基于DSP的异步电动机直接转矩控制系统研究

1、基于DSP的异步电动机直接转矩控制系统研究摘 要随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的飞速开展，各类电机控制技术不断得到开展。其中直接转矩控制技术(DTC)作为继矢量变换控制之后又一项新型的现代交流调速控制技术，其思路是把交流电机与逆变器看作一个整体对待，采用空间电压矢量分析方法进行计算，免去了矢量变换的复杂计算。控制系统具有结构简单，鲁棒性强、静动态性能好、便于实现全数字化等到优点，所以得到了越来越广泛的重视。无速度传感器技术是当前交流传动领域中的研究热点，由于速度传感器的安装不仅增加了系统的本钱，而且存在安装不便、维修困难等缺点，因而用软件代替速度传感器来辨识转速，即无速度传感器技术

2、，具有非常好的应用前景。本论文从异步电机的数学模型出发，介绍了直接转矩控制的根本原理，并且对无速度传感器技术进行了深入的研究，建立了基于磁链的速度辨识方案的数学模型，并将它应用到直接转矩控制系统中进行仿真。本论文首先用Matlab/Simulink软件进行仿真,构建了不同速度范围的辨识方案的仿真模型，并将它们直接应用于直接转矩控制系统，对无速度传感器的异步电机直接转矩控制系统进行了仿真研究。最终用TMS320F2407DSP为CPU搭建了直接转矩控制硬件实验平台，调试了硬件电路。编写了相关软件流程图和程序清单。关键词：异步电机；直接转矩控制；无速度传感器；仿真；DSPAbstractRecen

3、tly with the development of power electronic techniques,computer control techniques and automatic control techniques,many kinds of inducdion motor control techniques are improved greatly.Among them the Direct Torque Control(DTC) technique attracts more and more attention after vector control theory

4、because of its Torque Control takes the parameter of torque as its control control object,and it based on stator coordinate.As a result,DTC system is a fected by fewer parameter of the motor and has less complex structure and fewer calculations.Since it was brought forward,Direct Torque Control has

5、been taken serious attention by domestic and foreign scholars. The speed sensorless method is a heated-spot in the field of AC drive nowadays. Mechanical speed sensor not only increases the cost, but also has the disadvantage of inconvenient fixing and maintenance. The speed sensorless method, that

6、is, application to software instead of mechanical speed sensor, has good prospects.This paper builds a mathematic model for asynchronous motor and tells the basic principle of direct torque control. This paper studies emphatically speed sensorless techniques , the mathematic models of speed identifi

7、cation schemes based on rotor flux linkage force is simulation and is applied in DTC system. The paper uses Matlab/Simulink to simulate DTC system and constructs different simulation models in various speed range and simulates.The simulation results are shown and it suggests that the model is right

8、and the control system has satisfactory identification precision,excellent dynamic and static performances and high control effect. In order to simplify the structure of alternating current speed adjusting of system,reduce the cost,and improve the system performance,the speed estimation withoutspeed

9、 sensor is an important trend of modern AC drive.Key Words: Asynchronous Motor; Direct Torque Control; Speed Sensorless; Simulation；DSP 绪论0.1交流调速控制策略的现状和开展交流电动机自1885年出现后，由于一直没有理想的调速方案，只被用于恒速拖动领域。近二十年来，电力电子技术、微电子技术、现代控制理论的开展，为交流调速产品的开发创造了有利条件，使交流调速系统逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应和四象限运行等技术性能完全可与直流调速系统相媲美。基于直

10、流调速系统所固有的缺点，无论是调速领域还是伺服领域，交流驱动系统已经逐步占据主导地位，有逐渐取代直流驱动的趋势。异步感应电动机直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后的一种新型高效的交流变频调速技术。直接转矩控制技术以它的结构简单明了、转矩快速响应、鲁棒性好等一系列的优点正受广阔学者的青睐。交流电机控制技术具有代表性的有转差频率控制、矢量控制以及近年来提出的直接转矩控制。其中，转差频率控制只是控制了电机的气隙磁链而不能调节转矩，转差频率控制考虑了电磁转矩，但它是从电机的稳态方程推导出来的，并不能真正控制动态过程的转矩，高性能的调速方法通常是指矢量控制和直接转矩控制。 (1) 矢量控制(Field

11、Oriented Control，简称FOC)1971年，由F. Blaschke提出的矢量控制理论将交流传动的开展向前推进了一大步，使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃。其根本原理为：以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的2个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量；另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，然后分别对其进行独立控制，获得像直流电机一样良好的动态特性。尽管矢量控制方法从理论上可以使异步电机传动系统的动态特性得到显著改善，但也带来一些问题，即太理论化，实现时要进行复杂的坐标变换，并需准确观测转子磁链，而且对电机的参数依赖性很大，难以保证完全解耦，

12、使转矩的控制效果打了折扣。从电机本身看，其参数具有一定时变性，特别是转子时间常数，它随温度和激磁电感的饱和而变化，矢量控制系统对参数变化的敏感性使得实际控制效果难以到达理论分析的结果。即使电机参数与转子磁链被精确观测，也只有稳态的情况下才能实现解耦，弱磁时耦合仍然存在。另外，矢量控制理论首先是认为电机中只有基波正序磁势，这和实际有较大差异，所以一味追求精确解耦并不一定能得到满意的结果。而且，采用普通PI调节器的矢量控制系统，其性能受参数变化及各种不确定性影响严重，即使在参数匹配良好的条件下能取得好的性能，一旦系统参数发生变化或受到不确定性因素影响，那么导致性能变差。(2) 直接转矩控制(Dir

