异步电机直接转矩控制系统研究(本科毕业设计)

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1、目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1电机调速技术的发展概况11.2直接转矩控制技术的发展现状21.2.1直接转矩控制的现状及发展趋势21.2.2目前的热点研究问题及解决方法21.3本文所做的工作3第2章 直接转矩控制理论42.1概述42.2直接转矩控制的基本原理42.2.1异步电机动态数学模型42.3逆变器的输出电压状态及电压空间矢量62.3.1逆变器输出电压状态62.3.2电压空间矢量72.4电压空间矢量对电动机定子磁链和转矩的影响82.4.1异步电机的磁链观测模型82.4.2电压空间矢量对定子磁链影响92.4.3电压空间矢量对转矩的影响102.5直接转矩控制系统的基本组成11

2、2.5.1磁链滞环调节器122.5.2转矩滞环调节器122.5.3开关信号选择单元132.6低速范围内的解决方案13第3章 异步电机直接转矩控制系统的建模与仿真163.1仿真软件MATLAB 简介163.1.1MATLAB 语言163.1.2软件构成163.2仿真模型搭建及参数设置18403.3仿真结果及分析20第4章 系统硬件电路的设计214.1 控制电路结构简介214.2DSP(TMS320LF2407A)214.3 3.3V DSP 与5V 逻辑器件的混合接口问题234.3.1 逻辑电平不同，接口时出现的问题234.3.2 系统接口实现方法244.4 转子速度的测量264.5 A/D 采

3、样电路264.6主电路结构框图274.7 IPM 智能模块7MBP50RA120 功能简述284.8 主电路的保护功能294.9主电路的控制电源30第5章系统控制软件的设计开发315.1系统软件总体设计315.2软件模块345.2.1初始化模块345.2.2串口通讯模块355.2.3电流采样模块355.2.4电机转速采样模块365.2.5 Pl调节模块37参考文献38致谢40异步电机直接转矩控制系统研究摘要：本文介绍了异步电机直接转矩控制的基本原理和系统的基本构成，在此基础上，通过MatlabSimulink建立了各个模块的仿真模型，构建了直接转矩控制仿真系统，对直接转矩控制方法的特点及其存在

4、的问题进行了仿真分析研究，验证了直接转矩控制系统的可行性。但转矩脉动较大，针对这一缺点，本文利用双PI控制方法进行了改进，设计出一种非零电压空间矢量和零电压空间矢量控制器，改进了速度调节器以及开关状态表，结果表明，所提方案能极大的减小转矩脉动和转速响应时间，同时算法简单，易于实现。最后在方案论证的基础上，选择了电机控制专用芯片TMS320LF2407A为控制核心，设计了一个控制系统。在DSP集成开发环境下给出了系统软件。关键词：直接转矩控制；异步电机；MatlabSimulink：DSPInduction Motor Direct Torque Control SystemABSTRACT：T

5、he basic principle and structure of DTC have been introduced，on this ground，Using MatlabSimulink build the simulation models which form the whole DTC simulation systemThen，DTC method prove to be of feasibility according to study and analyze the characteristic of the simulation systemIt is well estab

6、lished that conventional direct torque control(DTC)suffers from high torqueA new controller of nonzero voltage space vector and zero voltage space vector using double-pi is proposedIt improves the speed adjustor and inverter switching tableSimulation results show that the proposed controller managed

7、 to reduce the torque ripple and minish the response time of speedThe algorithm is simple and easy to implementOn the basis of the theory analysis of DTC system，a least control system based on TMS320LF2407A is proposed，including software designing and hardware designingSystem software Was compiled u

8、nder CCSFinallg The thesis sums up the whole work ofstudy and predict the direction offorwardstudy as wellKEYWORDS：Direct torque control；induction motor；MatlabSimulink；DSP异步电机直接转矩控制系统研究第1章 绪论1.1电机调速技术的发展概况自十九世纪后半期，电机发明以来已经历了一个多世纪，电力拖动已渗透了人类活动每一领域，从人们日常生活的办公楼到冶金、化工、轻工等各行各业。上世纪九十年代以前，由于直流调速拖动系统的性能指标优于

9、交流调速拖动系统，因此直流调速拖动系统一直在调速领域占居优势。随着电力电子技术不断发展，各类大功率半导体器件如GTO、MOSFET、IGBT等的不断出现，使交流传动调速在近十年来得到飞快进步，高性能交流调速系统应运而生。这时，直流电机和交流电机相比的缺点日益显露出来，例如具有电刷和换相器因而必须经常检查维修，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电机的容量和速度等等。于是，用交流可调传动取代直流可调传动的趋势越来越明显，交流传动控制系统已经成为电气传动控制的主要发展方向。1971年，德国学者EBlaschke提出了交流电机的磁场定向矢量控制理论，标志着交流调速理论的重大突破。所谓矢

10、量控制，就是把交流电机模拟成直流电机，通过坐标变换来实现电机定子电流的激磁分量和转矩分量的解耦，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩和转速响应特性。矢量控制主要有两种方式：磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。但无论采用何种方式，转子磁通的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制系统性能的好坏。一般的，转子磁通检测可以采用直接法或间接法来实现。直接法就是通过在电机内部埋设感应线圈以检测电机磁通，这种方式会使简单的交流电机结构复杂化，降低了系统的可靠性，磁通的检测精度也不能得到长期的保证。因此，间接法是应用中实现磁通检测的常用方法。这种方法通过检测电机的定子电压、电流、转速等可以直接检测

