是使用运算放大器相比基于零水平比较器和他们的输出决定了 A1 和 A2，根据前面给出的描述。D 向量组件通量的整流电路取他的绝对值。每个精密整流器运用到一个运放和一个模拟开关(IC DG 201)。绝对价值的流量提供给分频器电路( /)。这个比例是在 (= 1.732)时使用运放比较器。如果该比率大于 1.732,A0是1否则 A0是0。3.3 实际转矩计算 这两个流量和连同两个计算电流和被用来计算旋转转矩 Tem。通过使用电动机的几个低成本乘法器电路和一个运放 AD633JN，减少了转矩由其参考价值中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 11 页通过使用一个运放减法器造成转矩误差。这个转矩误差进一步加工才能得到的数字控制信号为转矩控制逻辑在本节的后面描述。3.4 普通的数字控制信号转矩控制逻辑两个控制信号已经被用来实现三个水平控制动作转矩(表 1),转矩误差与正、负电压做比较，分别使用两个基于滞后运放比较器。让来自迟滞比较器的输出控制信号使用正向参考电压和输出比较器使用的参考电压。如果和变低或“零”,然后转矩逻辑“0”是实现作为转矩误差仍然在小的正面和负面的参考电压。同样,扭矩逻辑“1”是实现当 ST2变得低或“零” 。转矩逻辑”1 是实现低或“零”和 ST2变高或“一” 。3.5 逻辑开关表实现DTC开关表如表 1所示以上是转载下面的表 3使用六个控制信号A2、A1、A0,ST2 作为输入和输出电压矢量，为了简化，使用卡诺图(k 线图)优化技术。第一列显示了三个控制信号 A2、A1、A0，三位格雷码代表定义的六个空间矢量。第二到第九列第一行显示其他三个控制信号。这个 88矩阵表示开关状态的 a、b 和 c。符号“X”意味着无条件的逆变器的开关。接下来,表 3是隔离的引脚和一个新的开关表，对应三个逆变器的引脚 a、b、c。（3.1）3.6 时钟和缓冲电路切换信号 Qa、Qc Qb和一个同步的 50kHz 的时钟脉冲(时间=20s)从每个 D触发器的输出通过缓冲和隔离阶段对逆变器的栅极驱动电路。4 实验结果基于硬件的所有 DTC方案实施实验室规模电动机的三相 220 v,50赫兹,0.75千瓦等级。电机通过直流他励装入发电机。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 11 页图 2普通开关逻辑信号引脚 a 图 3 同一时间上实际转矩与参考转矩的对比定子磁链定向的参考级被设定为额定值(0.5257 Wb)和所需转矩的变化在信号发生器上显示。这个参考转矩是近 1 赫兹的带有一些直流偏置的方波。增大转矩的命令来自 30%至 100%的额定转矩(4.95 Nm)。所需的转矩也是同样的数据。这相同的模板转矩命令被用于所有的实验结果。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 11 页图 4 显示了生成的转矩响应上升和下降的扭矩命令。从图 4可以看到,电机转矩仍以滞后带作为期望值。相同的图已经被扩展到不同的时间段上(1 ms / div)。如表 5和 6。图中观察到，电动机实际转矩跟随上参考转矩需要花费1ms的时间，同时需要花费 0.5ms的时间到达所需转矩。图 7显示了在回应上面的转矩命令模板时改变d轴组件的实际定子通量。电机转速的变化由改变扭矩和频率得到，实际定子通量的变化可满足转矩需求。从图 8可以看到,频率在“d”和“q”轴组件定子磁链定向的改变而各自的振幅却保持相同的数。两个通量组件视为正交。两个电机的电流相位对应扭矩模板。可以看出,当前震级的变化响应扭矩命令。在空负载时,阶段电流遭受小失真。这可能是由于主导组件的磁化,部分是由于实验缺陷。a相与 b相电流的对比5 数字仿真结果上面的 DTC方案在 c+的环境下数字化模拟仿真，发现其仿真结果与实验结果一致。所有仿真结果表示在每一单位值和这里给出的转矩命令被验证。图10显示了实际转矩响应在单位时间内与参考转矩的叠加和已看到的数据密切匹中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 11 页配。由于磁滞带的转矩比较器，高频波形实际的转矩是预期的。表 11和 12是在图 10上的扩展版。扭矩需要约 1毫秒时间赶上与步骤增加转矩命令(图 11)而它需要大约 0.5毫秒的时间赶上一步下降转矩命令(图 12)。图 13显示了改变 d 轴组件的实际定子通量在回应上面的转矩命令模板。