磁同步电动机直接转矩控制系统设计

1、第卷第期年月电力电子技术，基于永磁同步电动机直接转矩控制系统设计钟技，周扬忠（福州大学，福建福州）摘要：随着永磁同步电动机（）各种高性能控制策略的出现和发展，以及对低成本控制系统的追求，全数字控制成为了一种发展趋势。以型为核心，结合直接转矩控（）的特点，设计了一套功能完善、实时性好的系统。实验结果表明，硬件系统工作可靠、控制速度快、转矩动态响应迅速、稳态运行平稳。关键词：永磁电机；同步电动机；数字控制直接转矩控制中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：（），（），：；：引言年，德国鲁尔大学的德彭布罗克教授针对异步电机提出了直接转矩控￥（）】。年，永磁同步电机（）被提出，并以其效率高等优

2、点成为了研究热点。在实现时需要准确采集定子绕组相电流和母线电压控制中还要实时地输出电压矢量控制电机定子磁链及转矩。因为要求硬件系统实时性能优良、稳定性高，故全数字控制成为该系统的首选控制手段之一尤其是芯片在系统中得到了广泛应用删。文献【】提出了基于的硬件平台，该平台需要外置的芯片，系统成本高。文献提出一种双构架硬件平台，它采用双端口实现两之间的数据交换，硬件系统复杂。成本高。综上可知，如何获得一种性价比高、功能完善、实时性好的硬件平台，是实现系统首要解决的问题。在此设计了一种以型为核心的全数字控制硬件平台，在此平台上实现了控制策略。基金项目：福州大学人才引进基金定稿日期：一一作者简介：钟技（一

3、），男，江苏淮安人，硕士研究生，研究方向为现代调速。硬件系统设计以型为核心结合多种外围扩展，构成一套功能完善、驱动简单的驱动系统，其结构框图如图所示。瓢粼丘蕊毒营漱卜吖孺。隰程逻辑器件广叫最鬲模块口扩展接口霄订调群。两瓢；热传感器信号厕图硬件系统框图定子两相绕组电流。，。和直流母线电压魄经霍尔传感器检测后送给中采样模块实时处理，结合软件算法和最优开关矢量表输出最佳的电压矢量。外围扩展的输出、口、速度检测、采样、通信等模块为控制提供了有利条件。外部扩展的输出通道方便了中磁链等非电量的观测及系统调试。辅助电源设计硬件系统的首要考虑因素就是供电电源。这里所需的辅助电源有，一，一，和其中士电源主要提供

4、给调理电路中的运算放大器及故障信号处理电路中的比较万方数据第卷第期年月电力电子技术器。路电源分别为三相逆变桥中个驱动的电源，互相隔离。电源经变换成，供使用。一电源用于提升调理电路的电平，电源作为双极性输出中参考电平。其中最为重要的就是工作电源。该套平台采用型双端输出电源管理芯片来实现电源的供给。逻辑保护译码设计系统中存储器之间的读写信号、转换之间的译码信号、死区保护和各种故障保护信号等通过一块在线可编程逻辑器件实现。动作时间快可无限次在线修改，省去了复杂的数字分立元器件，节约了时间和成本，最大限度地保护了系统硬件设备安全。其供电电压为，输出为，省去了复杂的电平转换电路。输入信号为：功率管开关控

5、制信号（，。实现逆变桥驱动信号同高互锁保护，避免逆变桥直通故障）、过流保护信号（相过流信号，相过流信号、直流母线过流信号）、过压保护信号、译码地址及控制信号（地址线。，、读写信号、程序空间选择信号、数据空间选择信号。空间选择信号）、故障复位信号、电源复位信号、外部空间指示信号。输入信号为：通道选择译码。一。，使能信号、功率保护信号、故障信号指示信号。其中为晶体振荡器。内部逻辑功能采用原理图和语言相结合的方式编程实现。其中模块实现信号延时功能，目的是为了消除故障信号的干扰，避免保护电路的误动作。采用状态机编程实现，对应的语言为：，；，；，；，；。：；（，】）：（；：；：；（）（）：（）（）；：；