11、的量，采用状态重构的方法来观测电机的磁通。这种方法便于实现，也能在一定程度上确保检测精度，但由于在状态重构过程中使用了电机的参数，如果环境变化引起电机参数变换就会影响到磁通的准确观测。为补偿参数变化的影响，人们又引入了各种参数在线辨识和补偿算法，但补偿算法的引入也会使系统复杂化。1985年，德国鲁尔大学的MDepenbrock教授提出了一种新型交流调速理论-直接转矩控制。这种方法是在定子坐标系对电机进行控制的，结构简单，在很大程度上克服了矢量控制中由于坐标变换引起的计算量大，控制结构复杂，系统性能受电机参数影响较大等缺点，系统的动静态性能指标都十分优越，是一种很有发展前途的交流调速方式。因此，

12、直接转矩控制理论一问世便受到广泛关注。目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。1.2直接转矩控制技术的发展现状1.2.1直接转矩控制的现状及发展趋势目前，在国外以德国和日本为主，直接转矩控制技术的理论已经比较成熟，美国、意大利、韩国和法国紧随其后，使得直接转矩控制的应用发展逐步扩大。目前直接转矩控制技术己成功应用于电力机车牵引系统、垂直升降系统等大功率调速应用场合。直接转矩控制技术从物理关系上构成转矩与磁链的近似解耦关系，可以获得良好的动态性能，控制结构简单，易于实现，很快就得到广泛的推广与应用。而传统的直接转矩控制技术在低速运行区段与稳态运行区段还存在很多问题，需要进一步研究。仅从电机本身

13、出发来完善直接转矩控制技术已经是不可能的事情，必须另辟蹊径。现代的直接转矩控制技术作为一种新兴的技术，需要各种先进的控制技术作支撑，它已经不是单一的一项技术，而是发展成多种学科交叉的一项综合技术。下面就直接转矩控制技术所需要进一步研究的问题进行了总结：(1)先进控制策略在现代直接转矩控制技术中的应用，改善稳态运行性能问题对于现代直接转矩控制来说，空间矢量调制模块需要控制器来生成给定的空间电压矢量，这样可以充分发挥线性控制与各种非线性控制方法的各自优点，如线性控制的平滑性、变结构控制的快速性、神经网络与模糊控制的智能性与鲁棒性，尽管在一定程度上增加了控制结构的复杂性，然而控制器可以大大改善控制性

14、能。(2)磁链与转矩估计问题对于直接转矩控制来说，磁链与转矩估计精度直接影响控制性能的好坏，甚至会导致控制失败。高速运行时，现有的估计方法可以得到满意的精度，而低速时，尤其接近零速时，很多估计方法往往会失效解决低速时的磁链与转矩估计问题具有重要意义。(3)速度估计问题近年来，无速度传感器技术受到了电气传动领域普遍的关注。针对已有的速度估计方法精度差，超低速及零定子频率运行条件下电机转速不可观测性，开发高精度及适用于超低速及零定子频率条件下的速度估计方法具有重要的现实意义。(4)空载或者欠载条件下如何优化参考的定子磁链问题。1.2.2目前的热点研究问题及解决方法异步电机直接转矩控制计算方便，控制

15、结构简单，动态性能好。但在低速运行时，存在一些问题，这些问题成为目前DTC研究的热点。主要体现在以下两方面：(1)低速时，由于定子电阻的变化带来的一系列问题。主要表现在定子电流和磁链的畸变非常严重。主要解决方法：(1.1)采用un模型。使用电流PI调节器，强迫电机模型电流和实际电机电流相等，精度大大提高，但结构比较复杂。(1.2)模糊定子电阻辨识器(FLI)，以定子磁链大小和相角误差作为输入，通过推论和解模，对定子电阻进行辨识御。(2)低速时，转矩脉动、死区效应、开关频率问题。主要解决方法：(2.1)使用改进的开关状态表，改进控制参数与开关量的关系，使之产生更优的控制电压波形。(2.2)运用F

16、uzzy PI转矩控制器代替传统的控制方法，即引入模糊控制和智能控制，用软件来解决转矩脉动问题。(2.3)引入模糊控制方法，对转速进行辨识，从而得到稳定的开关频率并降低转矩脉动。1.3本文所做的工作论文的工作要求是通过在理解直接转矩控制技术的基本原理，利用MatlabSimulink搭建直接转矩控制系统仿真模型，对系统进行仿真，验证理论的正确性和可行性。在此基础上，设计一个电机控制的小系统，其中包括硬件设计和软件设计。本文的主要内容如下：第1章:在参考浏览大量文献资料的基础上，阐述了电机调速技术的发展概况，以及直接转矩控制的发展现状，提出异步电机的直接转矩控制理论以及目前的热点研究问题。最后论

17、述论文研究的内容。第2章:对直接转矩控制理论进行了简单介绍，给出了论文中直接转矩控制系统设计方案的理论依据。第3章:利用Matlab软件的Simulink模块对直接转矩控制系统进行仿真，针对直接转矩控制系统的各个组成环节分别建立仿真模型，构建直接转矩控制系统。对仿真结果进行分析，对直接转矩控制系统进行简单评价。并在此基础上对传统的DTC系统进行了改进，有效的降低了转矩脉动。第4章:控制系统硬件设计。第5章:进行控制系统的软件设计。第2章 直接转矩控制理论2.1概述直接转矩控制出现以前，矢量控制长期占据着异步电机控制的主导地位。矢量控制技术模仿直流电机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实

