感应电机无速度传感器直接转矩控制系统的设计

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1、徐州师范大学本科生毕业设计 感应电机无速度传感器直接转矩控制系统的设计徐 州 师 范 大 学本科生毕业论文（设计）论 文 题 目： 感应电机无速度传感器 直接转矩控制统的设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期

2、： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 2摘 要1985年德国学者Depenbrock提出了异步电动机的直接转矩控制(Direct Torque Control)变频调速思想，直接转矩控制技术作为继矢量控制之后出现的一种新型的现代交流电机控制技术，以其控制简单、鲁棒性强、动态性能好等优点日益受到更多

3、的关注。无速度传感器技术的优势使得它成为目前电机控制研究热点之一。两者相结合构成的无速度传感器直接转矩控制系统也成为未来电机控制技术的发展方向之一。本文正是针对这一技术进行了一些研究。本文从异步电动机数学模型出发，根据传统直接转矩控制原理中电压矢量的选择方法，推导了一个优化的电压矢量选择表。利用该电压矢量表，直接根据定子磁链的轴分量，结合当前的磁链位置查表得到磁链电压，再根据转矩误差信号得出当前的电压矢量，对逆变器的开关状态进行控制，产生适当的PWM信号，使电机的磁链沿近似六边形轨迹运动的同时获得高动态特性的转矩响应。本文利用基于数字信号处理器(DSP)开发的硬件系统，对六边形磁链轨迹控制PW

4、M方法和直接转矩控制方案进行了实验研究，实现了控制系统的稳定运行。关键词: 直接转矩 DSP 电压矢量表AbstractThe strategy of Direct Torque Control is one of the variable frequency speedcontrol scheme, which was developed in 1985 by Prof. Depenbrock. TheDirect Torque Control (DTC) technique attracts more and more attention after VectoControl theory

5、 because of its robust characteristic, simple realization and excellent dynamic response.The advantages of speed-sensorless technique have made it become afocus of current motor control reseach works.With the combination of these two techniques,speed-sensorless DTC system become one of the direction

6、s for motor control technique in future. In this paper, the scheme is investigated thoroughly. On the basis of the mathematical model of induction machine, an optimized voltage vector selection table was deduced based onthe theory of the tradition DTC. By utilizing the vector selection table, we can

7、 get it directly from the voltage vector select table after we attained three values, that is, the pfractions of the stator flux and current position of it. According to the torque error signal, we can get the current voltage vector under which the inverter will produce relevant PWM voltage signal t

8、o the motor terminals. High dynamic response of torque control of the induction motor is achieved as the stator flux moves along a hexagon approximately. We developed a hardware system based on Digital Signal Processor (DSP) and carried out DTC experiment on it, realizing the successful operation of

9、 the system. Keywords: DTC DSP voltage vector selection table目 录摘要ABSTRACT1 绪 论11.1 概述11.2 交流异步电机的控制策略分类12 异步电机数学模型和电压空间矢量42.1 异步电动机的数学模型42.2 电压空间矢量113 DSP芯片概述133.1 DSP芯片的定义及分类133.2 DSP芯片的发展历程153.3 DSP芯片的应用164 控制系统硬件设计174.1 主电路的设计184.2 控制回路设计224.2.1 DSP控制板235 系统软件设计255.1 直接转矩控制的原理265.1.1 定子磁链观测器275.

10、1.2 磁链和转矩的控制295.1.3 磁链位置的判断315.1.4 电压矢量选择表325.2 主程序设计345.3 子程序设计34结 束 语37参考文献38391 绪 论1.1 概述现代电气传动技术以电机为控制对象、微处理器为控制核心、电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成电气传动控制系统以达到控制电机转速或位置的目的。直流电机存在结构复杂，使用机械换向器和电刷，使它具有难以克服的固有的缺点，如造价高、维护难、寿命短、存在换句火花和电磁干扰，电机的最高转速、单机容量和最高电压都受到一定的限制。所以交流电机得以进入更多的领域并得到迅猛发展。交流变频调速以其优异的调速和起、制

11、动性能，高效率、高功率因数和节电效果，被国内外公认为最有前途的调速方式，成为当今节电、改善工艺流程以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。随着电力电子技术、微电子学、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电力传动领域正在发生着交流调速代替直流调速和计算机数字控制技术代替模拟控制技术的革命。1.2 交流异步电机的控制策略分类V/F控制当前异步电机调速总体控制方案中，V/F控制方式是最早实现的调速方式。该控制方案结构简单，通过调节逆变器输出电压实现电机的速度调节，根据电机参数，设定V/F曲线，其可靠性高。但是，由于其属于速度开环控制方式，调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在