电机转速的变化由于改变扭矩和开发频率的模拟实际定子通量的变化来满足的扭矩需求。见图14显示了 d和 q轴组件定子磁链定向的作为时间的函数。两个部件是正弦和在交对方,最主要的一个是 d轴通量组件。频率对通量组件随改变转矩命令步。图 15显示了时间变化,定子相 a 和 b 电流在回应的方波扭矩命令。你可以看到频率的变化类似定子通量。它可能是指出,当前的震级保持平衡。可以观察到,上面的数字仿真结果接近他们在第四节提出的实验。6 一个替代硬件的方案另一个新硬件的基础方案,不同于上述传统开关表建立 DTC的方案, 在这一节中被提出了。这里两个正弦电压信号相同的大小和频率在相位上正交,代表了固定式d和q轴组件的定子参考通量。这些引用的频率增加或组件通量减少了回应的转矩误差。6.1硬件实现的提议控制器主要的硬件模块实现直接转矩控制的新方案是:感应电机终端电压和电流和转换他们从三相到两相(d 轴组件)。确定 d轴组件的定子与通量和计算实际转矩。计算转矩误差和将它输入转矩控制器。参考 d 、q 轴流量控制转矩控制器。普通的逆变器开关逻辑基于通量误差。电动机终端电压和输入电流是从三相到两相跟随和改变的。这个 d、q 轴组件(ds 和 qs)实际定子与通量分布,得到电机的同样的方式。电机开发转矩计算按程序中给定截面 3.3。这实际转矩,因此计算,对比参考转矩和误差反馈的结果由一个比例积分控制器调节。对于上述方案参考震级，转矩和通量设置在外部。输出转矩(PI)控制器用来加速或减速定子参考通量向量。参考通量和逆变器开关分别在以下两个部分讨论中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 11 页了此方案。6.2 实验结果拟议的新的 DTC 方案在同一实验规模的三相电动机上实现了,220V,50Hz,0.75 kw等级用于实现早期的传统表 DTC切换。电机加载也保持相同,与早期提到的直接转矩控制方案比较。定子参考通量被设定为额定值(0.5257 wb = 1 /单元 )和重复的一步, 通过一个发电机改变转矩得到命令信号。参考(命令)转矩是矩形 1赫兹的形状与一些直流偏压。这构成了一步增加转矩命令从 30%到 100%的额定扭矩(4.95 nm = 1 /单元)。步骤减少转矩命令也通过同样的金额。同样的模板的转矩命令被用于所有实验结果显示在图 21。图 18显示了开发,电动机转矩的响应矩形参考转矩。实际的转矩是发现赶上与参考转矩在不到作为参考和实际扭矩变化在一个矩形波,电动机转速变化的频率和 d、q 组件的定子参考通量也相应地改变。图 19显示了实验波形,定子参考通量(d 轴组件)连同参考转矩命令。 “q”轴组件的引用通量也发现了不同。 “d”和“q”组件实际定子通量跟随参考通量组件。实验波形图显示了在“d”和“q”组成的实际流量在应对上面的转矩命令的变化。可以看出通量变化的频率而其级仍然是常数。图 21是显示改变两个电机电流的相位响应上面的转矩参考的实验结果。当前的大小变化反应转矩命令。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 10 页 共 11 页7 结论一个完整的硬件电路开关表已经应用在一个简单的方案上，它基于感应电动机直接转矩控制(DTC)。一个实现这个计划的替代的硬件电路在第六节中被描述过。两个硬件方案自动按照低频脉动和波动的直流环节电压。在第一硬件实现方案中，一种基于空间位置的定子与通量的新奇的部门确定技术被发现。实验和仿真结果显示,该计划能够得到非常满意的稳定状态和动态性能,并可使用于快速计算设备，如 DSP。对于第二个硬件实现电路的实验结果，其表明这个替代方案也能给予满意的稳定状态和动态性能。比较这两个方案，显示第二个方案的结果有更好的通量和电流波形但是转矩跟踪性能有所逊色。这是在第一方案中预期到的,转矩控制优先于通量控制，在第二个方案上通量是直接控制。这个所有的硬件基础控制器表现似乎相当满意。硬件实现是为了演示电机运行方向和速度。但是通过一些简单的改动或增加方案可以扩展到包括四象限运行于一个更广泛的速度范围。两个硬件实现方案的 DTC成本低且不需要运用任何数字计算装置。完整的硬件电路在不同情况下可能被集成在有特定应用程序的集成电路，这使硬件实现更有竞争力和成本效益。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 11 页 共 11 页参考文献1 T.G. 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