18、现了对交流电机的转速和磁链控制的完全解耦。然而，由于系统特性受电机参数的影响较大，以及在模拟直流电机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难于达到理论分析的结果。直接转矩控制理论是1985年由德国学者狄普布洛克(M.Depenbrock)首次提出的，随后日本学者塔卡哈什(I.hakahash)也提出了类似的控制方案。与矢量控制系统相比，直接转矩控制具有如下优点：(1)直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型、控制电机的磁链和转矩，计算过程简单。(2)直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，通过定子电阻即可观测。而矢量控制磁场定向所用的转子磁链的观测需要知道电机的转子电

19、感和电阻。因此直接转矩控制减少了矢量控制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异步电机的数学模型和控制其物理量，使问题变得简单明了。(4)直接转矩控制是直接将转矩作为被控量，直接对其进行控制，而不是像矢量控制那样通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩。2.2直接转矩控制的基本原理2.2.1异步电机动态数学模型为了便于分析异步电机的数学模型，为了抽象出理想的电机模型，必须进行一些假设，这些假设是：(1)气殊均匀；(2)磁路线性；(3)定、转子三相绕组对称，其有效导体沿气隙空间作正弦分布；(4)忽略磁场谐波，即设磁场正弦分布；无论电机转子是绕线式还是鼠笼式，都将

20、它等效成绕线转子，并折算到定子侧，折算后的每相匝数都相等。在直接转矩控制的分析中，采用空间矢量的数学分析方法。图2.1是异步电机的空间矢量的等效电路图。图2.1 异步电机空间等效电路图中各量定义如下：定子电压空间矢量；定子电流空间矢量；转子电流空间矢量；定子磁链空间矢量；转子磁链空间矢量；电角速度（机械角速度和极对数的积）。并且规定，将旋转空间矢量在轴上的投影称为分量，在正交的轴上的投影称为分量。 根据以上规定，异步电动机在定子坐标系上可由以下方程表示： (2.1) (2.2) 由以上方程推出定子磁链与转子磁链方程式： (2.3) (2.4) (2.5)2.3逆变器的输出电压状态及电压空间矢量

21、2.3.1逆变器输出电压状态逆变器(见图2.2)由三组、六个开关(、)组成。由于与a、与、与之间互为反向，即一个接通，另一个关断，所以三组开关共有23=8种可能开关方式组合。图2.2 逆变器等效电路规定a、b、c三相负载的某一相与“+”极接通时，该相开关状态为“1”;与“-”级接通时，状态为“0”。则8种可能的开关组合状态见表 2.1。 表2.1 逆变器的8种开关状态状态01234567000100010110001101011111对应于逆变器的8种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出7种不同的电压状态。这7种不同的电压状态可分成两类：一类是6种工作电压状态，它对应于开关状态“1”至“6”分

22、别称为逆变器的电压状态“1”至“6”；另一类是零电压状态，它对应于零开关状态“7”和“8”，由于对外来说，输出的电压都为零，因此统称为逆变器的零电压状态（详见表2.2）。表2.2 逆变器电压状态与开关状态对照表状态工作状态零状态12345678开关状态Sabc011001101100110010000111 电压状态表示一表示二表示三12345672.3.2电压空间矢量由于异步电动机的电压，电流，磁链等都是三相电磁量，故对异步电动机进行分析和控制时，必须对三相进行分析和控制，比较困难。引入PARK矢量变换，可以方便的进行控制，PARK矢量变换是将三个标量变为一个矢量。对三相定子绕组相电压，进行

23、PARK矢量变换，得到合成量。= (2.6) 代表着三相电磁量在空间的位置，故称之为空间矢量。用空间电压矢量表示逆变器的7个电压状态，形成了7个离散的电压空间矢量，每两个工作电压空间矢量在空间的位置相隔600，6个工作电压空间矢量的顶点构成正六边形的6个顶点。矢量顺序从状态“1”到状态“6”逆时针旋转。对应的开关状态是011001101100110010。其所对应空间电压矢量状态为，零电压矢量7位于正六边形中心。空间电压矢量状态图如图2.3所示。图2.3 电压空间矢量表示的7种离散电压状态2.4电压空间矢量对电动机定子磁链和转矩的影响2.4.1异步电机的磁链观测模型在直接转矩控制中，无论是按圆

24、形轨迹控制还是按六边形轨迹控制，都需要己知定子磁链。采用直接检测的方法获得定子磁链，存在各方面的条件限制，在实际系统中使用较少。较为通用的方法为间接测量的方法，即通过易于测量的电机其它物理量(如定子电压、定子电流和转速等)，建立定子磁链的观测模型，在控制中实时地推算出定子磁链的幅值和相位。定子磁链的观测准确性直接影响系统的性能，可以说是DTC技术实现的关键。对于异步电动机直接转矩控制系统，对其进行定子磁链观测非常重要，对于磁链的估算提出了三种模型：模型，模型和模型。下面分别对这三种模型进行分析。(1)模型用定子电压和定子电流来确定定子磁链的方法叫模型发。定子磁链可根据一个简单公式分析，其公式为

25、： (2.7) 用该公式确定定子磁链，得到精确的电压，电流，便于计算出定子磁链。 模型计算定子磁链，其误差由定子电阻引起。故模型在30%额定转速以上时，能够非常准确的确定定子磁链，并且仍要注意温度对电阻的影响。在定子频率接近零时，这种方法也不适用，原因在于用作定子电压和定子电阻压降之间的差值消失，以致只有误差被积分。总之在30%额定转速以上时，模型法，结构简单，精度高。下图为模型的原理图。图2.4 UI模型原理图(2)模型 模型是利用定子电流与转速来确定定子磁链。当电动机在30%额定转速以下时，磁链只能根据转速来正确计算，这时利用模型计算磁链是非常合适的。下式为模型定、转子磁链计算公式： (2

