DSP基于模型的異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制

逄海萍,張真真

(青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院,山東 青島　266042)

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DSP基于模型的異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制

逄海萍,張真真

(青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院,山東 青島266042)

摘要針對(duì)傳統(tǒng)DSP代碼編程繁瑣、程序修改復(fù)雜、效率低等缺點(diǎn),研究一種基于模型的編程方法。該方法結(jié)合Simulink中的Embedded Target for TI C2000 DSP模塊對(duì)算法進(jìn)行搭建,然后利用Real-Time Workshop完成代碼自動(dòng)生成并下載到DSP中,具有編程簡(jiǎn)單、容易對(duì)算法進(jìn)行修改、效率高等優(yōu)點(diǎn)。以TMS320F2812DSP作為控制器,將這種方法應(yīng)用于異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制DTC系統(tǒng)的設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)中電機(jī)能夠平穩(wěn)運(yùn)行并擁有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能,結(jié)果表明這種方法具有可行性和高效性的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞DTC;TMS320F2812 DSP;模塊化編程;異步電機(jī)

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,智能化、數(shù)字化、集成化已成為發(fā)展的趨勢(shì),數(shù)字信號(hào)處理器(DSP,digital signal processor)因其有運(yùn)算速度快、控制能力強(qiáng)的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)的DSP設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)將控制算法與軟件編程分開(kāi)、代碼編寫(xiě)復(fù)雜,開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力非常小[2],利用基于模型設(shè)計(jì)技術(shù)可以解決這些問(wèn)題。該技術(shù)誕生于20世紀(jì)90年代中期,經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展與逐步完善已被廣泛接受[3]。它借助Matlab/Simulink中的模塊對(duì)算法進(jìn)行搭建,然后由計(jì)算機(jī)來(lái)完成嵌入式實(shí)時(shí)C代碼的編程工作[4],這樣就能夠使設(shè)計(jì)者將更多的精力投入到算法的研究上。近年來(lái),這項(xiàng)新技術(shù)在國(guó)外已應(yīng)用到一些大型創(chuàng)新項(xiàng)目上,在國(guó)內(nèi)也逐漸得到發(fā)展。在電力電子、運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域,已有一些基于模型化設(shè)計(jì)的方法用在了設(shè)計(jì)DSP控制器上[5],還有一些應(yīng)用在SVPWM和SPWM控制算法模型[6-9],永磁同步電機(jī)的DSP控制系統(tǒng)上[10]。

直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC,direct torque control)是一種新型的交流變頻調(diào)速技術(shù),控制異步電機(jī)時(shí)擁有優(yōu)越的動(dòng)靜態(tài)性能。但目前將DTC模塊化算法應(yīng)用在異步電機(jī)控制上的案例還很少[11],我們以TMS320F2812 DSP為控制芯片,借助Matlab/ Simulink中的Target Support Package for Texas Instruments C2000中模塊搭建DTC算法,通過(guò)Real-Time Workshop自動(dòng)生成代碼下載到DSP中,完成對(duì)異步電機(jī)的控制。最后由實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證這種方法的正確性與可行性。

1異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來(lái)的另一種高動(dòng)態(tài)性能的交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型,只需知道定子側(cè)電阻,通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算就能控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩,不需要將交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化成等效直流電動(dòng)機(jī),因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜的計(jì)算。選擇定子磁鏈作為被控量,計(jì)算磁鏈的模型可以不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響,提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是電壓型控制系統(tǒng),控制沒(méi)有電流環(huán),控制手段均為空間電壓矢量,在它的轉(zhuǎn)速環(huán)里,利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,其控制原理如圖1所示。

圖1　異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制Fig.1　Block diagram of direct torque control of asynchronous motor

檢測(cè)電機(jī)的電壓電流,經(jīng)過(guò)3/2變換,然后對(duì)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行估算,與設(shè)定值進(jìn)行比較,根據(jù)定子磁鏈幅值偏差Δψs的正負(fù)符號(hào)和電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe的正負(fù)符號(hào)并經(jīng)過(guò)磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較,再依據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶喀譻所在的位置進(jìn)行扇區(qū)判斷,直接選取合適的電壓空間矢量,減小定子磁鏈幅值的偏差和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差,實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制。