12、低速区域由于定子电阻的压降不容忽视而使电压调整比较困难，不能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以实现0.5%的精度，所以采用这种V/F控制的通用变频器异步电机开环变频调速适用于一般要求不高的场合，如风机、水泵等机械。若开发高性能专用变频控制系统，此种控制方式不能满足系统要求。矢量控制矢量控制是当前工业系统变频系统应用的主流，它是通过分析电机数学模型对电压、电流等变量进行解藕而实现的。针对不同的应用场合，矢量控制系统可以分为带速度反馈的控制系统和不带速度反馈的控制系统。矢量控制变频器可以分别对

13、异步电动机的磁通和转矩电流进行检测和控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了变频调速，大大提高了电机控制静态精度和动态品质。转速精度约等于 0.5%，转速响应也较快。但其需要进行复杂的数学计算以及速度传感器的安装，使得其稳定性大大的降低。直接转矩控制除以上两种调速方式之外，国际学术界比较流行的电机控制方案研究还有致力于直接控制电机输出转矩的直接转矩控制(DTC)。将电机输出转矩作为直接拄制对象，通过控制定子磁场向量控制电机转速。将直接转矩控制和矢量控制进行对比，单从原理上分析，直接转矩控制和矢量控制没有太大的区别。直接转矩控制的特征是控制定子磁链，是直接在定子静止坐标

14、系下，以空间矢量概念，通过检测到的定子电压、电流，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链和转矩，获得转矩的高动态性能。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量变换中的许多复杂计算，它也不需要模仿直流电动机的控制，从而也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，而只需关心电磁转矩的大小，因此控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易得到磁链模型，并方便地估算出同步速度信息，同时也很容易得到转矩模型，磁链模型和转矩模型就构成了完整的电动机模型，因而能方便地实现无速度传感器控制。智能控制在经典和各种近代的控制理论基础之上提出的控制策略都有一个共同点

15、即控制算法都依赖于电机的数学模型，但当模型受到参数变化和扰动作用影响时，如何进行有效的控制，使系统仍能保持优良的动静态性能，便是人们需要研究的一个大课题。智能控制就随之产生。智能控制被认为是自动控制理论、运筹学、人工智能理论的综合，是主要根据人工智能理论更加精确的模拟电机的非线性性，以此确定智能控制输出模型的输出量大小，进而确定功率控制器开关模式。得到实际应用的智能控制有专家系统、模糊控制、神经网络等，这将是电机控制的发展方向。2 异步电机数学模型和电压空间矢量2.1 异步电动机的数学模型异步电动机的数学模型和直流电动机相比有着根本的的区别。异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变

16、量系统。其原因有：第一，异步电动机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再加上机械系统的机电惯性，即使不考虑变频装置中的滞后因素，它至少也是一个七阶的系统；第二，在异步电动机中，磁通乘以电流产生转矩，转速乘以磁通得到旋转感应电动势。由于这些因素都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项，这样一来，即使不考虑磁路饱和等因素，数学模型也是非线性的；第三，异步电动机只有一个三相电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，为了获得良好的动态性能，还希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能发挥出较大的转矩。在异步电机调速系统中，一般采用的数

17、学模型都是基于理想的电机模型。该模型对异步电机作如下的几个基本假设： 1.异步电机的磁路是对称的，不计磁饱和的影响。 2.电机定转子三相绕组在结构上完全对称，在空间上互差120度，不计边缘效应。 3.定转子表面光滑，无齿槽效应，定转子每相气隙磁势在空间上呈正弦分布。 4.磁饱和、涡流及铁芯损耗均忽略不计。图 2.1 恒转矩负载下异步电动机在三相静止坐标系上的多变量数学模型电压方程定子三相绕组的电压平衡方程为： 式（2-1）转子三相绕组折算到定子侧的电压平衡方程为： 式（2-3）把上面两个式子写成矩阵形式，并用p代替微分算子得到： 式（2-3）向量表示为：式中为三相定子电压；为三相转子电压；为三

18、相定子电流；为三相转子电流；分别为定转子电阻；为三相定子磁链；为三相转子磁链。磁链方程每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和与六个绕组的磁链方程可以矩阵表达式为： 式（2-4）向量表示为：上式中L是66电感矩阵，现对矩阵元素分析如下：对角线元素为各绕组的自感；与电机绕组相交链的磁通有两类：一类是只与某一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通；另一类是穿过气隙的主磁通。设为两相绕组平行时的互感，绕组漏感为。由于定转子折算后绕组匝数相等，认为，则：定子三相绕组的自感；转子三相绕组的自感；（2）非对角线元素为定子绕组、转子绕组之间的互感和定转子绕组之间的互感。定子绕组位置固定相差120，所以定子绕组之间的互感为