26、.8) (2.9) 式中：、为转子磁链在-坐标系上的分量； 、为定子磁链在-坐标系上的分量。由公式可知，模型虽然不受定子电阻的影响，但其受到转子电阻、漏电感、主电感的影响。此外模型结构复杂，角速度的测量误差对模型影响很大，故需要精密的测量角速度。(3)模型模型综合了模型和模型的特点，是一个在全速范围内都适用的磁链模型，其由定子电压和转速来获得定子磁链。其主要优点是：(3.1)结合了模型和模型的优点，很自然的解决了切换的问题；(3.2)引入PI电流调节器，大大提高了电动机模型的仿真精度；缺点是：结构过于复杂，实用性差。2.4.2电压空间矢量对定子磁链影响 将逆变器的输出电压直接加到异步电动机的定

27、子上，定子电压与逆变器电压相等也为，得定子磁链与定子电压关系式为：= (2.10)若忽略定子电阻压降的影响，近似为：= (2.11)该关系式表示定子磁链空间矢量与电压空间矢量之间的积分关系。如下图图2.5 电压空间矢量与磁链矢量空间关系根据磁链空间矢量与电压空间矢量的关系图可得出：(1)忽略定子电阻的影响，可得到定子磁链顶点的运动轨迹方向平行于电压空间矢量的指向的方向。(2)在适当时给出定子电压空间矢量，可得到定子磁链运行的轨迹为，形成正六边形。于是可利用逆变器的六个工作电压状态可简单的得到六边形的磁链轨迹对电动机进行控制。这就是直接转矩控制系统的基本思想，电压空间矢量对定子磁链的影响可通过以

28、下方式实现：(3)恒转矩调速：在正常电压空间矢量作用期间，适时的插入零矢量对电动机进行控制，当有效电压空间矢量作用时，定子磁链运动轨迹沿着电压空间矢量作用方向运动;插入零矢量后，定子磁链静止，由于零矢量的插入，使得旋转速度变慢，在这期间保持电压空间矢量作用时间不变，定子磁链幅值不变，电动机实现恒磁通调速，即实现了恒转矩调速。(4)恒功率调速：通过改变电压空间矢量的作用时间，达到改变定子磁链旋转速度的目的。由于电压空间矢量幅值不变，只改变了作用时间，所以定子磁链所围成的面积发生改变，作用时间变短，面积变小，定子磁链幅值变小。对电动机实现了恒功率调速。2.4.3电压空间矢量对转矩的影响 异步电动机

29、转矩的大小跟定、传子磁链的幅值和磁通角有关。在实际运用时，为了充分利用铁心，保持定子磁链幅值不变，转子磁链的幅值是根据负载决定，故在直接转矩控制系统中，可以通过改变磁通角的大小来实现对转矩的控制，其控制方法为通过控制电压空间矢量来对定子磁链的旋转速度进行控制，改变了定子磁链的平均旋转速度，从而改变了磁通角的大小，以实现对电动机转矩的控制。其主要控制方法有以下几方面：(1)增大转矩：增大有效电压空间矢量，使得电压幅值足够大，就使得定子磁链的旋转速度大于转子磁链的旋转速度，磁通角增大，对应的转矩增大。(2)减小转矩：给出零电压空间矢量，定子磁链会走走停停，定子磁链旋转速度小于转子旋转速度，磁通角减

30、小，转矩减小。(3)迅速减小转矩：施加有效反向电压空间矢量，定子磁链会进行反方向旋转，磁通角迅速减小，使得转矩也迅速减小。通过控制工作状态的电压空间矢量和零状态电压空间矢量的交替出现的时间，实现了对定子磁链旋转的速度的改变，通过这样的瞬态调节可获得高性能的转矩特性。2.5直接转矩控制系统的基本组成通过前文的介绍，直接转矩控制系统的基本控制方式已经清楚，根据前文可得到系统的控制环节及结构。直接转矩控制系统的基本结构可分为以下几个部分：(1).控制部分：分为磁链滞环调节器、转矩滞环调节器；(2).逆变部分：由逆变器组成；(3).电机部分：为异步电动机。图2.6 直接转矩控制系统原理图图中各个单元器

31、件名称为：AMM异步电机数学模型；UCT坐标变换单元；DMC磁链自控制单元；AZS零状态选择单元；AMC转矩计算单元； ATR转矩调节器；UT逆变器。由图可知，直接转矩控制系统工作原理为：通过AMM计算得到定子磁链，并分解到坐标轴，然后经过UCT进行坐标变换，通过将计算得到的磁链值与DMC给定的磁链值进行比较，得到磁链开关信号，通过AMC计算得到转矩值，根据转矩调节器ATR的输出量决定是否插入零状态，确定电压开关状态，对逆变器的输出电压进行控制，使其产生六边形磁链。2.5.1磁链滞环调节器磁链调节的主要任务是对磁链量进行调节。在电动机低速运行时，由于定子电阻压降的影响，定子磁链幅值减小，在电动

32、机低频运行时，定子磁链幅值也减小，为了避免定子磁链的减小，引入磁链滞环调节器，主要作用在于加大定子磁链幅值，维持磁链幅值在允许范围内波动。磁链调节过程是通过磁链电压完成，磁链电压为定子电压空间矢量，目的在于区别转矩电压，作用在于增大定子磁链幅值。对磁链电压的选择主要有两种：一种是与磁链运动轨迹成-600角的电压空间矢量；另一种是成-1200角的电压空间矢量。磁链调节器器实际上也是一个施密特触发器，对磁链幅值进行两点式调节。引入容差宽度，它是定子磁链幅值与给定幅值之间允许的波动范围，磁链调节器输入量为给定磁链幅值与反馈磁链幅值之差，输出两为磁链量开关信号。图2.7 磁链调节器原理图2.5.2转矩

