基于DSP+IPM的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

苗儉威，王英

(大連交通大學(xué)，電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116023)

0 引言

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)憑借著其控制既直接又簡(jiǎn)單的特性，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)是繼矢量控制之后發(fā)展起來(lái)的一種高性能交流調(diào)速方法，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)［1］。

TMS320F2812是TI公司推出的32位定點(diǎn)DSP芯片，該芯片采用高性能的CMOS技術(shù)，具有150 MHz的高速計(jì)算速度和面向電機(jī)控制的專用外圍設(shè)備，模數(shù)轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)，成本低，可靠性高，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制［2］。

本文在分析異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的原理基礎(chǔ)上，選用DSPTMS320F2812作為主控芯片設(shè)計(jì)了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)，并介紹了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主電路及各部分電路。仿真結(jié)果表明，該調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間短，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，獲得轉(zhuǎn)矩的高品質(zhì)動(dòng)態(tài)性能。

1 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理

直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理簡(jiǎn)單概括來(lái)說(shuō)就是根據(jù)外部輸入的電磁轉(zhuǎn)矩與實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩觀測(cè)值做一個(gè)滯環(huán)比較，然后得到轉(zhuǎn)矩誤差，從而確定轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方向，根據(jù)定子磁鏈的大小和相位確定合適的定子電壓空間矢量，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)(Bang-Bang控制)產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，使交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩快速跟蹤外部給定的電磁轉(zhuǎn)矩指令值。其控制原理框圖如圖1所示［3］。

圖1 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制框圖

1.1 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)

轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)顧名思義就是實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控，通過(guò)Bang-Bang控制把轉(zhuǎn)矩觀測(cè)值與實(shí)際的轉(zhuǎn)矩給定值做一個(gè)滯環(huán)比較，使轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)限制在一定容差范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩容差大小由滯環(huán)調(diào)節(jié)器的滯環(huán)寬度來(lái)控制。表1給出了轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律［4］。

表1 轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律

1.2 開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇

根據(jù)選擇不同的電壓矢量從而來(lái)控制不同的逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，本文最終得到的開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇表2。

表2 開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇表

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文調(diào)速系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速指令、電機(jī)轉(zhuǎn)速、定子兩相電流和直流母線電壓，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換 口 進(jìn) 入 DSPTMS320F2812控制芯片。

圖2 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成［5-6］

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，包括主電路和控制電路兩個(gè)部分。主電路為交流-直流-交流電源供電回路，三相電壓源逆變器采用三菱公司的智能功率模塊(IPM)PS21265。

(1)隔離驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)選用Avago公司生產(chǎn)的高速驅(qū)動(dòng)光耦合芯片HCPL4504，該驅(qū)動(dòng)芯片包含 GaAsP LED，并通過(guò)光學(xué)耦合到高增益光檢測(cè)器。為了系統(tǒng)的可靠性，在電路中加入了光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路。采用反相器和HCPL4504構(gòu)成光耦驅(qū)動(dòng)電路。

(2)檢測(cè)電路

電流檢測(cè)電路是本文重要組成，本系統(tǒng)選用ACS706系列電流傳感器，它基于霍爾效應(yīng)的原理，為雙向線性電流傳感器。定子電流由傳感器芯片檢測(cè)，輸入到TMS320F2812的 A/D轉(zhuǎn)換器，檢測(cè)到其中兩相的電流，從而能夠獲得電動(dòng)機(jī)定子三相電流的信息。

本文采用M法測(cè)速原理，選用歐姆龍(OMRON)公司生產(chǎn)的型號(hào)為E6BZ一CWZ6C的光電編碼器，供電電壓為5 V～24 V，有A、B、Z三路輸出，A、B測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，相位差為90度?？刂葡到y(tǒng)中利用事件管理器的正交脈沖編碼單元，對(duì)信號(hào)進(jìn)行四倍頻，并利用通用定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)從而獲得轉(zhuǎn)速信息。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

圖3給出了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制算法軟件流程圖。其中包括數(shù)據(jù)采樣、定子磁鏈計(jì)算、電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算、電壓空間矢量選擇和PWM脈沖形成等環(huán)節(jié)［7］。

由以上分析構(gòu)建DSP控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用型號(hào)DQ10的三相鼠籠式異步電機(jī)，接線方式Y(jié)/A，上位機(jī)采用裝有CCS3.1軟件的計(jì)算機(jī)，通過(guò)仿真器XDS520與DSP控制面板相連接，通過(guò)RS232總線進(jìn)行通信。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

采用MATLAB/Simulink對(duì)三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真中采用的三相鼠籠式異步電機(jī)，其主要參數(shù)為:額定電壓UN=380 V，額定功率PN=4 kW，額定頻率為fN=50 Hz，定子電阻為 RS=1.405 Ω ，定子電感 LS=0.005 84 H，轉(zhuǎn)子電阻 Rr=1.395 Ω，轉(zhuǎn)子電感 Lr=0.005 84 H，互感 Lm=0.172 2 H，極對(duì)數(shù) np=2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=0.013 1 kg·m2，磁鏈給定值 0.7 Wb，仿真算法采用ode23tb，仿真時(shí)間4 s。

由上述仿真模型參數(shù)進(jìn)行仿真運(yùn)算，得到相關(guān)仿真波形，圖4為定子磁鏈軌跡觀測(cè)結(jié)果，可以看到，磁鏈的幅值變化波動(dòng)較小，且逼近圓形磁鏈的效果好，能夠快速達(dá)到磁鏈給定值。

給定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 120 rad/s，電機(jī)空載1 s時(shí)加載負(fù)載轉(zhuǎn)矩為40 N·m，在 3 s時(shí)給定為20 N·m，觀察得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、定子側(cè)相電壓和電流波形如圖5所示。

圖3 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制算法軟件流程框圖

(a)和(b)分別為轉(zhuǎn)速波形和轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)波形，可以看到轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載變化而相應(yīng)變化，能夠快速達(dá)到額定值且誤差值在負(fù)載變化期間很小，基本接近為0。

其中(c)和(d)分別為給定電磁轉(zhuǎn)矩和調(diào)節(jié)后電磁轉(zhuǎn)矩波形，可以看出，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)顯著減小，幅值波動(dòng)較小，獲得了轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。

圖4 圓形定子磁鏈逼近結(jié)果

圖5 負(fù)載變化仿真波形

系統(tǒng)給定磁鏈值為0.7 Wb，測(cè)量單元輸出定子磁鏈波形如圖(e)，直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)節(jié)后的定子磁鏈波形如圖(f)，可以看出磁鏈值均能夠快速達(dá)到給定值，圖(e)中磁鏈幅值明顯波動(dòng)較大，而調(diào)節(jié)后的磁鏈值幅值基本無(wú)波動(dòng)。

由圖4可見(jiàn)，磁鏈很好的逼近了圓形磁鏈軌跡，幅值只在容差范圍以內(nèi)波動(dòng)變化。由圖5可見(jiàn)，啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速快速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速;電流值也隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)增大和減小。電磁轉(zhuǎn)矩在容差范圍以內(nèi)波動(dòng)變化，直接轉(zhuǎn)矩控制效果明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理基礎(chǔ)上，選用DSPTMS320F2812作為主控芯片設(shè)計(jì)了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，該調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間短，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，能夠獲得轉(zhuǎn)矩的高品質(zhì)動(dòng)態(tài)性能。

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