6、（）；在上述程序中利用计数器对外部时钟脉冲计数次，产生延时。采样通道系统采样信号（电流、电压）经过霍尔传感器和射极跟随器送至调理电路。由于的输入端只能接收直流信号（一），所以由传感器输出的信号还要经过电平提升电路，如图所示。万方数据基于永磁同步电动机直接转矩控制系统设计口，捌枷纂：错丰图光耦驱动电路经过电阻尺：和稳压管，获得用于关断的一。当输入端为低电平时，通过光耦和，加到门极，这样门极与发射极之间电压为导通；当端为高电平时稳压管通过光耦和，反向；至门极与发射极之间，关断。发光二极管用于指示开关情况。实验研究实验采用的电机参数为：额定电压：额定电流；额定转速一；额定功率；额定频率；极对数；直轴

7、电感；交轴电感：定子电阻：转子感应到定子侧的磁链。为验证该套硬件系统设计的可行性编制了软件进行了实验，其软件系统流程图如图所示。（竺！堑堑）医面陬葡幽周期定，溢霞新装载比较器值变死循环等待巾（输功率驱动保护中断故障处州叶断，函数开始罄采样运算、堕墼丛堕一：一电电流述度等采样运算二工！兰垫一计算磁链转矩判断扇区二二二相关给定值比较得出新的比较器值图程序总流程图采用语言编写控制软件系统控制周期为斗，定时器下溢出发转换，后进入中断，处理采样信号，得出新的控制信号。系统要求在带宽范围内信号传输不发生相移。图示出转换通道在输入正弦信号下输出信号与输入信号之间波形对比可见输入与输出相位一致，满足了系统信号

8、采集带宽要求。图示出定子磁链给定为。负载为，额定转速为一时的实验波形。由实验结果可见，定子磁链轨迹为圆形，幅值为，频率为转矩平均值为定子电流正弦度较好。由转矩和电流波形可见波形脉动较大，其原因是电机电感较小且转矩和磁链采用滞环控制器也带来较大的转矩电流脉动。实验结果表明电机运行平稳。图示出转矩给定为情况下的转矩阶跃响应波形。可见，该系统转矩响应迅速，转矩在：之间阶跃响应时间小于。（）带威洲试一一“麓一：；扎爹。夏，憎；、：。解一（格）（）定磁链轨迹，（格）【定磁链口轴分篮蛐胁艄删船（格）（）（）稳虑定绕乜流（转矩阶跃；，施图实验结果结论以型为核心结合特点，设计了一套系统。设计结果表明，型可最大

9、限度地满足控制需要，系统成本低廉，工作实时性较好。控制周期仅为，满足策略快速控制电磁转矩的需要。实验结果表明，系统工作可靠，负载及转子转速均可达到各自的额定值：采用控制后，电机转矩动态响应更加迅速。实验结果显示电磁转矩在正、负额定值之间变化时的响应时间小于。参考文献【】（）【】，（）：】，（）：【】刘和平，严利平，张学锋，等结构、原理及应用北京：航空航天大学出版社【】赵世廉原理及应用开发指南【】北京：航空航天大学出版社，【田淳无位置传感器同步电机直接转矩控制理论研究与实践【南京：南京航空航天大学，【周扬忠电励磁同步电动机直接转矩控制理论研究及实践】南京：南京航空航天大学，未之，一蜒基童专蕃坚勰

10、万方数据 基于DSP永磁同步电动机直接转矩控制系统设计作者：钟技， 周扬忠， ZHONG Ji， ZHOU Yang-zhong作者单位：福州大学,福建,福州,350108刊名：电力电子技术 英文刊名：POWER ELECTRONICS年，卷(期：2009，43(6被引用次数：0次参考文献(6条1. M Depenbroek Direct Self-control(DSC of Inverter-fed Induction Maehine 1988(042. L Zhong. M F Rahman. W Y Hu Analysis of Direct Torque Control in Per