用DSP作為控制器實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制,若用C語(yǔ)言編程,則工作量非常大,而采用基于模塊化的編程方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制,就會(huì)變得簡(jiǎn)單實(shí)用,而且可以大大提高開(kāi)發(fā)效率。

2DSP模型化算法設(shè)計(jì)過(guò)程

TMS320F2812是TI公司一款功能非常強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP,它有強(qiáng)大控制功能和豐富的端口資源,主頻為150 MHz,廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等各種領(lǐng)域[12]。建立基于DSP模型化的算法,首先在Matlab/Simulink圖形平臺(tái)上搭建DTC控制算法的系統(tǒng)模型,經(jīng)過(guò)RTW自動(dòng)生成代碼,然后通過(guò)CCS IDE編譯、鏈接生成目標(biāo)代碼下載到目標(biāo)DSP板中,完成對(duì)異步電機(jī)的控制,其模型化項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程如圖2所示。

3基于模型設(shè)計(jì)的直接轉(zhuǎn)矩控制

3.1主程序模塊

在該設(shè)計(jì)中利用Hardware interrupt模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)主程序調(diào)用子程序算法調(diào)度。其使用方法如圖3所示。圖3中ADC trigger為搭建的子程序算法。在異步電機(jī)的DTC控制系統(tǒng)中,僅需一個(gè)ADC觸發(fā)中斷,所以Hardware Interrupt模塊中僅需設(shè)置一個(gè)中斷。

圖2　模型化項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程Fig.2　Process of modeled project design

圖3　主程序框圖Fig.3　Block diagram of main program

使用Real-Time Workshop前要在主界面加入Target Preferences模塊用來(lái)設(shè)置模型IDE、板型和處理器型號(hào)等。將板型選擇為SD F2812 eZDSP,CPU的時(shí)鐘頻率選擇為150 MHz,然后根據(jù)實(shí)際需要來(lái)對(duì)DSP的工作參數(shù)、存儲(chǔ)器、段及外設(shè)硬件資源進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

3.2直接轉(zhuǎn)矩控制模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中ADC trigger模塊是中斷子程序,里面包含的是異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩的控制模塊,如圖4所示,其中包括磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊、Clarke變換模塊、脈沖產(chǎn)生模塊、PWM模塊。

圖4　模塊化的DTC算法Fig.4　Modularized DTC algorithm

利用DSP的ADC模塊采集電壓、電流,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算[13],得到實(shí)際的磁鏈與轉(zhuǎn)矩,實(shí)際的定子磁鏈與設(shè)定的磁鏈比較后經(jīng)過(guò)定子磁鏈調(diào)節(jié)器得到定子磁鏈幅值偏差的符號(hào)函數(shù)SF和扇區(qū)的選擇,實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的偏差經(jīng)過(guò)速度調(diào)節(jié)器得到期望的電磁轉(zhuǎn)矩Te*,然后與經(jīng)過(guò)Clarke變換得到的實(shí)際的電磁轉(zhuǎn)矩Te相減,經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器得到電磁轉(zhuǎn)矩偏差的符號(hào)函數(shù)ST,SF、SS、ST和Te*經(jīng)過(guò)脈沖產(chǎn)生模塊結(jié)合DSP的PWM模塊共同產(chǎn)生PWM波來(lái)控制電機(jī)。其中,速度調(diào)節(jié)器為PID算法調(diào)節(jié),定子磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器都是帶有滯環(huán)的雙位式控制器。

(1)磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)需采用兩相靜止坐標(biāo)(αβ坐標(biāo))計(jì)算定子磁鏈[14],定子磁鏈在α、β軸上的分量計(jì)算方法為

(1)

其中:ψsα、ψsβ為定子磁鏈在(α、β)的分量;usα、usβ為定子電壓在(α、β)的分量;isα、isβ為定子電流在(α、β)的分量;Rs為定子側(cè)電阻。由式(1)可知定子磁鏈的計(jì)算只與定子側(cè)電壓、電流及其電阻有關(guān) 。

在靜止兩相坐標(biāo)系中電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

(2)