13、ect Torque Control，简称DTC)针对矢量控制存在的缺乏，Depenbrock教授于1985年首次提出异步电机直接转矩控制方法，接着1987年把它推广到弱磁调速范围1。不同于矢量控制技术，它无需将交流电动机与直流电动机作比拟、等效、转化，不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。它只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来；而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此，直接转

14、矩控制大大减少矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题，很大程度上克服了矢量控制的缺点。 直接转矩控制从一诞生，就以新颖的控制思路，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到人们的普遍关注，各国学者在理论探讨和实验研究上都做了大量工作，出现了各种各样的控制方案。德国作为直接转矩控制的发源地，采用的是六边形磁链控制方案，着眼于大功率领域的实际应用。日本采用近似圆形磁链的控制方案，侧重于中小功率高性能调速领域的研究。从控制效果来看，六边形方案在每六分之一周期仅使用一种非零电压矢量，这相当于六阶梯形波逆变器供电的情况(无零矢量作用时)，转矩脉动、噪声比拟大，与气隙磁场为圆形的理想情况相差甚远。近

15、似圆形磁链方案那么比拟接近理想情况，电机损耗、转矩脉动及噪声均很小。但是从另一方面看，六边形方案有利于减小功率器件的开关频率，适用于大功率领域，而近似圆形磁链方案那么相反，一般用于中小功率高性能场合。美国进行直接转矩控制研究的主要有T.G Habede等人，其目的是把直接转矩控制技术应用到电动汽车的牵引中，因此研究重点并不是如何精确调速，而是在全速度范围内有效地控制转矩，他们提出的无差拍预测控制法，克服了Band-Band控制开关频率可变的缺点。0.2无速度传感器直接转矩控制国内外研究现状0直接转矩控制技术国内外开展概况直接转矩控制理论在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电动机参

16、数变化的影响、实际性能难于到达理论分析结果的一些重大问题。直接转矩控制技术从其诞生之日起，就以其新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到了普遍注意并得到迅速开展。在短短不到10年的时间里，仅由德国工程师协会出版社出版的新技术丛书里，有关直接转矩控制的博士论文就有几十本。德国、日本、美国都竞相开展此项新技术，目前己取得较大开展。德国作为直接转矩控制的发源地，采用的是六边形磁链控制方案，着眼于大功率领域的实际应用。日本采用近似圆形磁链的控制方案，侧重于中小功率高性能调速领域的研究。从控制效果来看，六边形方案在每六分之一周期仅使用一种非零电压矢量，这相当于六阶梯形波逆变器供电的情况

17、(无零矢量作用时)，转矩脉动、噪声比拟大，与气隙磁场为圆形的理想情况相差甚远。近似圆形磁链方案那么比拟接近理想情况，电机损耗、转矩脉动及噪声均很小。但是从另一方面看，六边形方案有利于减小功率器件的开关频率，适用于大功率领域，而近似圆形磁链方案那么相反，一般用于中小功率高性能场合。美国进行直接转矩控制研究的主要有T. G Habede等人，其目的是把直接转矩控制技术应用到电动汽车的牵引中，因此研究重点并不是如何精确调速，而是在全速度范围内有效地控制转矩。此外，无数的专家学者在该领域都做了大量研究与开发工作。在国内以清华大学的李永东教授和南京航空航天大学的胡育文教授为代表的研究队伍在这方面的研究比

18、拟深入，在低频和死区控制方面提出许多卓有成效的解决方法。南车集团公司和湖南某些高校联合在研究开发电力牵引交流传动控制技术上占领先地位，近年采用这种方案研制了DJ型电力机车、DJJ1型电动车组的交流传动系统。其余的一些高校和科研单位在直接转矩方面的研究还根本处于理论仿真阶段。直接转矩控制技术经过近二十年的开展，各方面性能都在不断提高，并己经进入实用阶段，目前该技术己成功地应用在电力机车牵引系统、垂直升降系统、地铁和城市有轨电车的主传动系统等大功率交流调速应用场合。ABB公司首次把直接转矩控制技术转化产品，开发了第一台商用变频器(ASC600系列)。由于其巨大的商用价值及带来的巨大经济效益，各大变

19、频器厂商如西门子、三菱等都竞相开发此类产品。仅ABB一家公司运行的使用直接转矩控制方法的电车和电力机车就超过了1000辆，另外其生产的变频器也主要采用这种控制方法。自接转矩控制技术是继矢量控制技术之后的一种新型高性能的交流变频调速技术，它以转矩响应快、结构简单明了、鲁棒性好等一系列优点受业界人士的广泛关注。然而作为新兴的技术，它还存在许多不成热、不完善的问题，如低速运行时，受电动机的参数变化影响严重；稳态运行时，脉动大。这些大大限制了自接转矩控制技术的应用范围。0无速度传感器技术国内外研究现状在交流电机控制中，速度传感器的安装不仅增加控制系统的本钱，还存在安装和维护上的困难，降低系统的可靠性，