33、滞环调节器 转矩控制在许多场合里都显得非常重要，即便是追求精确转速的一些场合因为只有影响转速的最直接的原因就是转矩的变化。如果转矩控制性能好，则不难设计一个速度调节器，使速度环有良好的品质。反之，若转矩控制性能不好，响应慢，相应的调速性能也不会很好。因此调速的关键在转矩控制。转矩调节的任务是实现对转矩的直接控制。直接转矩控制的名称也是由此而来。为了控制转矩，转矩调节器必须具备两个功能：一个功能是转矩调节器直接调节转矩；另外一个功能是控制定子磁链的旋转方向，以加强转矩的调节。 转矩调节器也采用施密特触发器，输入信号为转矩给定值与转矩反馈值的信号差。调节器输出量为转矩开关信号。容差为，调节器采用离

34、散的亮点式调节方式。图2.8 转矩调节器原理图 当下降到调节器容差下限，调节器输出信号状态为“1”。在作用下，得到相应的电压空间矢量，使得定子磁链前转，转矩上升。当上升到容量上限时，变为“0”态，在作用下，零电压加到电动机上，定子磁链静止，转矩减小，下降到调节器容差下限，重复运行。反复这样运行，实现了调节器两点式调节，把转矩波动限制在给定值的容差范围内，达到转矩的直接控制。2.5.3开关信号选择单元对应于磁链和转矩调节的两种形式，空间电压矢量开关信号的选择也有两种形式。一种是通过磁链、转矩的两点式或三点式调节信号和定子磁链所在的区间，确定所需施加的电压空间矢量，从而将所有状态列表依次列出，最后

35、通过所选空间电压矢量输出开关脉冲信号输出给逆变器。另一种是根据磁链和转矩的PI调节得到的参考的空间电压矢量的两个分量，合成所需要的参考的空间电压矢量。但是，此时的空间电压矢量是旋转坐标系下的，还需叠加磁链旋转角度，将其转换成静止坐标系下的空间电压矢量，最后通过SVPWM方式输出开关脉冲信号给逆变器。2.6低速范围内的解决方案本系统工作在低速范围内。在这个范围内，由于转速低（包括零转速），定子电阻压降比较大，可能造成磁链波形畸变，在低频时保持转矩和磁链基本不变等等。对于以上的问题必须实现如下控制目的。（注：在整个转速范围内异步电机的转矩和磁链计算数学模型仍然实用）(1)控制定子磁链为圆形轨迹，而

36、不用六边形轨迹。(2)转矩调节器和磁链调节器多功能地调节工作。(3)用符号比较器确定区段。(4)调节每个区段的磁链量。为实现以上四点必须对应采取如下措施：(1)每个区段电压状态的选择由于电压型逆变器只有六种工作电压状态，仅能输出六种电压空间矢量。定子磁链空间矢量的运动方向由电压空间矢量的方向确定，只能在六个方向上运行。如果要产生多于六边的多变形的磁链轨迹，就必须通过多个电压空间矢量的组合来形成。控制六边形磁链轨迹只需在每个工作区段接通“工作电压”或“零电压”即可。要实现圆形磁链轨迹可以用足够多的多边形来近似圆形磁链轨迹。在每个工作区段采用四个工作电压状态（0，60，60120）和两个零电压状态

37、结合使用（具体使用过程在3.8.1节介绍）来实现足够多的多边形轨迹。(2)磁链与转矩之间的协调调节低速情况下（一般指15额定转速以下）转矩调节器的组成部分不变，而磁链调节器却不一样。此时磁链的模为：（六边形磁链的模：）。在低速情况下磁链调节器如（图2.9）图2.9 磁链与转矩协调器其中当转速大于15额定转速，开关切换到A处，执行六边形磁链轨迹，当转速小于15时开关切换到B处，执行圆形磁链轨迹。磁链开关信号与所需的电压状态关系如下：0时，不需要接通工作电压1时，接通60电压1时，接通60电压归纳起来，转矩调节器与磁链调节器的协调控制关系为：由转矩调节器决定应该接通的是零状态电压还是工作电压，在接

38、通工作电压的时间内来选择接通的是0、60还是+60电压。第3章 异步电机直接转矩控制系统的建模与仿真3.1仿真软件MATLAB 简介3.1.1MATLAB 语言MATLAB 语言是由美国New Mexico 大学的Cleve Moler 于1980 年开始开发的，1984 年由Cleve Moler 等人创立的MathWorks 公司推出了第一个商业版本。MATLAB 语言的两个最显著特点，即其强大的矩阵运算能力和完美的图形可视化功能，使它成为国际控制界应用最广的首选计算机工具。现在，MATLAB 语言不仅广泛应用于控制领域，也应用于其它的工程和非工程领域。在控制界，很多知名学者都为其擅长的领

39、域写出工具箱，而其中很多工具箱已经成为该领域的标准。与Fortran 和C 等高级语言比较，MATLAB 的语法规则更简单，更重要的是其贴近人思维方式的编程特点，使得用MATLAB 编写程序非常方便和简捷。正是凭借MATLAB的这些突出的优势，它现在已成为世界上应用最广泛的工程计算软件。在美国等发达国家的大学里MATLAB 是一种必须掌握的基本工具，而在国外的研究设计单位和工业部门，更是研究和解决问题的一种标准软件。在国内也有越来越多的科学技术工作者参加到学习和倡导这门语言的行列中来。在大家的共同努力下，MATLAB 正在成为计算机应用软件中的一个新热点。3.1.2软件构成MATLAB 软件主