11、manent Magnet Synchronous MotorDrives 1997(033. 刘和平. 严利平. 张学锋 TMS320LF24xDSP结构、原理及应用 20024. 赵世廉 TMS320X240x DSP原理及应用开发指南 20075. 田淳 无位置传感器同步电机直接转矩控制理论研究与实践 20016. 周扬忠 电励磁同步电动机直接转矩控制理论研究及实践 2006相似文献(10条1.会议论文 陆永平. 谷爱昱. 邹继斌 脉 振磁场永磁低速同步电动机 1998该文提出一种新结构原理同步电动机自起动脉 振磁场永磁低速同步电动机。介绍了该电机的结构和原理及自起动判据，并说明了满足起

12、动条件和工艺要求时，电机主要尺寸的制约关系。实验证明上述设计准则是正确的。2.学位论文 武瑞兵 永磁直线同步电动机垂直提升控制系统的硬件设计 2008永磁直线同步电动机(PMLSM驱动的垂直提升系统是一种新型的无绳提升系统，它主要应用在高层建筑电梯和矿井提升系统两个方面。PMLSM是该提升系统的核心，它不仅具有永磁电机的高效、节能的特点，且兼有直线电机作直线运动和结构简单、控制方便、无污染、低噪声等显著优点。论文主要研究了基于TI公司推出的电机控制专用芯片数字信号处理器(DSPTMS320LF2407A控制的永磁直线同步电机垂直提升系统的原理和硬件设计。本文主要从以下几个方面对垂直运动PMLS

13、M进行分析和研究:(1对交流调速系统中的磁场定向控制和脉宽调制(PWM技术进行了详细分析，比较了正弦PWM和空间矢量PWM(SVPWM方式的优缺点，对PMLSM的基本理论和一些特性进行了分析和研究。(2给出了PMLSM的稳态方程、相量图、电磁功率及推力方程等；进一步探讨PMLSM的力角特性、电压幅值与频率对功率以及推力的影响、推力系数等；考虑端部效应的影响，建立了PMLSM的暂态模型。(3介绍了所建实验平台各部分的工作原理和参数计算，设计了主电路、控制电路、电流、电压和位置检测电路以及部分保护电路。系统主电路主要由三部分组成:整流部分、滤波部分和逆变部分，分别用6R130G-120整流桥模块、

14、电解电容电路和PM25RSBl20智能功率模块(IPM实现。并设计有起动时防止冲击的限流电路，以及防止过压、欠压的保护电路。其中，对逆变模块IPM的驱动控制是控制电路的核心，也是系统实现的主要部分。控制电路以DSP为核心，由IPM隔离控制电路、位置检测电路、保护电路、电流检测电路、电源电路、显示和键盘电路组成。对IPM隔离、控制的效果，直接影响变频器的性能，所以这部分是改善变频器性能的关键部分。另外，本课题拟定的被控对象是永磁同步直线电机要对系统实现闭环控制，依赖于动子位置的准确、实时检测，只有这样，才能实现正确的矢量变换，准确的输出PWM脉冲，达到良好的控制性能。因此，动子位置检测是实现闭环

15、控制的一个重要环节。(4利用SIMULLNK中S函数建立的PMLSM暂态和稳态模型分别进行了开环和闭环仿真。最后基于实验室自制样机和控制器做了开环试验。试验结果表明，系统能够满足运行状态的要求，运行基本稳定。本文研究的实验平台可以满足高性能交流调速系统的需要，同时为进一步开发实用的高性能变频调速装置奠定了基础。3.会议论文 张高圣 三相稀土永磁梳棉机专用同步电动机及设计特点分析 1998该文介绍一种稀土永磁同步电动机及其主要结构，并讨论了设计试制过程的几个主要问题和实际应用的情况。4.学位论文 王劲 WINDOWS 95环境下异步起动永磁同步电动机的多目标优化 1999该文针对应用前景广阔的异