19、： 式（2-5）同理三相转子绕组之间互感为： 式（2-6）定子和转子绕组之间互感由于定转子绕组之间的夹角是变化的，所以该互感参数是角位移的函数。定转子之间的互感表达式为： 式（2-7）由以上的讨论将式（2-5）写成分块矩阵为： 其中：系数矩阵L中为对称常数矩阵；但是之间的关系为：是三角函数矩阵，比较复杂，但是和互为转置关系，这是值得利用的特点。系统的强耦合非线性特性就是由余弦函数矩阵表达出来的。这就是异步电机控制非线性的根源所在。将式（2-4）代入到式（2-3）中并展开成得到向量形式为： 式（2-8）因为L阵是角位移的函数，故上式可进一步写成： 式（2-9）式中，为电动机的旋转角速度（用电角度

20、表示）。3运动方程电动机的机械运动方程为： 式（2-10）式中，为电机额定输出转矩；为负载转矩；为电动机转轴上总的转动惯量；为电机极对数。4转矩方程根据机电能量转换原理，在多绕组电机中，在线性电感的条件下，磁场的储能和磁共能为： 式（2-11）而电磁转矩等于机械角位移变化时磁共能的变化率（电流不变），且机械角位移，则：将和的代入上式并整理得： 式（2-12）从以上的推导得出三相异步电机的数学模型，由式（2-8）、（2-9）、（2-10）组成。 式（2-13）由式(2一13)可知异步电动机的数学模型比较复杂，本质上因为异步电动机是高阶、非线性、多变量和强祸合的系统，我们希望通过坐标变换使之简化。

21、式（2一13)的异步电动机的数学模型是建立在三相静止A、B、C坐标系上的，现在把它变换到任意二相旋转d、q坐标系上，比原来的模型简单。图2.2异步电机坐标模型该电机模型已经由实践所证实，图2.2显示了它的坐标模型。其中A、B、C为三相定子绕组轴线，d、q为等效两相电机模型轴线。由此物理模型，可推导得到任意速度旋转坐标系下异步电机的状态方程为：电压方程式(2一14): 式（2-14）磁链方程式(2一15)： 式（2-15）电磁转矩方程式(2一16)： 式（2-16）机电运动方程式(2一17)： 式（2-17）将式（2-15）代入（2-14）式中，得： 式（2-18）式中 d、q系统的旋转速度当时

22、为同步旋转d、q系统；当时为定子静止坐标系统。 转子旋转角速度 同步旋转角速度，即定子角频率 转差角速度 定子电阻 定子电感 转子电阻 转子电感 极对数 定转子互感 转动惯量 电磁转矩 负载转矩 微分算子下标s、r分别表示定子、转子侧的物理量。从电机统一理论可知，在静止坐标系上的异步电动机的等值电路如图2.3所示。图2.3异步电机空间矢量等效电路对于鼠笼式异步电机而言，Ur=0，为了方便下面对直接转矩控制的理论分析，现将-定子坐标系下的鼠笼式异步电机数学模型改用复数空间向量的形式表示如下： 式（2-19） 式（2-20） 式（2-21） 式（2-22）2.2 电压空间矢量直接转矩控制一般采用三

23、相二点式电压逆变器供电，如图2.4用表示上桥臂3个功率器件的开关状态，=1表示A桥臂上边闭合，下边断开, =O则相反。表示法与月相似。因在任意时刻同一桥臂只能有一个开关元件导通，这就决定A、B、C三相共有8个开关状态，分别对应8个电压空间矢量。，其中6个非零电压矢量，和两个零电压矢量。8个电压矢量在复平面的空间分布如图2.5所示。利用电压逆变器的开关特点，正确地选择电压空间矢量不断切换电压状态，使定子磁链逼近圆形，并通过零电压矢量的穿插调节来改变转差频率，从而控制电机的转矩，实现电机的磁链和转矩同时按要求快速变化。图2.4电压型逆变器理想模型图2.5电压空间矢量表示法3 DSP芯片概述3.1

24、DSP芯片的定义及分类？数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴科学。20世纪60年代至今，随着信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到了迅速的发展。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩识别等处理以得到符合人们需要的数字形式。图3.1所示的是一个典型的数字信号处理系统框图。图3.1数字信号处理系统框图图3.1中，输入信号可以是语音信号、传真信号，也可以是视频信号，还可以是传感器（如温度传感器）的输出信号。输入信号经过带限滤波后，通过AD转换器将模拟信号转换成数字信号。根据采样定理，采样频率至少是输入带限信号最

25、高频率的2倍，在实际应用中一般为4倍以上。数字信号处理一般是用DSP芯片和在其上运行的实时处理软件对输入数字信号按照一定的算法进行处理，然后将处理后的信号输出给DA转换器，经DA转换、内插和平滑滤波后得到连续的模拟信号。DSP是指用于进行数字信号处理的可编程微处理器，人们常用DSP一词来指通用数字信号处理器。DSP芯片的结构特点 改进的哈弗结构 多总线结构 流水线技术 多处理单元 特殊的DSP指令 指令周期短 运算精度高 丰富的外设 功耗低DSP特殊的内部结构、强大的信息处理能力、及较高的运行速度，是DSP最重要的特点。DSP是高性能系统的核心，它接收模拟信号（如光和声），将它们转化成数字信号