40、要由主包、Simulink 和工具箱三大部分组成。MATLAB 主包包括以下五个部分：(1)MATLAB 语言MATLAB 语言是一种基于矩阵/数组的高级语言，它本身具有流程控制语句、函数、数据结构、输入输出，并且具有面向对象的程序设计特性。用MATLAB 语言可以迅速地建立临时性的小程序，也可以建立复杂的大型应用程序。(2)MATLAB 工作环境MATLAB 工作环境集成了许多工具和程序，用户用工作环境中提供的功能完成他们的工作。MATLAB 工作环境给用户提供了管理工作空间内的变量和输入、输出数据的功能，并给用户提供了不同的工具用以开发、管理、调试M 文件和MATLAB 应用程序。(3)句

41、柄图形句柄图形是MATLAB 的图形系统。它包括一些高级命令，用于实现二维和三维数据可视化、图像处理、动画等功能；还有一些低级命令，用来定制图形的显示以及建立MATLAB 应用程序的图形用户界面。(4)MATLAB 数学函数库MATLAB 数学函数库是数学算法的一个巨大集合，该函数库既包含了诸如求和、正弦、余弦、复数运算之类的简单函数；也包含了矩阵转置、特征值、贝塞尔函数、快速傅立叶变换等复杂函数。(5)MATLAB 应用程序接口（API）MATLAB 应用程序接口是一个MATLAB语言同C和Fortran等其它高级语言进行交互的库。包括从MATLAB 调用其它程序（动态链接），把MATLAB

42、作为计算引擎来调用，还包括读写MATLAB数据文件（MAT文件）。Simulink是用于动态系统仿真的交互式系统。Simulink允许用户在屏幕上绘制框图来模拟一个系统，并能够动态地控制该系统。Simulink采用鼠标驱动方式，能够处理线形、非线形、连续、离散、多变量以及多级系统。此外，Simulink 还为用户提供了两个附加项：Simulink Extensions（扩展）和Blocksets（模块集）。Simulink Extensions是一些可选择的工具，支持在Simulink环境中开发的系统的具体实现，包括：Simulink AcceleratorReal-Time Workshop

43、Real-Time Windonws TargetStateflowBlocksets 是为特殊应用领域中设计的Simulink模块的集合。Blocksets包括以下几个领域的模块集：DSP（数字信号处理）Fixed-Point（定点）Nonlinear Control Design（非线形控制设计）Communications（通信）工具箱是MATLAB 用来解决各个领域特定问题的函数库，它是开放式的，可以应用，也可以根据自己的需要进行扩展。MATLAB提供的工具箱为用户提供了丰富而实用的资源，工具箱的内容非常广泛，涵盖了科学研究的很多门类。目前，已有涉及数学、控制、通信、信号处理、图像处理

44、、经济、地理等多种学科的二十多种MATLAB 工具箱投入应用。这些工具箱的作者都是相关领域的顶级专家，这当然地确定了其权威性。应用MATLAB 的各种工具箱可以在很大程度上减小用户编程时的复杂度。3.2仿真模型搭建及参数设置仿真电机参数如下:额定功率为2.354KW，额定电压为380V，额定转速为1500r/min;转动惯量为0.09kgm2，极对数为2，定子电阻为0.54，转子电阻为0.79，定子电感为2.8mH，转子电感为2.8mH，定转子互感为66.24mH，频率为工频50Hz，取摩擦系数为0。下图为直接转矩仿真模型。图3.1 直接转矩仿真模型仿真主要环节：(1).磁链滞环 磁链滞环容差

45、由思密特触发器设置，在仿真过程中，可通过设置不同的滞环容差重复仿真，以致达到仿真最佳效果。图3.2 磁链滞环调节器模型(2).磁链环节 磁链环节采用模型，将经过32变换的定子三相电流电压进行计算，得到转矩T。图3-3 磁链计算环节模型 (3).转矩滞环通过对观测转速和给定转速的计算得到给定转矩，再与磁链环节所计算出来的转速进行比较，得到ST。图3-4 转矩滞环调节器模型3.3仿真结果及分析电机在空载，给定转速，仿真时间为3s时仿真波形如图3.5所示，分别为三相定子电流波形，转速波形，转矩波形图3.5三相定子电流波形，转速波形，转矩波形由图可以看出，系统的响应速度很快，超调量很小，很快转速即达到

46、指定的转速，启动时，转矩同时得到稳定值，在0 NM值附近波动；0.8s后定子电流到稳定范围。第4章 系统硬件电路的设计4.1 控制电路结构简介本控制系统采用了TI 公司生产的TMS320LF2407A DSP 芯片，用单片DSP实现包括转矩和磁链控制在内的所有控制功能，并用DSP内部集成的CAN通讯单元实现与多能源控制器的通讯。控制电路与电机以及主电路的外部接口如图4.1所示。图4.1 控制电路4.2DSP(TMS320LF2407A)TMS320LF2407A是TMS320LF240x系列DSP控制器的典型代表。它为电气自动化系统的数字控制提供了便利的手段。TMS320LF2407执行速度达