16、步起动永磁同步电动机,在Windows 95环境下,采用面向对象编程技术,研究开发了其实用的CAD系统.首先,根据永磁同步电动机优化设计的特点,建立起适用的数学模型,并首次将全局优化方法-遗传算法应用于异步起动永磁同步电动机的优化设计中,通过永磁体尺寸、转子槽形、定子每槽线数、气隙等七个变量,对电机进行单目标或多目标优化,并对遗传算法本身的收敛速度、最优解等问题做了详细的研究.实例表明,优化效果明显.其次,对永磁同步电动机CAD系统的软件实现过程做了详实的介绍.该文编制的软件系统是在当前流行的WINDOWS95环境下,使用面向对象的MSVISUAL BASIC5.0编程语言,将分析计算、优化设

17、计以及多种辅助功能汇集在一起,形成了较为实用的电机CAD系统.最后,阐述了数据库技术在该系统中的应用.根据电机设计中数据结构及流向的特点,建立了读数数据库和资料数据库.采用MS VISUAL BASIC 5.0语言对Access 97数据库进行操作,建立了数据管理系统,实现了对CAD系统的支持.5.会议论文 陈冶频. 王伟杰 稀土永磁同步电动机在游梁式抽油机应用的经济分析 1998该文介绍了稀土永磁电机设计及调试中的技术要点，并通过较大批量运行考核及理论分析计算，证明稀土永磁同步电动机应用于游梁式抽油机，获取了良好的运行性能和节电效益。6.会议论文 张耀安. 邬显光 第三代稀土永磁同步电动机

18、2000介绍了TDY系列永磁低速同步电动机采用第三代稀土钕铁硼磁性材料,在不改变原永磁低速同步电动机的设计参数,对转子的个别零件尺寸加以调整,电机的性能得到了很大的提高,特别是电机的转矩比第二代稀土锶钴铜铁磁性材料的稀土永磁低速同步电动机转矩平均提高25以上,而材料成本下降.经多年生产实践的验证,已获得了较明显的市场和经济效益.7.学位论文 姚振华 单相永磁同步电动机的优化设计与参数化绘图 2001该文对一种高效节能电机单相永磁同步电动机的设计进行研究,分析了该电动机的稳态性能、起动性能,并对其设计中的一些具体问题提出相应的解决办法,用填充函数法对该电机进行了优化设计,同时,在电机参灵敏化绘图

19、方面也做了一些工作.8.期刊论文 王道涵. 王秀和. 张冉. 丁婷婷. WANG Dao-han. WANG Xiu-he. ZHANG Ran. DING Ting-ting 不等宽永磁体削弱表面永磁电机齿槽转矩方法 -电机与控制学报2008,12(4与现有的改变永磁磁极极弧系数和不同极弧系数组合的齿槽转矩削弱方法不同,研究了一种新的改变极弧系数的方法削弱表面永磁电机的齿槽转矩.在该方法中,除一块磁极外,其它磁极的宽度都相同,利用解析法推导了在保证永磁体用量不变的情况下,改变极弧系数时齿槽转矩的表达式,给出了极弧系数的确定方法,并利用两台电机进行了有限元法分析.仿真结果表明:所给出的极弧系数确定方法可有效地削弱每极整数槽的表面式三相永磁同步电动机的齿槽转矩.9.学位论文 杨高 基于Ansoft的电动车驱动用永磁无刷同步电动机的设计 2007随着能源使用紧张，石油价格上涨，以及生态环境等问题的日益突出，汽车行业面临新的挑战。电动汽车是以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，且满足道路安全法规对汽车的各项要求的车辆。电动汽车的发展是石油危机及人们对环境要求的必然产物。为推进永磁同步电动机在电动汽车驱动中的应用，满足电动汽车对牵引电机的需求。本文研究并设计了一台35kw电动汽车驱动用永磁同步电