26、，实时地对大量数据进行数字技术处理。这种实时能力使DSP在声音处理、图像处理等不允许时间延迟的领域的应用十分理想，成为全球70%数字电话的“心脏”，同时DSP在网络领域也有广泛的应用。DSP芯片的分类图3.2 DSP芯片的分类3.2 DSP芯片的发展历程在DSP芯片出现之前，数字信号处理只能依靠通用微处理器（MPU）完成，但MPU较低的处理速度却无法满足系统高速实时的要求。直到20世纪70年代，才有人提出了DSP理论和算法基础。那时的DSP仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的DSP系统也是用分立元件组成的，其应用领域仅限于军事、航空航天部门。世界上第一片单片DSP芯片是1978年AMI公司宣布

27、的S2811，在这之后，最成功的DSP芯片当数TI公司1982年推出的DSP芯片。这种DSP器件采用微米工艺、NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快几十倍，尤其在语音合成，编解码器中得到了广泛应用。DSP芯片的问世，使DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步至20世纪80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP应运而生，其运算速度和存储容量都得到了成倍的提高，成为语音处理和图像处理技术的基础。20世纪80年达后期，第三代DSP芯片问世，运算速度进一步提高，应用范围逐步扩大到通信和计算机领域。20世纪90年代DSP发展最快，相继出现了第四代和

28、第五代DSP。第五代产品与第四代产品相比，系统集成度更高，将DSP芯核及外围元件综合集成在单一芯片上，这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透生活的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定性因素。目前对DSP爆炸性需求的时代已经来临，前景十分广阔。现在世界上的DSP芯片有300多种，生产DSP的公司有80多家，主要厂家有TI公司、AD公司、Lucent公司、Motorola公司和LSI Logic公司。TI公司作为DSP生产商的代表，生产的品种很多，大约占市场份额的60%。3.3 DSP芯片的应用DSP芯片的应用几乎已遍及电子与信息的每一个领域，常见的典型应用如

29、下： 通用数字信号处理：数字滤波、卷积、相关、FFT、希尔伯特变换、自适应滤波、窗函数和谱分析等。 语音识别与处理：语音识别、合成、矢量编码、语音鉴别和语音信箱等。 图纸/图像处理：二维/三维图形变换处理、模式识别、图像鉴别、图像增强、动画、电子地图和机器人视觉等。 仪器仪表：暂态分析、函数发生、波形产生、数据采集、石油/地质勘探，地震预测与处理等。 自动控制：磁盘/光盘伺服控制、机器人控制、发动机控制和引擎控制等。 医学工程：助听器、X射线扫描、心电图/脑电图、病员监护和超声设备等。 家用电器：数字电视、高清晰度电视（HDTV）、高保真音箱、电子玩具、数字电话等。 通信：纠错/译码、自适应均

30、衡、回波抵消、同步、分散接收、数字调制/解调软件无线电和扩频通信等。 计算机：阵列处理器、图形加速器、工作站和多媒体计算机等。 军事：雷达与声纳信号处理、导航、导弹制造、保密通信、全球定位、电子对抗、情报收集与处理等。4 控制系统硬件设计无速度传感器直接转矩控制系统各部分的结构和计算方法己经确定，这些方法将在以TI公司的DSP(TMS320F2407A)为主体构成的系统中得以实现。所有控制算法的实现和实用化均不能离开硬件系统，本节主要介绍系统硬件电路的设计与实现。基于DSP的无速度传感器直接转矩控制系统硬件结构如图4.1所示。图4.1系统硬件结构框图4.1 主电路的设计直接转矩控制系统的主电路

31、采用交一直一交电压型变频器结构，由整流电路、限流电路、滤波电路、能耗制动电路和逆变电路这几个部分组成的。图4.2 主电路整流及滤波电路整流电路的任务是把三相交流电变换成直流电。本系统属于中、小容量变频器，整流器可采用不可控整流二极管成的桥式全波整流，再经大容量电解电容C，构成的滤波环节进行滤波，为逆变器提供恒定的直流电压。中间电容C的作用主要有两点：（1） 消除二极管整流器的输出电压的波纹，尽量保持直流电压的输出的恒定波形；（2）电机属于感性负载，故中间直流环节总和电机之间存在能量转换，而逆变器的电力电子器件无法储能，因此电容的另一个作用就是作为储能元件实现能量的缓冲。限流电路及安全保护电路当

32、变频器通电时瞬时冲击电流较大，为了保护电路元件并减小通电瞬间电路对电网的冲击，在电路中加入了限流电阻，通过限流电阻（即图中的充电电阻）减小通电瞬间电流对元件的冲击，并通过延时控制，在通电一段时间后触发继电器，切除限流电阻，这样既不影响电路正常工作时的电路整体性能，又可提高电路的启动瞬时性能。当电路不工作时由于电容C上有大量的电荷所以电容上的电压很高，对人的安全造成一定的威胁，所以在电路不工作的时候将放电电阻接入电路中配合继电器对电容C进行放电。能耗制动电路当能耗制动时，电动机再生的电能经续流二极管全波整流后反馈到直流电路，在滤波电容上会有短时间大量电荷堆积，这就是所谓的“泵生电压”，使得直流电