20、并且不适应恶劣的工作环境，因此限制了它的应用范围2-7。无速度传感器技术，就是如何通过己知的和检测得到的调速系统参数快速而准确地估算出电机的实际转速值。目前为止，出现了大量关于异步电机传动系统的无速度传感器设计的文献。从20世纪70年代至今，国内外学者提出了诸多方法对转速进行估算，大致可分为如下几类：(1) 动态速度估计器 基于转子磁链的估计方法利用转子磁链的角速度减去转子磁链与转子的相对角速度，即可得到电机的瞬时转子角速度8-9。 (1.1) (1.2)通过公式可以计算转子磁链存在如下问题:一是需要理想的积分器;二是该方法对电机参数尤其是对定子电阻的变化比拟敏感，这在低速时表现得尤其明显。

21、基于定子磁链的估计方法该方法以定子磁链的角速度为基准，减去定转子磁链之间的相对角速度以及转子磁链与转子之间的相对角速度，得到电机转子的角速度。该方法计算转子磁链的瞬时角速度时，由于引入运算量巨大的反余弦函数，在离散化过程中会引入一定的误差。 直接计算法日本学者Toshiyuki Kanmachi提出了一种转速的直接估计方案。该方案去掉了和项，提高了系统的鲁棒性，但是需要准确地测量定子和转子磁链10。 (1.3)由于公式中含有微分运算，而且其分子和分母项中包含相同的过零点，因此必须借助于低通滤波器才能够实现其功能，因而这种方案并非十分实用。前述速度估计器是建立在电机精确模型根底上的开环计算方案，

22、其理论比拟简单，实现起来严重依赖于电机参数准确性与电机磁链的观测精度，且磁链的运算均以积分器为根底，缺乏有效的校正环节，抗干扰性能差。(2) 模型参考自适应法模型参考自适应(Model Reference Adaptive System，简称MRAS)11-15转速辨识方法，主要思想是将不含未知参数的方程作为参考模型，将含有待估计参数的方程作为可调模型，并且两模型具有相同物理意义的输出量，利用两模型的输出量的误差构成适宜的自适应律来实时调节可调模型的参数，以到达控制对象的输出跟踪参考模型的目的。由于该方法以转子磁链方程为模型对象实现直接转矩控制系统中的转速辨识，参考模型中的转子磁链是通过纯积分

23、方法计算出定子磁链后间接获得的，因此这种方法实际上在中高速范围对转速估算精确度高，而在低速范围由于定子电阻上电压降落被忽略，性能不好。(3) 速度自适应观测器日本学者Hisao Kubota在转子磁场定向控制中，利用Luenberger观测器实现了对转子磁链的观测，并根据定子电流的偏差和转子磁链的观测值自适应辨识出转子转速和定子电阻，之后又通过外加注入信号的方法实现了对转子速度和转子电阻的同时自适应辨识16-24。意大利Mario Marchesoni等学者在定子磁场直接定向控制(DFOC)中，采用定转子磁链的全阶状态观测器实现了对定转子磁链的观测，同时又利用定子电流矢量的实际值和观测值的夹角

24、的累加实现了对电机速度的辨识。该方法鲁棒性好、精度高，也是一种性能优良的实现方案。(4) 基于神经网络的速度估计器文献25利用基于反向通道技术的两层神经网络技术估算异步电机的转速，将神经网络模型的输出与电机的实际值进行比照，并利用两者之间的偏差反向调节神经网络的权，最终使转速估计值跟踪转速的真实值。文献26使用的双层结构的神经网络可以在应用中自学习，不需要离线学习。由于神经网络理论目前的开展尚不成熟，距离实际的应用尚需时日。(5) 卡尔曼滤波技术(KFT) 卡尔曼滤波器是鲁棒性良好的线性系统滤波器。当输入和输出信号被噪声所污染时，通过选择合理的增益矩阵可以获得最优的滤波效果。文献27和28分别

25、将卡尔曼滤波器及扩展卡尔曼滤波器应用于速度辨识中，获得了成功，但是由于算法复杂，离实际应用还有一段距离。鉴于此，文献29提出了一种高效率的卡尔曼滤波算法，该算法与传统的线性卡尔曼算法相比，运算量减少了一半。尽管如此，在采用卡尔曼滤波的方法实现速度估计时，与其他方法相比，其运算量还是显得过大。(6) 转子齿谐波法感应电机的定子和转子铁心外表存在齿槽，因此电机的气隙中会有谐波磁场的存在，当电机旋转时会在定子绕组中感应出谐波电压进而产生谐波电流。利用带通滤波器对定子电压和定子电流的进行滤波可以得到转子的齿槽谐波分量，一旦检测到此谐波分量的频率，即可得到转子的转速30。上述方法中，直接计算法已经应用到

26、实际系统中，ABB公司采用的是转子磁场的角速度减去转差速度以计算转速。另外，在国内有学者将定子磁链闭环观测器直接应用于DTC系统中，但是闭环观测器比拟依赖电机模型的准确性，即对电机的参数有很强的依赖性。0.3 无速度传感器直接转矩控制存在的问题在理论和实践中，传统的无速度传感器直接转矩控制系统尚存在许多问题需要解决，其中以低速问题最突出，主要有：(1) 由于磁链的滞环比拟器的输入为给定定子磁链幅值和观测定子磁链幅值的差值，那么观测磁链的准确度直接影响直接转矩控制的动态性能，尤其表现在低速情况下。而常规的电压型定子磁链观测器，不仅受积分初值和漂移问题的影响，而且还受到电机参数中的定子电阻的影响，