47、30MIPS，几乎所有的指令都可在33ns的单周期完成。如此高的性能可以对非常复杂的控制算法进行实时运算，如自适应控制和卡尔曼滤波等，此外，还可支持非常高的采样率，以减小循环延时。TMS320LF2407A具有用于高速信号处理和数字控制功能所必需的结构特点，同时还具有单片电机控制应用方案所需的外设功能。TMS320LF240x采用高性能静态CMOS制造工艺，使得供电电压降为3.3V，功耗极低；此外，还具有几种进一步降低功率的省电方式。作为系统管理器，DSP必须具备强大的片内IO和其它外设功能。TMS320LF2407A片内的事件管理器与一般的DSP芯片不同。面向应用优化的外设单元和高性能DSP

48、内核的结合，可以为所有的电机类型提供高速、高效和全变速的先进控制技术。在该事件管理器中包括特殊的PWM产生功能，特殊的附加功能包括可编程的死区功能和空间矢量PWM状态机，后者可为三相电机在功率晶体管开关机制中提供了迄今为止最高的功效。具有独立的向上下计数器，每一个都有属于它自己的比较寄存器，可以支持产生非对称的和对称的PWM波形。多路捕获输入中的两路可以直接捕获光电编码器的正交编码脉冲信号。TMS320LF2407A还提供控制器局域网络(CAN)2.0模块，可以利用它方便的搭建CAN网，完成多芯片的通信任务。TMS320LF2407 CAN控制器模块是一个完全的CAN控制器。该控制器是一个16

49、位的外设模块，它完全支持CAN 2.0B协议，具有6个邮箱，可用于接收和发送数据。以下是TMS320LF2407A的一些特点：(1)基于TMS320C2xx DSP的核心CPU(1.1)32位的中央算术逻辑单元(CALU)(1.2)32位加法器(1.3)16位X16位并行乘法器，32位乘积(1.4)三个定标移位寄存器(1.5)8个16位辅助寄存器，带有一个专用的算术单元，用来作数据存储器的间接寻址(2)存储器(2.1)片内1.5K字的数据程序RAM；544字的DARKt和2K字SARAM(2.2)片内高达32K字的FLASH程序存储器(2.3)192K字16位的最大可寻址存储器空间(LF240

50、7)：64K字的程序空间，64K字的数据空间，64K字的IO空间(2.4)有软件等待状态发生器的外部存储器接口模块，具有16位地址总线和16位数据总线(2.5)支持硬件等待状态(3)程序控制(3.1)4级管道操作(3.2)8级硬件堆栈(3.3)5个外部中断：电机驱动保护中断、复位和两个可屏蔽中断(4)指令系统(4.1)与TMS320家族的C2X,C2XX,C5X定点产品在源代码级兼容(4.2)单指令重复操作(4.3)单周期的乘法加法指令(4.4)程序数据管理的存储器块移动指令(4.5)牵引寻址功能(4.6)基于快速傅立叶变换的位反转索引寻址功能(5)电源(5.1)静态CMOS技术(5.2)3种

51、低电源模式以降低电源损耗(6)仿真：与片内扫描仿真逻辑相连的IEEE标准1149.1测试访问端口(7)速度：33ns的指令周期，多数指令为单周期(8)两个事件管理器，每个包括：(8.1)8个16位的比较脉宽调制通道(8.2)两个16位通用定时器，有4种工作模式(8.3)可编程的PWM死区控制功能(8.4)16通道AD转换器(8.5)3个捕获单元，有正交编码器脉冲接口功能(9)10位模数转换器最小转换时间为50Ons(10)40个独立可编程或复用的通用IO引脚(11)基于锁相环的时钟模块(12)看门狗定时器模块(13)串行通讯接口(14)串行外部设备接口4.3 3.3V DSP 与5V 逻辑器件

52、的混合接口问题4.3.1 逻辑电平不同，接口时出现的问题现在越来越多的系统要求使用体积小、功耗低、耗电小的芯片，数字系统的工作电压已经从5V降至3.3V甚至更低（例如2.5V和1.8V标准的引进）。但是目前仍有许多5V 电源的逻辑器件和数字器件可用，因此在许多设计中3V（含3.3V）逻辑系统和5V逻辑系统共存,而且不同的电源电压在同一电路板中混用。随着更低电压标准的引进，不同电源电压逻辑器件间的接口问题会在很长一段时间内存在。本系统中DSP 的电源电压标准为3.3V,而大部分的外围器件的电源都是传统的5V 标准，这个问题是设计中首先要考虑和解决的。在混合电压系统中，不同电源电压的逻辑器件相互接

53、口时会存在以下3个主要问题：加到输入和输出引脚上允许的最大电压的限制问题；两个电源间电流的互串问题；必须满足的输入转换门限电平问题。器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限制的。这些引脚在芯片内部可能通过有二极管或其他元件接到VCC，如果接入的电压过高，则电流将会通过二极管或其他元件流向电源。例如3.3V器件的输入端接上5V信号，则5V电源将会向3.3V电源充电。持续的电流将会损坏二极管和电路元件。必须注意的是：不管是在3.3V的工作状态或是0V的等待状态都不允许电流流向VCC。另外，用5V的器件来驱动3.3V的器件有很多不同情况。在各种情况下，驱动器都必须满足接收器的输入转换电平，并要有足够

54、的容限和保证不损坏电路元件。要合理的选用接口电路，首先要先了解各种电路和器件的参数，如表4.1 所示。表4.1 各种电路和器件参数4.3.2 系统接口实现方法控制系统的核心器件是DSP，DSP要与外部芯片的输入输出口连接。本系统选用的TMS320LF2407A DSP属于CMOS芯片，主电源电压VDD标准值为3.3V。当电源电压为标准电压时高电平输入电压范围为大于2V小于VDD0.3V,低电平输入电压小于0.8V,VDD=3.0V, IOH=IOHMAX的测试条件下，高电平输出电压范围为大于2.4V小于VDD，低电平输出电压小于0.4V。而外部输入输出可能有5V，15V，24V多种电压等级，这