33、压升高。过高的直流电压将会使各部分器件受到损害。因此，当直流电压达到的一定值，就要求提供一条放电回路-即能耗制动电路，将再生的电能消耗掉。逆变电路。逆变电路的功能是在驱动信号的作用下把直流电变换到幅值恒定、频率可调的三相交流电，由功率器件和驱动电路组成。功率器件用于逆变器的常见功率器件有如下几种：（1） 大功率晶体管（BJT或GTR）电流控制型器件，优点是击穿电压和集电极最大饱和电流都较大，缺点是开关频率较低，最高为2KHz左右。因而以BJT为逆变器件的载波频率也较低，电动机有较大的电磁噪声。另外控制电路的驱动功率也较大。（2） 功率效应管漏极电流的大小受控制级与源级间的电压控制，属电压控制性

34、器件，开关频率较高，最高答20KHz以上。因此，以MOSFET为逆变器件的变频器载波频率也较高，电动机基本无电磁噪声。此外，控制电路所需的驱动功率极小。但迄今为止，其击穿电压和漏极最大饱和电流都较小，难以满足多数变频器的要求。（3） 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBT是MOSFET和BJT结合的产物，主体部分与晶体管相同，但驱动部分却和场效应管相同。电压控制型功率器件。主要优点是击穿电压和集电极饱和电流也较大。由IGBT模块作为逆变器的变频器容量已达250KVA以上。而且开关频率也可达20KHz，电机的电流波形比价平滑，基本无电磁噪声。目前绝大部分中、小容量变频器的逆变模块都在用IGBT管

35、。其驱动电路也都已模块化。（4） 智能功率模块（IPM）智能功率模块是把与逆变管配套的驱动电路、检测电路与保护电路以及某些接口电路等和功率模块集成到一起的集成功率模块。本系统是中、小型系统采用IGBT作为逆变元件。IGBT的等效电路及开关特性见图4.3。图4.3 IGBT等效电路及开关特性驱动电路驱动电路的作用是：（1） 实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离；（2） 提供合适的栅极驱动脉冲。实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。驱动电路结构框图如图4.4所示。输入部分为双路PWM及对应控制电源信号，经独立或互锁设定单元确定电路工作模式，可设定为普通全桥模式或无死区控制全桥模式

36、。普通全桥应用时，上下两管信号互锁，用户可以设置死区时间，确保不直通。无死区全桥模式应用时，上下两管可以同时导通，因此可用于电流型全桥电路的驱动。通过DC/DC辅助开关电源，可得到四路相互独立的24V电压输出，于四片驱动芯片的供电。与传统的四路变压器隔离供电相比，减小了体积，节省了成本，且使用更加方便，当主控板电源电压为15V供电时，可与之使用同一电源。驱动单元输出四路隔离驱动信号，用于驱动IGBT，同时对IGBT起保护作用。当IGBT的电流过大，集电极对发射极的电压达到阈值电压时，驱动器启动内部的保护机制。因为各种尖峰干扰的存在，为避免频繁的保护影响开关电源的正常工作，设立盲区是很有必要的；

37、当过流信号时间大于设定的盲区时间时，开始软关断。软关断开始后，驱动器封锁输入PWM信号，即使PWM信号变成低电平，也不会立即将输出拉到正常的负电平，而要将软关断过程进行到底。软关断开始后经过短暂延迟，驱动板经光耦隔离输出互补的故障报警信号，由主控板处理。IGBT的短路保护动作阈值、保护盲区时间、软关断时间等参数可通过用户保护参数设置单元灵活设置，也可以使用默认值。图4.4 驱动电路结构框图图4.5 应用连接图4.2 控制回路设计控制电路控制电路由DSP控制板及其外围电路组成，主要完成信号检测、控制算法实现、逆变器PWM波形输出等功能。所有复杂的控制算法和控制策略都是通过TMS320F2407A

38、控制器来实现的，涉及到DSP的大部分集成外设，如：事件管理器EV、串行通讯接口SCI、串行外设接口SPI、PWM发生模块等。4.2.1 DSP控制板利用DSP来控制各类电机，不仅能方便的实现控制电路，并且能完成各种复杂的、高性能的控制策略。微处理器通过控制电机的电压、电流、转矩、转速以及转角，使电机按给定的指令准确工作，可使电机的性能有很大的提高。TMS320LF2407A是美国TI(TexasInstruments)公司专为数字电机控制而推出的一种定点DSP，是基于TMS320CZ双型16位定点数字信号处理器(DSP)的新型DSP控制器系列的首批成员。它集DSP的信号高速处理能力和适用于电机