27、这些问题都造成了磁链观测的不准确，从而使整个控制系统的动态性能恶化，严重时造成系统不稳定。(2) 传统电机转速辨识算法中以模型参考自适应速度辨识算法最为简单且鲁棒性较高，最具有研究价值。但传统算法中的参考模型易受积分初值和漂移问题的影响，并且也含有异步电机在运行时随电机的损耗和散热条件而变化的定子电阻，从而造成辨识结果不准确。所以如何合理选取参考模型和可调模型，以及参数自适应律的选择以提高辨识精度和稳定性成为MRAC速度辨识面临的主要问题。 (3) 直接转矩控制系统要观测电动机的电磁转矩和定子磁链，这必须要检测电机定子的电压、电流信号。电机电流可用霍尔器件检测，电机电压可通过变频器直流电压以及

28、开关信号计算得出。由于变频器为了防止上下桥臂的直通而设置开关死区时间，使得电压计算产生误差，以及由于速度辨识时所带来的辨识误差，这些误差如果作用在电机低速高频情况下会产生很大的电流谐波以及转矩脉动，使得控制性能变恶劣。(4) 传统的圆形磁链的电压开关控制方案是建立在电压状态空间分为六个区域和8个电压矢量的根底上的，该控制方案还可以改良从而进一步减少直接转矩控制系统的动态电磁转矩脉动以提高其动态性能。改善措施有： 提高开关频率，使转矩在一个周期内的变化量减小，幅度降低。 使转矩围绕给定转矩对称地波动，靠软件来实现。 用转矩追踪法实现无差转矩控制。实验说明，这些措施都比拟得力。为防止上下桥臂同时导

29、通造成直流侧短路，有必要引人足够大的互锁延时，结果带来死区效应。死区效应积累的误差使逆变器输出电压失真，于是又产生电流失真，加剧转矩脉动和系统运行不稳定等问题，在低频低压时，问题更严重，还会引起转速脉动。死区效应的校正，可由补偿电路检测并记录死区时间，进行适时补偿。这样既增加了本钱，又降低了系统的可靠性。开关频率是当前电力电子器件应用的一个主要问题，对器件的要求较高，根本的解决方法是提高器件的制造水平，使其能适合于高频工作。综合来说，上述问题主要反映在系统的控制复杂、低速性能不理想以及定子磁链、电磁转矩脉动不理想，控制性能达不到要求，这些都直接影响了异步电机直接转矩控制系统的推广和应用。0.4

30、 本文所做的工作和意义目前在高性能交流调速系统中实际效果较好的主要为磁场定向控制系统(矢量控制系统)和直接转矩控制系统。其中直接转矩控制系统相对于磁场定向控制系统而言具有控制简单、对电机参数依赖小的特点，因而本文选用直接转矩控制系统作为异步电机调速的控制系统。本文以无速度传感器直接转矩控制技术作为研究课题，主要研究工作表达在以下几个方面：从交流异步电机的综合矢量方程出发，依据电机的动态等值电路，详细分析了直接转矩控制的理论依据，并从磁链和转矩自控制两方面介绍了直接转矩控制方法，明确了该方法在理论上的优越性，为后文设计仿真软件和提出改良方法提供了理论保障。当前，直接转矩控制已经在交流传动控制中得

31、到广泛的应用，无速度传感器的直接转矩控制更是当前自动控制领域中的研究热点。以本课题的设计方案作为根底可开发出相应的装置及产品，可用于多种领域，如冶金、石油、机车、纺织等行业，社会经济效益显著，推广应用前景广阔。因为高性能交流调速系统不仅能够节约能源，而且可以进一步提高产品质量、减少废品、降低本钱和提高设备的自动化水平，从而进一步提高劳动生产率。全文共分五章，内容安排如下：第一章综合表达了交流传动控制现状，并简单介绍了无速度传感器直接转矩控制系统的优点和存在的问题、研究的意义。第二章给出了异步电机的数学模型、介绍空间电压矢量，在此根底上详细阐述了异步电机的直接转矩控制根本原理与仿真模型。第三章推

32、导无速度传感器的计算公式，依据异步电动机的数学模型建立了磁链辨识模型进行速度辨识。第四章介绍了直接转矩控制的关键环节区域判断和最正确开关表的选择，对无速度传感器直接转矩控制系统进行了仿真研究，并提出了无速度传感器存在的一些问题和改善的措施。第五章基于TMS320F2407最小系统，设计了异步电动机直接转矩控制系统的硬件电路，其中包括：电流检测电路；电压检测电路；转速检测电路；功率驱动电路。对相关电路进行了调试，以确定其是否能按照设计初衷正常工作； 第六章利用C语言，采用模块化的编程思想，根据系统的控制方案设计了基于TMS320F2407DSP的软件控制系统，并详细介绍了本控制系统中主要用到的软

