基于DSP无速度传感器直接转矩控制系统的研究

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摘要：直接转矩控制是一种新型的高性能的交流调速控制技术。本文介绍了异步电动机直接转矩控制的基本原理，给出了控制系统的设计方案和硬软件的实现方法。
关键词：直接转矩控制；数字信号处理器；异步电动机
1引言
直接转矩控制是一种新型的高性能调速传动控制技术，20世纪80年代由德国M.Depenbrock和日本I.Takahashi等人提出。它摒弃了矢量控制中解耦的控制思想，采用定子磁链定向和瞬时空间矢量理论，通过检测定子电压和电流，在定子坐标系下观测电机的磁链、转矩，并将观测值与给定的磁链、转矩比较，差值经滞环控制器调节得到相应的控制信号。综合磁链和转矩信号来选择相应电压空间矢量，同时实现链控制和转矩的直接控制。
    本文根据居异步电动机直接转矩控制原理，设计出了基于TMS320F2407ADSP的高性能直接转矩控制系统。实验结果表明，采用TMS320F2407ADSP的控制系统，具有硬件电路简单、性能优良的特点。
2异步电机无速度传感器直接转矩控制系统
目前，无速度传感器异步电机高性能控制已经成为近年来交流传动研究的热点问题之一。直接转矩控制系统速度估算主要采用电机模型的直接计算法和模型参考自适应这两种速度估算方法。
2.1直接计算法
直接计算法的出发点是根据电机的基本电路和电磁关系式推导出转差和转速的速度估算表达式，其中转子角速度是通过计算同步角速度和转差角速度得到的。
2.2模型参考自适应法（MRAS）
模型参考自适应法，是由C.Scuuder首次将其引入异步电机转速辨识中。它的基本思想就是将不含未知参数的方程作为参考划型，而将含有待估计参数的方程作为可调模型，两个模型的输出量物理意义相同，通过两个模型输出量的误差构成合适的自适应律来实时调节可调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。
根据Popov超稳定性理论，取比例积分自适应律Kp+K/s可以推得角速度辨识公式为


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    辨识算法的框图如图1所示。这种方法在辨识角速度的同时，也可以提供转子磁链的信息。在本纱统中，将采用模型参考自适应法（MRAS）。
3系统的各部分组成
3.1磁通和转矩的估测
    定子磁通和电磁转矩是不可测量，由于测量这相继变量的困难，因此直接转矩控制系统中，用状态生构的方法观测电机的磁通和转矩。
    一个最简单的磁通观测器就是电机定子电压方程（也称电压模型）。通过一个积分得到电磁通的

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3.2定子磁链空间位置的判定


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为了判断定子磁链的当前具体空间位置，可将定子三相轴线顺时针旋转30。，变为a1,b1,c1轴线如图2所示，分别计

740)this.width=740" border=undefined>在此三轴上的投影为……那么有以下分式：


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3.3变器的数学模型
直接转矩控制系统中，通常采用电压型逆变器，其数学模型如图3所示。


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    逆变器的开关由自关断器件构成，每相的开关状态互锁，因而六个开关器件的工作状态并不完全独立，实际上只有三个独立变量。这样逆变器可用三个单刀双投开关Sa、Sb和Sc表示。当Sa=1时，表示逆变器的A相上桥臂开关闭合，下桥臂开关关断；当Sa=0时，A相状态刚好相反。a、b、c分别代表3个桥臂的开关状态。这样根据a、b、和c为0或为1，可以组合成8种（2^3=8）开关模式。其中000和111开关模式使逆变器输出电压为零，所以称这两种开关模式为零状态。
    可以推导出，三相逆变器输出的相电压矢量[UA UB UC]T与开关状态矢量[a b c]T的关系如公式（6）所示，式中UDC是直流电源电压，或称总线电压。


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3.4采样电路
3.4.1两相定子电流isa和isB的获取
    电机采用无中线三相对称星形连接，有ia+ib+ic=0，所以只需要检测两相定子电流信号ia和ib，就可得到定子三相电流的信号。而DSP的A/D转换芯片要求单极性的0"5V的电压信号，因此外部检测的模拟输入信号必须先进行正确A/D采样。电流检测采用霍尔电流传感器LEM，其优点是测量精度高、线性度好，可以做到无接触测量。
    将检测的定子三相电流变换为静止坐标系下的两相电流。变换的方法是根据坐标变换理论，由坐标变换原理可以得致电由三相到两相的变换公式如公式（7）所示。
    系统中，对逆变器侧的A，V两相电流进行检测，经过A/D采样转换后输出isa和isb，再经过（三相到两相的变换公式即可得到定子在静止a,B坐标下的电流isa和isB。
3.4.2电压采样电路
    根据逆变器的数学模型知道，只需要得到直流电压值和当前的开关状态就可计算出相应的电压矢量。再通过三相到两相的变换公式，即可得到定子在静止aB坐标系下的电压Usa和UsB。转换公式为：


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4基于DSP的控制系统的设计
直接转矩控制系统的硬件结构如图4所示


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    2407A DSP控制器将一个高性能的DSP核、大容量的片上存储器和专用的运动控制外设电路，事件管理器（EVA、EVB），PWM产生电路，可编程死区，SVPWM产生电路，捕获单元等。以及其他功能的外设电路，16通道模拟数字转换单元，串行通信接口，CAN控制器模块等，集成在单芯片上，保持了传统微处理器可编程、集成度高、灵活性/适应性好、升级方便等优点；同时，其内部的DSP核可提供更高的运算速度、运算精度和处理大量数据运算的能力。
    程序流程如图，主程序流程图如图5所示，中断程序流程图如图6所示。


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5系统的仿真
    在MATLAB下对系统进行仿真可得到如图7的波形，对转速以及磁通的估计什和实际值基本一致，系统响应迅速，符合控制精度的要求。
    转子类型为笼型，参考坐标系选取静止坐标系，aB变换，电机额定容量149.2KVA，额定电压460V，额定频率50HZ，定子绕组电阻0.01485……，漏感0.3027mH，转子绕阻电阻0.009295……，漏感0.3027mH，定子绕组互感10.46mH，转动惯量3.1Kg.m2，摩擦系数0.08，极对数2。输入机械转矩0.4秒时800输入速度0秒时500之后不变。仿真的波形如图7所示，分别为，定子电流，转子速度，电磁转矩。


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6结论
    异步电机直接转矩控制是一种现代的高性能交流调速方法，它结构简单，思路清晰，通过高速数字信号处理器（DSP）可以实现全数字化控制。基于TMS320F2407A的高性能直接转矩控制系统，充分利用了DSP的高速运算能力和丰富的片内外设结构，使电机控制的外围电路简单，结构紧凑，可靠性高。系统的反应迅速，具有很高的动态性能，适用于负载变动大、起动性能要求高的声场合，满足工业和农业上的要求。实验结果表明：该交流调速系统硬件电路简单、控制精度较高，具有良好的性能。
参考文献


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