39、控制的外围电路于一体，为电机控制系统数字化设计提供了一个理想的解决方案，在电机数字控制中得到广泛的应用。TMS320LF2407A具有如下的结构特点： 采用了高性能的静态CMOS制造技术，使得该DSP具有低功耗和高速的特点。工作电压3.3V，减小了控制器的功耗。高速运算能力，30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns，从而提高了控制器的实时控制能力。低功耗有利于电池供电场合；而高速非常适合电机的实时控制； 片内集成了32K字的Flash程序存储器、2K字的SRAM、544字的DRAM； 两个专用于电机控制的事件管理器（EVA、EVB）。每个事件管理器都包括：2个16位通用定时器，8个16

40、位脉宽调制PWM通道，1个能够快速封锁输出的外部引脚PDPINTx，可防止上下桥臂直通的可编程死区功能，3个捕捉单元，1个增量式光电位置接口，16通道A/O转化器。事件管理器模块特别适用于控制交流感应电动机、直流无刷电动机、开关磁阻电动机和步进电动机； 提供外扩展64K字的程序存储器、64K字的数据存储器、64K字的I/O能力； 片内看门狗电路，实时监视系统运行状态； 16通道10位A/D转换器，具有可编程排序功能，4个启动A/D转换触发器。 串行通讯SCI模块，支持CPU与其他使用标准格式的异步外设之间的数字通讯，可编程65535种传输速度； 1/0模块、以N2.0模块、SPI模块； 32位

41、累加器和32位中央算术逻辑单元（CALU）；16位16位并行乘法器，可实现单指令周期的乘法运算，5个外部中断。 图4.6 TMS320F240DSP结构框图 TMS320LF2407A DSP有两个事件管理器EVA和EVB，每个事件管理器都有两个定时器、三个比较单元、三个捕捉单元、一个增量式光电编码器接口。事件管理器这个为应用而优化的外围设备单元与高性能的DsP内核一起，使在所有类型电机的高精度、高效和全变速控制中使用先进的控制技术成为可能。事件管理器中包括一些专用的脉宽调制(PWM)单元。例如:一个可编程的死区单元和一个用于三相电机的空间向量PWM状态机，它们可以在功率三极管开关过程中提供最

42、大的效率。三个独立的双向定时器，每一个都有单独的比较寄存器，可支持不对称的或对称的PWM波形。四个捕获输入中的两个可直接连接来自光电编码器的正交编码脉冲信号。 模数转换模块包含两个带有内部采样保持电路的10位串行/电容模数转换器。LF2407A中有16个模拟输入通道，其中每个模数转换器有8个输入通道，并且F2407有两个二级FIFO结果寄存器用于存放转换结果。模数转换的最大总转换时间是6.6s，基准电压(0-5V)由外部提供。 串行外设接口(SPI)是高速的同步串行IO口，用于DSP与外部设备或其它控制器间同步数据通讯，支持125种不同的波特率，例如系统时钟SYSCLK是10MHz，波特率的范

43、围是:78.125kbps到2.5MbPs。典型应用包括外部I/O或外部扩展。串行通讯接口(SCI)提供了通用全双工的异步接收/发送(UART)通信模式，可与PC机串口、打印机等标准器件通讯，可采用RS一232一C协议。通过一个16位波特率选择寄存器可获得超过65000种不同的可编程波特率，例如系统时钟SYSCLK是10MHz，波特率的范围是:19.07到625Mbps。 看门狗(WD)定时器和实时中断(RTI)模块监视软件和硬件操作。如果软件进入一个不正确的循环或者CPU出现暂时性异常时，WD定时器溢出产生一个复位。RTI模块提供可编程间隔的中断，在CPU异常时实现系统复位。5 系统软件设计

44、本系统的控制软件分两大部分:主程序模块和子程序、中断服务模块。主程序模块管理整个软件的流程，由它来负责调用个个子程序。子程序和中断服务模块负责完成对转矩和磁链的估算，开关量信息的捕捉，串行中断程序、故障处理。由于是模块化的编写程序，所以应在充分理解直接转矩的控制原理与步骤的基础上进行程序的编写。5.1 直接转矩控制的原理直接转矩控制系统结构如图5.1所示，它包括转矩控制环节和磁链控制环节，采用离散的两点式调节(Bang-Bang控制)，通过转矩和磁链的滞环控制选择出合适的电压矢量来调节定子磁链，并通过控制定子磁链的前进和停止来控制电机转矩，使之快速跟踪给定，同时通过对定子磁链形状的控制来选择合