33、件模块，如PWM生成模块、AD采样模块、相电压计算模块、速度检测模块、CLARK变换模块、磁链和转矩计算模块、PID控制模块、正交编码脉冲电路(QEP)模块、速度估算模块等；第七章是对全文工作进行总结和展望。第1章 直接转矩控制的根本理论与设计直接转矩控制由德国鲁尔大学的Depenbrock教授在1985年首次提出，然后在1987年把它推广到弱磁调速范围。它是继矢量控制之后开展起来的一种高性能的交流变频调速技术，它用空间矢量的分析方法，通过检测到的定子电压和电流，直接在定子坐标系下计算电机的磁链和转矩，并通过滞环比拟，实现磁链和转矩的直接控制。它省掉了电机坐标的旋转变换，使电机数学模型的计算得

34、到简化，且不需要单独的PWM调制器。它的控制结构简单，控制手段直接，转矩响应迅速，是一种具有高静动态性能的交流调速方法。1.1三相交流异步电机的数学模型三相交流异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。按惯例在建立其数学模型时做如下假定。(1) 电机定、转子三相绕组完全对称，所产生的磁势在气隙空间中正弦分布。(2) 忽略铁芯涡流、饱和及磁滞损耗的影响，各绕组的自感和互感都是线性的。(3) 暂不考虑频率和温度变化对电机参数的影响。异步电机的数学模型包括电压方程、磁链方程、电磁转矩方程和机电运动方程。在对异步电机进行分析和控制时，均需对三相进行分析和控制，假设引入Park矢量变换，

35、会带来很多方便。Park矢量将三个标量(三维)变换为一个矢量(二维)。如图2.1所示，选三相定子坐标系中的a轴与Park矢量复平面的实轴a轴重合可得、坐标系。三相静止坐标系(a, b, c)到两相静止坐标系(、)的3/2变换矩阵为 (1.1)图1.1 a、b、c坐标系与、坐标系的关系经过变换得到异步电机在两相静止坐标系(, )下的电压方程为 (1.2)式中：、定转子互感、定子自感、转子自感；、定子电流、分量；、转子电流、分量；、定、转子电阻；电机转子角速度电角速度；、定子电压、分量；、转子电压、分量，鼠笼机，=0；微分算子。电机的磁链方程为 (1.3)其中，、定子磁链、分量；、转子磁链、分量。

36、电机的电磁转矩方程为 (1.4)或利用式(2-3)改写为 (1.5) 式中，电机的电磁转矩；电机的极对数。电机的机电运动方程为 (1.6)式中，负载转矩；电机及拖动系统的转动惯量。式(2.2)-式(2.6)即构成了异步电机在, 坐标系下完整的动态数学模型。1.2 三相电压型逆变器数学模型和电压空间矢量直接转矩控制系统采用三相两点式电压型逆变器向异步电动机供电，逆变器每个桥臂有两个开关元件，如图2.2所示。图中三相两点式逆变器各开关元件的通断共可以组成8个开关状态，见表2.1。当Sa=1时，表示逆变器的a桥臂的上开关闭合，下开关断开；Sa=0时，表示a桥臂的上开关断开，下开关闭合。Sb、Sc所在

37、两个桥臂情况与此相同。 如果以定子绕组轴线为空间坐标系，建立静止三相坐标系a、b、c，同时建立正交两相坐标系、，这样8个开关状态对应8个电压空间矢量-, 其中、为零电压空间矢量。IM图1.2 逆变器-电动机模型表1-1逆变器的8种开关组合状态01234567Sa00011101Sb01000111Sc01110001假设用代表定子三相电压的合成作用在定子坐标系中的位置，那么称为定子电压的空间矢量。设与a轴重合，那么其Park变换式为 (1.7)并用、表示八种开关组合状态下的电压矢量。根据逆变器的开关状态，其输出的三相相电压由下式得到 (1.8)例如=011时，由上式得 ，。根据式(1.7)可得

38、到 (1.9)同理可得其他7个电压矢量。如图2.3所示，6个电压矢量分别为：、，其幅值均为，他们在坐标系中的位置相差60度。开关组合零电压矢量为和。图1.3 电压空间矢量1.3 直接转矩控制的根本原理直接转矩控制一般采用三相二点式电压型逆变器供电。利用电压逆变器的开关特点，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，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。所以说，在直接转矩控制的交流调速系统中，要想得到高性能的调速特性，关键就在于能否对异步电机的磁链和转矩进行高质量的控制。1 定子磁链控制异步电动机直接转矩控制的原理是以定子磁场定向，且必须控

39、制定子的磁通幅值恒定，以获得良好的动态性能。如果磁通值太大，磁路就会饱和，使得电流急剧上升，定转子电感及其互感降低，漏感增加，电机的运行条件恶化，使系统的动态性能变坏；如果磁通值太小，将会导致异步电动机输出转矩允许值减小，使得电动机的效率降低，造成系统资源的浪费。所以，为了保证电机的合理运行，在基速范围以内时，通常将磁通维持在额定运行水平。因为定子感抗随着电压频率的增加会增加，所以在电机运行速度较高的情况下，采用u-i磁链模型时，定子电阻上的压降带来的影响很小，可以忽略。由异步电动机的根本方程，得到定子磁链的模型为 (1.10)从上面的式子可以知道，电动机定子磁链的运动方向是沿着的方向运行的，