55、就需要合理的选择接口器件和电路元件参数。从上面DSP的输入输出电压标准和表4.1可以看出，DSP的输出驱动5V TTL器件的输入端应当是没有困难的，DSP实际上能输出3V左右摆幅的电压，对5V TTL输入的高电平2V门限是容易满足的，低电平输出也是满足要求的，但是DSP的输出驱动5V CMOS器件的输入端是有问题的，DSP 3V输出是不能可靠地驱动5V CMOS输入的，在最坏的情况下，当5.5Vcc =5.5V时CMOS器件所要求的VIN至少是3.85V，而3.3V DSP的输出高电平电压是不能达到的。反过来，DSP输入端可以承受5V TTL器件的输出端的电压，当一个5V TTL 器件的输出为

56、高电平时,内部压降限制了输出电压。典型情况是Vcc-2VBE，即约3.6V。这样工作通常不会引起5V电源的电流流向3.3V电源，当然最好是弄清所选用的5V TTL 器件的具体输出端结构和特性。而5V或电源更高的CMOS 器件的输出端的高电平电压对DSP 的输入端来说电压过高,不能直接相连。面对不能满足驱动条件的情况,一般的解决方法是使用电平移位器件。74LVC4245 是一种常用的电平移位器件。74LVC4245 是一种双电源的电平移位器。5V端用5V电源作为VccA，而3V端则用3V作为VccB。它的功能类似于常用的收发器74LVC245，所不同的是用两个电源而不是一个电源。74LVC424

57、5 的电平移位在其内部进行。双电源能保证两边端口的输出摆幅都能达到满电源幅值，并且有很好的噪声抑制性能。因此该器件用来驱动5V CMOS器件的输入是很理想的。它的缺点是增加了成本和功耗。针对本系统输入输出开关量特别多的实际情况，大部分外部输入电平转换的工作都在和外部输入输出光耦隔离接口电路中完成,电路原理图如图4.2所示。这样不需要为电平转换增加额外的器件，简化了电路结构，降低了成本。图4.2 外部输入电平转换电路原理图DSP输出的电平转换电路采用SN74HC05，它是一个集电极开路缓冲器。SN74HC05集电极开路的输出端可以方便的和不同电压等级的外电路接口，电路原理图如图4.3所示，其中S

58、N74HC05电源电压为3.3V。图4.3 SN74HC05电平转换电路4.4 转子速度的测量在异步电机的转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等控制系统中，电机转子速度都是一个必需的参数，本系统采用日本多摩川公司生产的OIH 482500C/TTS5214 N566增量式光电编码器对电机速度进行测量，它的输出信号有A、B、Z 三相，如图4.4 所示。A、B相在转子转过一周的时间内都产生2500个脉冲信号，但波形相位相差90，根据判断是A相波形超前还是B相波形超前就可以确定电机的转向，根据测量A或B相信号的频率就可以计算出转子的转速。Z相在转子转过一周只产生一个脉冲，我们将这个脉冲称为零位脉冲。

59、将A、B、Z三相信号通过高速光耦6N137隔离后送入DSP 的QEP1、QEP2、QEP3引脚，DSP的EVA事件管理器模块中的正交编码脉冲电路的方向检测逻辑检测判断A、B两相信号哪一个超前，然后它就产生方向信号作为通用定时器2的计数方向输入，如果QEP1的输入波形相位超前，则定时器进行增计数，相反则定时器进行减计数。A、B两列方波的上升沿和下降沿都被正交编码脉冲电路计数，因此产生的时钟频率是每个输入序列的4倍，通过软件测出这个频率就可以计算出电机的转速。4.5 A/D 采样电路本系统需要对电机的两相电流和直流母线电压进行测量。其中电机的两相电流方向是会改变的，电流传感器的输出电流方向也会随之

60、而改变，这样采样电阻上的电压也会有正有负。而DSP的A/D采样口正常工作的电压范围为03.3V，采样电阻上的电压必须经过“抬位”电路进行处理之后才能送入DSP 的A/D 采样口，“抬位”电路原理图如图4.5所示。图4.5 “抬位”电路原理图本控制电路以TMS320LF2407A DSP 芯片为核心，保证了控制算法运行的快速性，控制的实时性，而且DSP 内部集成了电机数字控制所需的大部分外设，减少了外围芯片数量，简化了控制电路，提高了系统的可靠性，并通过合理解决5V与3V器件之间的接口问题，保证了3.3V DSP 能够可靠工作。4.6主电路结构框图主电路主要由结构框图如图5.1所示，主电路主要由

61、富士公司的IPM 智能模块7MBP50RA120、吸收电路、滤波电路、上电保护电路、开关电源、驱动接口电路组成。直流电源经逆变器给三相异步电机供电。图5.1 主电路结构框图4.7 IPM 智能模块7MBP50RA120 功能简述主电路功率器件采用的7MBP50RA120是日本富士公司生产的7单元50A/1200V IGBT 智能模块，模块集成了IGBT 三相逆变桥、驱动电路、制动电路和保护电路，最大开关频率可达20kHz，本系统未使用该IPM内部集成的制动电路。由于IPM 内部集成了驱动电路，实际使用时只需要将驱动信号通过光耦送到智能模块的控制信号输入端，不需要加另外的驱动电路，缩小了装置的体积、提高了系统的可靠性、缩短了系统开发的时间。7MBP50RA120还提供了完善的保护功能：(1)过电流保护功能IGBT的过电流保护，检测出集电极电流，如在68S的时间内