45、适的开关状态，从而产生PWM信号。图5.1 直接转矩控制系统结构图在正交定子坐标系中（坐标系）中，异步电动机数学模型基本方程为： 式（5-1） 式（5-2）以上两式中，为定子电压空间矢量，为定子电流空间矢量，为定子电阻，为转子电阻，为定子磁链空间矢量，为转子磁链空间矢量。从上面两式可以推导出电动机转矩表达式为： 式（5-3）转矩表达式也可以写成如下形式： 式（5-4）根据式（5-4）可知，转矩的大小与定子磁链幅值、转子磁链幅值和磁通角s的乘积成正比。在实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁芯；转子磁链幅值由负载决定；要改变电动机转矩的大小，可以通过改变磁通角s的大小来实现。通

46、过转矩两点调节来控制电压空间矢量的工作状态和零状态的交替出现，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，从而改变磁通角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。5.1.1 定子磁链观测器u-i定子磁链观测器模型用定子电压和定子电流来确定定子磁链的方法叫“ui”模型法。由式（2-25）可知 式（5-5）写成分量形式为： 式（5-6）ui模型只有在被积分的差值较大时才能提供正确的结果。其误差是由定子电阻的存在引起的。因此只有在10%额定转速以上时，特别是在30%额定转速以上时，采用u一i模型能够非常准确地确定定子磁链。该方法结构简单，精度高，优于其它方法。i-n定子磁

47、链观测器模型定子磁链和转子磁链还可由下面的方程组来确定： 式（5-7）i一n模型中不出现定子电阻，也就是说不受定子电阻变化的影响，但是i一n模型受转子电阻、漏电感、主电感的影响。此外，还需要精确地测得转子角速度的大小。一般说来，高速时采用u一i模型，因为它结构简单，受参数影响小；而低速时采用i一n模型，因为低速时受的影响，ui模型己不能正确地工作。u-n定子磁链观测器模型un模型由定子电压和转速来计算定子磁链，由以下方程组构建un模型。 式（5-8）该模型实际上是综合了i一n模型和u一i模型的优点，使得两个模型平滑地切换。所以un是一个全速范围的定子磁链观测模型。该观测模型可以根据现代控制理论

48、观测器设计方法，通过合理设计观测器误差反馈系数得到。高速时电动机模型实际工作在ui模型下，低速时电动机模型实际工作在in模型下。转矩、磁链控制器。5.1.2 磁链和转矩的控制在直接转矩控制系统中，转矩控制和磁链控制可以分别通过一个滞环比较器来实现。其结构分别如图5.3、5.4所示。 图5.3 转矩控制器 图5.4 磁链控制器对转矩控制，首先计算转矩给定值与转矩实际值之差：式中: 一转矩给定值，可以单独给定，也可以由速度调节器的输出得出；一转矩实际值，由转矩观测器得出。设置滞环宽度，则转矩控制信号TQ由决定，即:若，则TQ=0，要求选用电压空间矢量使转矩减小;若，则TQ=1，要求选用电压空间矢量

49、使转矩增大;若，则TQ不变，选用电压空间矢量使转矩不变。对磁链控制的原则与转矩控制类似，首先计算磁链误差：式中，-磁链给定值； -磁链实际值，由磁链观测器得出。设置滞环带宽，则磁链控制信号甲由决定，即:若，则甲=0，要求选用电压空间矢量使磁链幅值减小；，则=1，要求选用电压空间矢量使磁链幅值增大；若，则不变，选用电压空间矢量应使磁链幅值不变。图5.5恒定圆形磁链轨迹控制示意图 图5.6转矩变化控制示意图理论上讲，取的越小，则转矩控制和磁链控制就越精确。但的大小又受功率器件的开关频率的限制。一般来说，器件的开关频率越低，相应选取的就应越大，即滞环变宽。这样，虽然系统的性能稍稍变差，但整个系统仍能

50、稳定运行。若器件开关频率较低时仍然取较小的，则滞环也就失去了意义，系统也可能会出现震荡现象。实际上，两个控制器在控制系统中的“地位”并不平等.由于我们的主要目标在于实现高性能的转矩控制，因此，转矩控制环误差带(即滞环宽度T的整定直接关系着系统品质的好坏.相比之下，磁链幅值的恒定控制就显得并不十分重要。也因此引出了直接转矩控制系统的两种形式:一种是由德国M.Depenbrock教授提出的基于正六边形磁链轨迹控制的直接转矩控制及其改进算法；一种是由日本学者I,Takahashi提出的基于准圆形磁链轨迹控制的直接转矩控制及其派生算法。两种方法各有利弊，在大功率、低开关频率场合，前者比较合适;在功率器

51、件开关频率较高的中小功率领域，后者占据了优势地位。无论采用那种控制方案，都是通过转矩和磁链两个控制器来共同控制逆变器开关状态，以使电机定子磁链在沿给定轨迹正六边形或准圆形)运动的同时，实现电机转矩的高动静态性能。磁链位置的判断以及电压矢量的选择。5.1.3 磁链位置的判断非零电压矢量有六个，它们的分布也是固定的，如图5.2所示，当磁链位于不同位置时，同一个电压矢量，对于磁链和电磁转矩的作用是不相同的，所以电压矢量的选择不仅仅根据磁链的大小来，还要知道磁链的具体位置。我们沿逆时针方向将定子磁链的位置划分为六个扇区： , 如图5.2。图5.2磁链位置及电压矢量由图5.2可知当磁链位于两区间的交界处