40、只要对定子电压矢量进行适当的切换，就可以控制磁链幅值的大小和方向，使它的幅值保持恒定。同时，上式也表示定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系，它们之间的关系见图2-4。图1.4中S1-S6为正六边形的六条边，当磁链空间矢量在如下图的位置时，如果逆变器加到定子上的电压空间矢量为，定子磁链空间矢量的顶点将沿S1边的轨迹，朝着所作用的方向运动。当沿着边S1运动到S1与S2的交点时，如果给出电压空间矢量，那么定子磁链空间矢量的顶点会沿S2运动，直到运动到S2和S3的交点时再给出，依次类推，的顶点依次沿着S3、S4、S5、S6的六边形轨迹运动。这就是最初六边形磁链轨迹控制的DTC的根本思想。图

41、1.4电压空间矢量和磁链空间矢量的关系由上段分析也可以看出，当输入电压为一个非零矢量时，定子磁链的空间矢量将沿着输入电压的空间矢量方向，以正比于输入电压的速度移动。1 定子磁链滞环设计由上一节分析知道，如果要到达快速控制转差速度来控制转矩的目的，原那么上应该保持定子磁通恒定，即应采用圆形磁通轨迹。本文采用圆形磁通控制方案。在逆变器开关状态不变时，定子电压矢量不变，这就是说对异步电动机采用非零电压矢量，定子磁链的运动方向和幅值将发生变化，而采用零矢量时，定子磁链的方向和幅值不变。磁链调节器采用bang-bang滞环控制。设输入为，为磁链给定与观测得到的定子磁链幅值之差，由式(2.11)确定。 (

42、1.11)上式中，。令容差为，输出为： 当输入时，=1，此时应加的电压矢量使磁链幅值增大；时，不变；时，=0，此时应加的电压矢量使磁链幅值减小。图1.5磁链调节器定子磁链幅值由观测得到。观测模型采用u-i模型，即。在两相静止坐标系下为 (1.12) (1.13)定子磁链幅值由式(2.14)可得到。 (1.14)1 电磁转矩控制电磁转矩方程为 (1.15)式中，定子磁链与转子磁链之间的夹角。可见，异步电动机转矩的大小与定子磁链幅值、转子磁链幅值和它们的磁通夹角有关。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，而转子磁链幅值由负载决定，因此，要改变电动机转矩可以通过改变磁通角的大

43、小来实现。在直接转矩控制中，就是通过改变空间电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，以改变定子磁链的平均旋转速度大小，从而改变磁通角的大小，以到达控制转矩的目的。假设要增大电磁转矩，就加载有效电压空间矢量，使定子磁链的旋转速度大于转子磁链的旋转速度，磁通角加大，从而使转矩增大；假设要减小电磁转矩，那么加载零电压矢量，使定子磁链静止不动，磁通角减小，从而使转矩减小。通过转矩两点式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，就能控制定子磁链的空间矢量的平均角速度的大小。通过这样的瞬态调节就能获得高动态性能的转矩特性。1 电磁转矩滞环设计转矩调节器采用和磁链方案相同的bang-bang调节器。两点

44、式调节器的特点是开关频率较低，且通过仿真分析，两点式调节器的转矩脉动比三点式调节器要小。该转矩调节器的输入是转矩给定与观测的实际转矩之差为 (1.16)单独给定，一般由速度调节器输出。转矩调节器的输出为，容差为，输入输出关系为：当时，=0，输出增加转矩的电压矢量；时，不变；时，=1，输出零电压矢量。图1.6 转矩调节器在转矩调节器中，转矩容差的选择比拟关键，首先由于转矩是开关两点控制，所以电磁转矩存在脉动。转矩调节的容差愈小，电磁转矩的脉动幅度也愈小。如果Te的脉动频率足够高，脉动的幅度足够小，那么由于系统机电时间常数的滤波作用，转矩脉动所引起的转速波动将会小到容许的范围之内。所以希望能够容差

45、愈小愈好。但是容差愈小，零矢量插人的次数愈多，逆变器开关元件的开关频率也愈高，这就需要开关器件有很高的性能。因此，在系统设计时，必须兼顾上述两方面的要求，即在开关元件容许的情况下，尽量减少转矩调节器的容差。异步电动机的电磁转矩可由式(2.17)观测得到。 (=2) (1.17)1.4论文具体实现指标本论文从异步电机的数学模型出发，阐述了电压型逆变器的数学模型、电压空间矢量的概念。对直接转矩控制的关键环节磁链滞环、转矩滞环进行了详细地阐述，并依据异步电机在静止坐标系下的动态数学模型，在分析传统定子磁链和转子速度辨识算法的根底上，提出了改良的速度辨识算法，并实现了无速度传感器直接转矩控制系统。虽然

46、直接转矩控制系统具有简洁明了的系统结构，优良的动静态性能等优点，但也应看到定子参数等因素对控制系统性能的影响。采用直接转矩控制方法结合微机控制技术实现一个可在300RPM-1450RPM范围内进行转速控制的交流调速系统 ，系统的具体指标如下：过度时间：Ts小于等于10S超调量 小于等于10%调速范围 大于等于10速度精度 小于等于5%第2章 异步电动机的转速辨识如前文所述，直接转矩控制系统中，转矩给定一般是由给定转速和实际反应转速之差经过速度调节器得到。但是传统的速度传感器的安装不但增加了系统的本钱，而且带来了对环境适应能力差，不易维护等一系列问题。因此，无速度传感器的研究成为当今电机控制领域

