異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究(本科畢業(yè)設(shè)計(jì))

1、目錄 摘要 .i abstract.ii 第 1 章 緒論 .1 1.1 電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況.1 1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀.2 1.2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .2 1.2.2 目前的熱點(diǎn)研究問題及解決方法 .2 1.3 本文所做的工作.3 第 2 章 直接轉(zhuǎn)矩控制理論 .4 2.1 概述.4 2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理.4 2.2.1 異步電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 .4 2.3 逆變器的輸出電壓狀態(tài)及電壓空間矢量.6 2.3.1 逆變器輸出電壓狀態(tài) .6 2.3.2 電壓空間矢量 .7 2.4 電壓空間矢量對電動(dòng)機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響.8 2.4.1 異步電機(jī)的磁鏈觀測模

2、型 .8 2.4.2 電壓空間矢量對定子磁鏈影響 .9 2.4.3 電壓空間矢量對轉(zhuǎn)矩的影響 .10 2.5 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本組成.11 2.5.1 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器 .12 2.5.2 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器 .12 2.5.3 開關(guān)信號選擇單元 .13 2.6 低速范圍內(nèi)的解決方案.13 第 3 章 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的建模與仿真 .16 3.1 仿真軟件 matlab 簡介 .16 3.1.1matlab 語言.16 3.1.2 軟件構(gòu)成 .16 3.2 仿真模型搭建及參數(shù)設(shè)置.18 3.3 仿真結(jié)果及分析.20 第 4 章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) .21 4.1 控制電路結(jié)構(gòu)簡介 .21

3、 4.2dsp(tms320lf2407a) .21 4.3 3.3v dsp 與 5v 邏輯器件的混合接口問題.23 4.3.1 邏輯電平不同，接口時(shí)出現(xiàn)的問題.23 4.3.2 系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)方法.24 4.4 轉(zhuǎn)子速度的測量 .26 4.5 a/d 采樣電路.26 4.6 主電路結(jié)構(gòu)框圖.27 4.7 ipm 智能模塊 7mbp50ra120 功能簡述 .28 4.8 主電路的保護(hù)功能 .29 4.9 主電路的控制電源.30 第 5 章系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)開發(fā) .31 5.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì).31 5.2 軟件模塊.34 5.2.1 初始化模塊 .34 5.2.2 串口通訊模塊 .35 5

4、.2.3 電流采樣模塊 .35 5.2.4 電機(jī)轉(zhuǎn)速采樣模塊 .36 5.2.5 pl 調(diào)節(jié)模塊 .37 參考文獻(xiàn) .38 致謝 .40 i 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 摘要：本文介紹了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理和系統(tǒng)的基本構(gòu)成，在此基礎(chǔ)上， 通過matlabsimulink建立了各個(gè)模塊的仿真模型，構(gòu)建了直接轉(zhuǎn)矩控制仿真系統(tǒng)， 對直接轉(zhuǎn)矩控制方法的特點(diǎn)及其存在的問題進(jìn)行了仿真分析研究，驗(yàn)證了直接轉(zhuǎn)矩控 制系統(tǒng)的可行性。但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，針對這一缺點(diǎn)，本文利用雙pi控制方法進(jìn)行了改 進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種非零電壓空間矢量和零電壓空間矢量控制器，改進(jìn)了速度調(diào)節(jié)器以及 開關(guān)狀態(tài)表，結(jié)果表明，所提方案能

5、極大的減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)算法 簡單，易于實(shí)現(xiàn)。 最后在方案論證的基礎(chǔ)上，選擇了電機(jī)控制專用芯片tms320lf2407a為控制核心， 設(shè)計(jì)了一個(gè)控制系統(tǒng)。在dsp集成開發(fā)環(huán)境下給出了系統(tǒng)軟件。 關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制；異步電機(jī)；matlabsimulink：dsp ii induction motor direct torque control system abstract：the basic principle and structure of dtc have been introduced，on this ground，using matlabsimulink build