52、时轴的分量正好等于磁链幅值的一半，因此根据磁链的分量与磁链的1/2比较结果，再结合分量的正负情况即可正确判断磁链当前所在的扇区。磁链位置的具体判别方法如表5-1：扇区0|/22-|/2|/21-|/260-|/25-|/2|/24|/23表5-15.1.4 电压矢量选择表综合以上转矩控制量TQ，磁链控制量，和磁链位置，可以正确的选择合适的电压矢量，从而对电机进行调节控制。表2-2和表2-3给出了优化了的正转和反转定子电压开关的选择。表5-2正转定子电压开关矢量表 q TQ 123456111100100110011011000111000111000111000-110110011001001

53、1001010100110011011001100000111000111000111-1001101100110010011表5-3反转定子电压开关矢量表 q TQ 123456111011001100100110010111000111000111000-1110010011001101100010011011001100100110000111000111000111-10110011011001100105.2 主程序设计主程序每10s由硬件定时器发出的中断信号启动并执行一次，它负责执行整个软件整个必经流程。主要要完成以下几个重要的步骤：（1） 系统初始化：MS32OLF2407A各个

54、模块的工作方式由相应的控制寄存器设定，因此在主程序的开始就必须根据要求设定好各个控制寄存器的初始值。包括:p比时钟设定，OSp的工作频率设定为30HZ，这个可以通过系统控制和状态寄存器1(SCSRI)设定;输入输出端口的初始化，这个可以通过I/O复用输出控制寄存器(MCRx)设定;串行通信接口的软件配置，通过串行通信接口通信控制寄存器(SCICCR)、串行通信接口控制寄存器(SCICTLI)和串行通信接口波特率寄存器(SCIHBAUD和SCILBAUO)这些控制寄存器来初始化所需的串行通信接口通信格式，包括操作模式、协议、波特率、字符长度、奇/偶效验位等;AO工作方式位，设置转换触发事件和通道

55、数，可通过AOC控制寄存器(AOCTR以)和最大转换通道寄存器(MAxCONV)设置;对事件管理模块EVA或EVB的设置的内容很多，主要包括:定时器1、2、3、4的设定，全比较PWM单元的设定，PWM工作方式的设定，死区时间的设计和QEp工作方式的设定等等。（2） 实时检测:为了使控制系统尽可能的得到最新的实时数据，对定子电压、电流的测量放置在主程序的主循环中。本系统需要测量的电机3个定子端电压和2个定子相电流。（3） 调用电机模型子运算程序。（4） 调用调节器子程序：需要调用调节器子程序包括速度调节器子程序、转调节器子程序、磁链调节器子程序和零状态调节器子程序，从而分别给出速度调节信号、转矩

56、调节信号、磁链调节信号和零状态信号。（5） 控制信号输出:根据第(4)步得到的速度调节信号、转矩调节信号、磁链调节信号和零状态信号综合考虑后给出变频器的三相最优开关控制信号，由I/O口输出去驱动IGBT驱动器。主程序框图如图5.7。5.3 子程序设计子程序、中断服务程序的设计负责完成对速度的测量，开关量信息的捕捉，串行中断程序、以及故障处理程序。(1) 开关量信息的捕捉:控制面板设定开关量信息(如启动、停止、正转、反转、点动加速、点动减速和复位)时，同时给一定一个低电平信号，使TMS320LF2407A的XINT1和XINT2外部引脚拉低至少6个或12个时钟周期CLKOUT，这样才能被CPU认

57、可。(2) 控制策略子程序:控制策略子程序主要包括3/2变换子程序、定子磁链计算子程序、电磁转矩计算子程序、速度调节器子程序、转矩调节器子程序、磁链调节器子程序等等。(3) 串行中断子程序和故障处理子程序。子程序流程图如图5.8图5.7 主程序流程图图5.8 子程序流程图结 束 语晶体管IGBT以及新型高性能控制器DSP的出现，为异步电动机直接转矩控制系统的设计提供了理论基础和物质保证。在本文的设计中采用了TI公司的TMS320LF2407A芯片为控制核心，利用电压空间矢量的控制方法，用软硬件成功实现了对无速度传感器直接转矩控制在三相交流电机调速中的应用。本文主要做了如下的工作：（1） 对交流异步电动机进行数学建模，将定子电流进行解耦，分解为磁链分量和转矩分量。（2） 通过解耦的异步电动机对其两个电流分量分别进行控制从而达到转矩的控制。（3） 用u-n模型来观测磁链，并计算转矩、判断磁链位置