47、的一个热门方向。目前，国内外已有很多关于异步电机传动系统的无速度传感器设计的研究报道，其主要方法有基于物理模型的转速辨识算法、模型参考自适应方法(MRAS)、全阶状态观测器法和神经网络法等等。本章基于异步电机的数学模型，建立了基于磁链的转速辨识模型。2.1根本仿真框图(1) 3/2变换的计算公式及其仿真框图如下 (2.1)图2.1 3/2变换仿真框图或者把它封装成图2.2图2.2 3/2变换仿真框图(2) 两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系，即2r/2s变换的计算公式为 (2.2)仿真框图为图2.3 2r/2s变换仿真框图或者把它封装成图2.4图2.4 2r/2s变换仿真框图(3) PI调节器

48、的仿真框图图2.5 PI调节器仿真框图(4) 由第2章第4节可知磁链调节器的仿真模型 图2.6 磁链调节器仿真模型(5) 定子磁链模型结构框图图2.7 定子磁链观测仿真模型(6) 转矩调节器的仿真模型图2.8 转矩调节器仿真模型 (7) 转矩模型结构框图图2.9电磁转矩观测仿真模型2.2无速度传感器的设计异步电动机在静止两相、坐标上的电压方程为： (2.3) 那么由上式可以得到转子磁链观测器的两种不同模型。电压模型： (2.4) (2.5)电流模型： (2.6) (2.7) (2.6)和(2.7)两个方程相加得： (2.8)推出角速度为： (2.9)把和带入即为无速度传感器的计算公式。2.3

49、基于磁链模型的转速辨识2 基于磁链模型的仿真框图基于2.2节推导出的无速度传感器的计算公式，我们可以建立转速辨识的仿真框图，如图2.8，并把磁链模型转速辨识方法在第四章具体应用到直接转矩控制系统中进行仿真。图2.10 基于磁链模型的仿真框图图中的Atomic Subsystem3和Atomic Subsystem5是2.2节中的电压模型封装所得到的，原电压模型为图2.11 电压模型的仿真框图2磁链辩识模型存在的问题磁链辨识模型的参考模型中包含积分环节，该辨识模型因而存在直流误差和积分初值问题。低速域系统运行中，定转子电阻随温度发生变化，电阻上电压降不再被忽略，此时由电阻的温漂会使系统产生一定的

50、直流偏差，该偏差被积分器所累积，从而造成转速辨识精度低，且存在一定的脉动31-35。2.4 小结本章基于电机的参考模型建立了磁链辨识模型的数学模型，给出了它的仿真框图，并分析了磁链辨识模型存在的问题。第3章 基于DSP的异步电动机直接转矩控制系统硬件设计本章的主要内容是设计异步电动机直接转矩控制系统的硬件局部。主要有：逆变主回路，电流、电压及转速检测电路，驱动电路等。本系统采用IPM(Intelligent Power Module)模块作为三相逆变桥的主回路。IPM脉宽调制电压型逆变器以其结构简单、体积小、重量轻等诸多优点，近年来在高性能交流传动领域得到了广泛的应用。直接转矩控制尽管为高性能

51、电机控制提供了理论依据，但是系统控制所采用的微处理器是系统能否实现高性能的一个重要的因素。采用高性能微处器来实现电机控制系统是简化系统结构、完善系统功能、实现复杂的控制策略和提高系统可靠性的有效手段。TI公司推出的专门用于电机控制的数字信号处理器TMS320F2407芯片，具有高速的数字运算能力和丰富的输入输出设备及接口电路，因而在本系统中选用它作为核心控制器件来组成控制回路。本章将介绍TMS320F2407芯片的特点，分析用它作为直接转矩控制系统控制器件的优势，提出系统硬件控制结构方案，并给出了相应的硬件设计。3.1控制芯片TMS320F2407简介TMS320LF2407供电电路由于TMS

52、320LF2407采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V,减少了控制器的功耗。本文采用稳压芯片LM117,该芯片将5V转换成3.3V,给DSP供电。TMS320LF2407供电电路图下列图所示：图3.2 TMS320LF2407供电电路图TMS320LF2407晶振电路由于TMS320LF2407最高可接30MHZ的晶振，本文采用20MHZ的有源晶振。TMS320LF2407的晶振电路图如下列图所示：图3.3 TMS320LF2407晶振电路图TMS320LF2407的JTAG仿真电路JTAG(Joint Test Action Group，联合测试行动组)是一种国际标准测试协议

53、(IEEE 1149.1兼容)。标准的JTAG接口是4线TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。边界扫描(Boundary-Scan)技术的根本思想是在靠近芯片的输入输出引脚上增加一个移位存放器单元，也就是边界扫描存放器(Boundary-Scan Register)。当芯片处于调试状态时，边界扫描存放器可以将芯片和外围的输入输出隔离开来。通过边界扫描存放器单元，可以实现对芯片输入输出信号的观察和控制。对于芯片的输入引脚，可以通过与之相连的边界扫描存放器单元把信号(数据)加载到该引脚中去；对于芯片的输出引脚，也可以通过与之相连的边界扫描存放器“捕获该引脚上的