其中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩;Pn為極對(duì)數(shù)。

磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型在Matlab中的編程框圖如圖5所示。

圖5　磁鏈和轉(zhuǎn)矩的模型Fig.5　Models of flux linkage and torque

(2)Clarke模塊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)需要靜止坐標(biāo)變換,所以需要將DSP F2812 ADC模塊引腳上的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換得到模擬量的電壓電流,然后經(jīng)過(guò)Clarke變換為αβ坐標(biāo)下的值,用于后面定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算,數(shù)據(jù)的采集以及轉(zhuǎn)換如圖6所示。

C281x ADC的配置如下:模塊選擇為A,轉(zhuǎn)換方式為Sequential,轉(zhuǎn)換開(kāi)始為EVA,采樣時(shí)間為-1,數(shù)據(jù)類(lèi)型為int16,勾選轉(zhuǎn)換后傳遞中斷,轉(zhuǎn)換通道為三個(gè),選擇多通道輸出。

(3)脈沖產(chǎn)生模塊利用DSP2812的EVA事件管理器單元來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM波形輸出,由SF、ST、SS和Te*聯(lián)合產(chǎn)生三個(gè)數(shù)放入三個(gè)不同的比較寄存器(PWM1、PWM3、PWM5比較寄存器)中,如圖7所示。然后與設(shè)置好的T1PR(定時(shí)周期寄存器)中的值進(jìn)行比較來(lái)產(chǎn)生PWM波。

圖6　電壓電流的Clarke變換Fig.6　Clarke transformation of voltage and current

圖7　脈沖產(chǎn)生模塊Fig.7　Pulse generation module

C281x PWM模塊是Matlab C28x DSP Chip Support Library中的模型,用來(lái)產(chǎn)生PWM波形,具體配置如下:波形周期源選擇specify via dialog,這樣可以人為設(shè)定周期值;波形類(lèi)型選擇symmetric (up-down),這樣可以輸出對(duì)稱(chēng)的PWM;時(shí)鐘頻率選取為75 MHz,Timer prescaler選為1/128;使其能輸出PWM1~PWM6,其中PWM1、PWM3、PWM5為低有效,PWM2、PWM4、PWM6為高有效;設(shè)計(jì)PWM1/PWM2、PWM3/PWM4、PWM5/PWM6的死區(qū)時(shí)間,配置死區(qū)定時(shí)器預(yù)定標(biāo)因子和死區(qū)定時(shí)器周期,這樣能夠避免上下兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通。

3.3速度檢測(cè)模塊

利用正交編碼脈沖模塊QEP來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速,進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù),速度檢測(cè)模塊如圖8所示。

將變換后的速度通過(guò)To Memory將采集的電機(jī)轉(zhuǎn)速寫(xiě)進(jìn)地址為8000的寄存器中,通過(guò)圖4中的From Memory讀取實(shí)際的速度來(lái)達(dá)到速度的閉環(huán)控制。其中,QEP的配置為:模式選擇為A,計(jì)數(shù)模式為Counter,初始計(jì)數(shù)為0,定時(shí)器周期為65 535,采樣時(shí)間為0.01 s,數(shù)據(jù)類(lèi)型為int16。

圖8　速度檢測(cè)模塊Fig.8　Speed detection module

3.4自動(dòng)代碼生成

當(dāng)完成算法模塊的設(shè)計(jì)后,為聯(lián)系CCS 開(kāi)發(fā)環(huán)境,自動(dòng)生成可靠的代碼,在模型窗口對(duì) Configuration Parameters進(jìn)行配置,設(shè)置Solver的類(lèi)型為 Fix-step和Discrete ,將 Real-Time Workshop中的System target file 改為 ccslink_ert.tlc,設(shè)置Embedded IDE Link 中的Build action為Build-and-execute ,點(diǎn)擊模型窗口Build Model,就可以在 CCS 環(huán)境中自動(dòng)完成代碼生成、編譯、連接并下載到目標(biāo)開(kāi)發(fā)板。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將設(shè)計(jì)好的模型算法下載到DSP中,用來(lái)控制異步電機(jī),其主要參數(shù)為:額定功率PN=100 W,額定電壓UN=220 V,額定電流IN=0.48 A,額定轉(zhuǎn)速nN=1 420 r/min,定子電阻Rs=50 Ω,給電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速,然后對(duì)電機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)和抗負(fù)載擾動(dòng)進(jìn)行觀察。圖9為電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)波形,圖10為電機(jī)的抗干擾性能的波形圖,圖11為定子的磁通軌跡。圖9和圖10中的虛線為給定轉(zhuǎn)速波形,實(shí)線為電機(jī)實(shí)際運(yùn)行波形。

