基于DSP的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究

1、基于DSP的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究摘要：實現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計和具體實現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計和仿真驗證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 馬宏騫 劉立軍引言直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，是繼20世紀(jì)70年代矢量控制技術(shù)之后出現(xiàn)的又一種交流電機(jī)高性能調(diào)

2、速技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)以其簡單的控制思想、簡潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)、優(yōu)良的靜動態(tài)性能得以迅速發(fā)展。直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想是在保持定子磁鏈幅值不變的條件下，通過控制電動機(jī)定子磁鏈的運動方向和速度來改變定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角，調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩，達(dá)到電動機(jī)調(diào)速的目的。其強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制及其效果：把轉(zhuǎn)矩作為被控量，直接控制轉(zhuǎn)矩，通過轉(zhuǎn)矩兩點式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值做滯環(huán)比較，產(chǎn)生PWM信號， 直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。因此定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的估算在直接轉(zhuǎn)矩控制算法中占有重要的地位。定子磁鏈最簡單的計算方法是使用U-I

3、模型，寫成分量形式為：磁鏈的幅值為其中， 是磁鏈， 是線電壓， i是線電流，R是電阻。此系統(tǒng)中積分的時間為采樣周期。電機(jī)的定子線電流利用Clark變換由三相a-b-c坐標(biāo)系變換到兩相a-坐標(biāo)系下：定子線電壓可以由逆變器的直流母線電壓(Udc)和當(dāng)前輸出PWM信號的三個電壓開關(guān)狀態(tài)(Sa，Sb，Sc)得到：電磁轉(zhuǎn)矩的計算式：其中np是電機(jī)的極對數(shù)。一個標(biāo)準(zhǔn)的三相電壓型逆變器的輸出只有8種電壓矢量，包括6個工作電壓矢量和2個零電壓矢量。直接轉(zhuǎn)矩控制過程中，根據(jù)各個電壓矢量對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的作用效果，預(yù)先制定出一個電壓矢量開關(guān)表。在每個控制周期中，根據(jù)定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)區(qū)間及定子磁鏈所在的扇區(qū)

4、，從開關(guān)中選出相應(yīng)的電壓矢量，從而產(chǎn)生PWM信號作用于逆變器，使電機(jī)運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖由圖1可見，系統(tǒng)硬件電路主要由主電路、控制器、測量和驅(qū)動接口、保護(hù)電路等組成。直流母線電壓以及交流側(cè)兩相電流經(jīng)霍爾效應(yīng)傳感器測得，并經(jīng)低通濾波后送到DSP的ADC 模塊，DSP輸出脈寬調(diào)制信號經(jīng)驅(qū)動、隔離后送給IPM模塊的驅(qū)動端，使IPM模塊工作。如果IPM模塊出現(xiàn)異常，如過流、過熱、過壓等，則輸出一個“錯誤”信號給DSP，DSP立即封鎖PWM輸出，保護(hù)IPM模塊。該系統(tǒng)中選用TMS320F2808作為控制核心，DSP芯片主

5、頻為100M，片內(nèi)資源豐富，包括16通道模擬輸入高速12位A/D轉(zhuǎn)換器、3個32位的CPU定時器、6個具有可編程死區(qū)的ePWM模塊、4個32位的輸入捕捉單元、2個32位的正交編碼脈沖模塊，以及業(yè)界通用的異步串行接口、串行同步外設(shè)接口和CAN總線接口，這些資源為TMS320F2808在工業(yè)控制中尤其是在電機(jī)控制中有著很大的優(yōu)勢，為直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的研究開發(fā)提供了很大的便利。系統(tǒng)的軟件設(shè)計軟件是系統(tǒng)控制的核心，本系統(tǒng)控制軟件的執(zhí)行過程中，必須完成電壓電流的檢測與處理、定子磁鏈的觀測、轉(zhuǎn)矩的運算，還必須建立電壓矢量的開關(guān)表，并根據(jù)DTC的控制算法，輸出滿足要求的電壓矢量，以達(dá)到要求的控制性能。此過程都是

6、在一個采樣周期內(nèi)完成，此系統(tǒng)的采樣周期為0.1ms。對DSP的編程通過JTAG仿真器進(jìn)行。它通過USB接口與PC連，在PC上使用CCS3.3編譯器可以直接對DSP進(jìn)行編程、調(diào)試。直接轉(zhuǎn)矩控制算法的DSP程序結(jié)構(gòu)大致分為兩部分：主程序和中斷服務(wù)程序。其中主程序主要完成對功能模塊進(jìn)行初始化、設(shè)置參數(shù)、為各個中斷驅(qū)動的控制任務(wù)開放中斷、執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。給系統(tǒng)上電，進(jìn)入初始化階段，系統(tǒng)變量進(jìn)行外設(shè)初始化、初始化賦值等，然后開中斷，等待中斷的到來，所有的初始化僅在系統(tǒng)上電時執(zhí)行一次，然后進(jìn)入中斷等待，通用定時器T0產(chǎn)生下溢中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序執(zhí)行直接轉(zhuǎn)矩控制算法，輸出合適的電壓空間矢量。DSP進(jìn)

7、行初始化處理后，打開TZ中斷，T0中斷，AD中斷，之后啟動AD，此時立即啟動T0中斷。進(jìn)入中斷T0后，首先轉(zhuǎn)換上一次啟動AD時測量的兩相相電流、直流母線電壓以及轉(zhuǎn)速。由于所采用的異步電機(jī)定子是Y連接的，零序電流為0，所以根據(jù)ia+ib+ic=0，只需要檢測其中兩相電流就能得到另外一相電流。之后要對測得的母線電壓和相電流進(jìn)行坐標(biāo)變換。然后進(jìn)入磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測環(huán)節(jié)，計算出定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩。計算磁鏈誤差和轉(zhuǎn)矩誤差，判斷誤差是否超出滯環(huán)寬度設(shè)立相應(yīng)的標(biāo)志，然后查開關(guān)電壓表確定出下一時刻需要發(fā)出的電壓矢量。通過比較單元輸出所需的開關(guān)狀態(tài)，更新PWM信號。之后中斷返回至主程序進(jìn)入等待狀態(tài)，以等待下一次通用

8、定時器T0中斷的到來。中斷服務(wù)子程序流程圖如圖2所示：圖2 中斷服務(wù)程序流程圖實驗結(jié)果實驗采用三相鼠籠式異步電機(jī)，定子Y型連接，定子電阻RS=2.7，轉(zhuǎn)子電阻Rr=2.23，定子電感LS=0.3562H，轉(zhuǎn)子電感Lr=0.3562H，定轉(zhuǎn)子互感 Lm=0.3425H，轉(zhuǎn)動慣量 J=0.00825kgm2，極對數(shù)Pn=2，額定轉(zhuǎn)矩T=10Nm，給定額定轉(zhuǎn)速n=500r/min，給定定子磁鏈幅值為1Wb。由圖3可見，定子磁鏈在啟動很短時間內(nèi)就達(dá)到給定值，穩(wěn)態(tài)時保持在給定值1wb左右，說明定子磁鏈控制效果不錯。由圖4可見，轉(zhuǎn)速大約0.13s 在達(dá)到給定額定轉(zhuǎn)速。由圖5可以看出，兩相定子電流波形較接近正弦波，相位關(guān)系保持較好，且在電機(jī)啟動時，電機(jī)的起始電流較大。其原因在于電機(jī)在建立磁場時，同一個電壓空間矢量作用的時間比較久，此時應(yīng)該考慮在軟件上作限流的程序，以免損壞器件。實驗結(jié)果表明，該