54、输出信号。在正常的运行状态下，边界扫描存放器对芯片来说是透明的，所以正常的运行不会受到任何影响。这样，边界扫描存放器提供了一种便捷的方式用于观测和控制所需调试的芯片。另外，芯片输入输出引脚上的边界扫描(移位)存放器单元可以相互连接起来，任芯片的周围形成一个边界扫描链(Boundary-Scan Chain)。边界扫描链可以串行地输入和输出，通过相应的时钟信号和控制信号，就可以方便地观察和控制处在调试状态下的芯片。TMS320LF2407的JTAG仿真电路如下： 图3.4 TMS320LF2407的JTAG仿真电路TMS320LF2407的复位电路由于TMS320LF2407是低电平有效，所以采

55、用低电平复位电路。TMS320LF2407的复位电路如下：图3.5 TMS320LF2407的JTAG仿真电路TMS320LF2407的锁相环电路TMS320LF2407的锁相环电路图如下列图所示：图3.6 TMS320LF2407的锁相环电路图TMS320LF2407电路原理图TMS320LF2407电路原理图如下列图所示：图3.7 TMS320LF2407电路原理图3.2系统硬件电路的设计本系统的总体设计如下：1利用电流传感器和线性光耦分别检测电机的定子电流和电压；利用光电编码器检测转子的转速，将采得的信号经过调理电路变成DSP能接受的信号送入到DSP相应的端口，得到运动控制局部的反应信号

56、。DSP芯片完本钱控制系统的控制算法局部。对于转矩和磁链的调节，DSP内置ADC转换模块先将测得的电流值和电压值数字化，将获得的电流和电压采样值通过转矩和磁链的算法得到转矩和磁链的反应值。将转矩与磁链的反应值与给定值相比拟，再通过滞环比拟器得到相应的状态。通过磁链位置判断算法得到此时磁链所在的区间，再结合此前得到的磁链与转矩的状态通过开关矢量选择表算法模块得到此时应该作用于电机的电压状态。通过事件管理器的PWM输出电路输出相应的电压矢量作用于电机。2电机的定子电流的采样。利用瑞士LEM公司生产的霍尔型电流传感器LTSRl5-NP检测定子两相电流，它将交流电流信号转变成直流电压信号，经过采样调理

57、电路后输入到DSP内置的ADC模块。3电机定子的相电压检测由电阻分压采样电路结合光耦隔离电路完成。检测电路测得电机运行时直流母线的电压值，分压后经过线性光耦和运放组成的电路送入DSP内置ADC模块。4驱动电路和逆变电路采用三菱公司的PMl5RSHl20型IPM构成。在IPM的输入端接高速光耦HCPL4504使其与控制电路隔离。5转速检测利用增量式光电编码器，输出信号经过施密特触发器整形再经过电阻分压后送入到DSP中。下面详细介绍各局部硬件电路：图3.8 步电动机直接转矩控制系统硬件组成图3系统整流电路整流电路实现的是将变压器输出的三相正弦交流电转变成供应逆变器的直流电。该电路由整流、稳压滤波两

58、局部组成，如图3.2所示。整流电路局部采用的是西门康三相全桥整流模块SKD210；其中C1、C2为稳压滤波电容，R1、R2为均压电阻。图3.9系统整流电路3驱动及逆变电路本论文中的控制系统采用典型的三相电压源型逆变电路，逆变电路的主开关器件为智能功率模块IPM。IPM集GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体，是目前变频系统和通用变频器中最广泛使用的主流功率器件。智能功率模块(IPM)是向第四代器件功率集成电路(PIC)的过渡产品，是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。它不但提供一定的功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。IPM具有以下特点：开关速

59、度快，驱动电流小，控制驱动更为简单；采用了隔离技术，散热更加均匀，体积更加紧凑；集成度高，它在片内集成了驱动电路、保护电路、甚至光耦，大大缩短开发时间；内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能对功率芯片给予足够的保护，故障率大大降低；保护功能丰富，如电流保护、电压保护、温度保护等一应俱全，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减小了体积、减轻了重量，又提高了可靠性；由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电压，门极振荡，噪声引起的干扰等问题能有效得到控制：很高的性价比，IPM的售价已经逐渐接近IGBT，而采用IPM后的开关电源容量、驱动功率容

60、量的减小和器件的节省以及综合性能的提高等因素使得IPM构成的变频器性价比已经高于IGBT构成的变频器，有很好的经济性。本系统中采用的异步电动机额定功率为1.1kW，额定电流为，额定电压380V，因此采用三菱公司生产的PMl5RSHl20型IPM。其内部有七只IGBT，六只用于-*El桥臂，另一只用于直流制动。上三路桥臂相互隔离，使用各自独立的15V电源供电。下三路桥臂共同使用同一15V电源，共地。在IPM内部集成有各路IGBT的驱动电路及异常情况检测电路，如过流、过压、欠压、过热等，当检测信号之一不正常时，其FO端将输出的电流信号送至光耦，产生故障低电平信号，送至DSP的PDPINT端，DSP