由圖9可見(jiàn),電機(jī)擁有良好的起動(dòng)制動(dòng)性能,在起動(dòng)階段電機(jī)快速升到給定轉(zhuǎn)速,在制動(dòng)階段電機(jī)緩慢減速至零。由圖10可見(jiàn)當(dāng)突加或突減負(fù)載時(shí),轉(zhuǎn)速的波動(dòng)性很小,表明系統(tǒng)的抗干擾能力很強(qiáng),魯棒性很好。由圖11中的定子磁通軌跡可見(jiàn),磁通軌跡近似為圓形,且在容差范圍內(nèi)波動(dòng),表明實(shí)際定子磁通的幅值近似等于給定磁通的幅值,且在給定的允許誤差范圍內(nèi)。由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,電機(jī)在這種控制方法下運(yùn)行狀況良好,從而也證明了基于模型編程這種方法的可行性和正確性。

圖9　電機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng)Fig.9　Startup and brake of motor

圖10　電機(jī)的抗干擾性能Fig.10　Anti-disturbance performance of motor

圖11　定子磁通軌跡Fig.11　Magnetic flux trail of stator

5結(jié)論

在異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中采用模型化設(shè)計(jì)算法,通過(guò)在Matlab/ Simulink中搭建算法模塊,然后通過(guò)RTW將其自動(dòng)轉(zhuǎn)換為代碼下載到DSP中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種方法在控制電機(jī)時(shí)有非常好的效果。設(shè)計(jì)過(guò)程表明該方法簡(jiǎn)單、高效,避免了C語(yǔ)言編程的復(fù)雜性和對(duì)寄存器配置的難題,這樣能夠讓設(shè)計(jì)者有更多的時(shí)間專(zhuān)心研究和優(yōu)化算法,同時(shí)也能降低開(kāi)發(fā)成本,縮短開(kāi)發(fā)周期。對(duì)以后復(fù)雜算法的驗(yàn)證提供了良好的平臺(tái),在電力電子和運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

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Direct Torque Control of Asynchronous Motor of DSP Based on Model

Pang Haiping,Zhang Zhenzhen

(CollegeofAutomationandElectronicEngineering,QingdaoUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266042,China)

AbstractOne programming method based on model was researched in allusion to that traditional DSP had defects,such as complicated programming of code,complicated modification of program,low efficiency,etc.,generated codes automatically by using Real-Time Workshop and downloaded them to the DSP after building up the algorithm by combining Embedded Target for TI C2000 DSP module in Simulink,with advantages,such as simple programming,easy modification to algorithm,high efficiency,etc.The motor in the experiment could run stably and had excellent starting and braking performances when the method was applied to the design of direct torque control DTC system of the asynchronous motor by taking TMS320F2812DSP as the controller,and during the application,the feasibility and high efficiency of the method were verified.

Key wordsDTC;TMS320F2812 DSP;Modularization programming;Asynchronous motor

中圖分類(lèi)號(hào):TP311.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1004-0366(2016)01-0045-06

作者簡(jiǎn)介:逄海萍(1964-),女,山東青島人,博士,教授,研究方向?yàn)樗欧姍C(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制、現(xiàn)代交流調(diào)速.E-mail:panghp123@163.com.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(60940018,61104004);山東省自然科學(xué)基金(ZR2011FQ006).

收稿日期:2015-03-19;修回日期:2015-05-23.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.011.

引用格式:Pang Haiping,Zhang Zhenzhen.Direct Torque Control of Asynchronous Motor of DSP Based on Model[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):45-50.[逄海萍,張真真.DSP基于模型的異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(1):45-50.]