6、the simulation models which form the whole dtc simulation systemthen，dtc method prove to be of feasibility according to study and analyze the characteristic of the simulation systemit is well established that conventional direct torque control(dtc)suffers from high torquea new controller of nonzero

7、voltage space vector and zero voltage space vector using double-pi is proposedit improves the speed adjustor and inverter switching tablesimulation results show that the proposed controller managed to reduce the torque ripple and minish the response time of speedthe algorithm is simple and easy to i

8、mplement on the basis of the theory analysis of dtc system，a least control system based on tms320lf2407a is proposed，including software designing and hardware designingsystem software was compiled under ccsfinallg the thesis sums up the whole work ofstudy and predict the direction offorward study as

9、 well keywords：direct torque control；induction motor；matlabsimulink；dsp 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 1 第 1 章 緒論 1.1 電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況 自十九世紀(jì)后半期，電機(jī)發(fā)明以來已經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)，電力拖動(dòng)已滲透了人類 活動(dòng)每一領(lǐng)域，從人們?nèi)粘Ｉ畹霓k公樓到冶金、化工、輕工等各行各業(yè)。上世紀(jì)九 十年代以前，由于直流調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)優(yōu)于交流調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)，因此直流調(diào) 速拖動(dòng)系統(tǒng)一直在調(diào)速領(lǐng)域占居優(yōu)勢。 隨著電力電子技術(shù)不斷發(fā)展，各類大功率半導(dǎo)體器件如gto、mosfet、igbt等的不 斷出現(xiàn)，使交流傳動(dòng)調(diào)速在近

10、十年來得到飛快進(jìn)步，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。 這時(shí)，直流電機(jī)和交流電機(jī)相比的缺點(diǎn)日益顯露出來，例如具有電刷和換相器因而必 須經(jīng)常檢查維修，換向火花使它的應(yīng)用環(huán)境受到限制，換向能力限制了直流電機(jī)的容 量和速度等等。于是，用交流可調(diào)傳動(dòng)取代直流可調(diào)傳動(dòng)的趨勢越來越明顯，交流傳 動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為電氣傳動(dòng)控制的主要發(fā)展方向。 1971年，德國學(xué)者eblaschke提出了交流電機(jī)的磁場定向矢量控制理論，標(biāo)志著交 流調(diào)速理論的重大突破。所謂矢量控制，就是把交流電機(jī)模擬成直流電機(jī)，通過坐標(biāo) 變換來實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子電流的激磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，然后分別獨(dú)立調(diào)節(jié)，從而獲 得高性能的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性。矢量控

11、制主要有兩種方式：磁場定向矢量控制和轉(zhuǎn) 差頻率矢量控制。但無論采用何種方式，轉(zhuǎn)子磁通的準(zhǔn)確檢測是實(shí)現(xiàn)矢量控制的關(guān)鍵， 直接關(guān)系到矢量控制系統(tǒng)性能的好壞。一般的，轉(zhuǎn)子磁通檢測可以采用直接法或間接 法來實(shí)現(xiàn)。直接法就是通過在電機(jī)內(nèi)部埋設(shè)感應(yīng)線圈以檢測電機(jī)磁通，這種方式會(huì)使 簡單的交流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，降低了系統(tǒng)的可靠性，磁通的檢測精度也不能得到長期 的保證。因此，間接法是應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)磁通檢測的常用方法。這種方法通過檢測電機(jī)的 定子電壓、電流、轉(zhuǎn)速等可以直接檢測的量，采用狀態(tài)重構(gòu)的方法來觀測電機(jī)的磁通。 這種方法便于實(shí)現(xiàn)，也能在一定程度上確保檢測精度，但由于在狀態(tài)重構(gòu)過程中使用 了電機(jī)的參數(shù)，如果環(huán)境變

12、化引起電機(jī)參數(shù)變換就會(huì)影響到磁通的準(zhǔn)確觀測。為補(bǔ)償 參數(shù)變化的影響，人們又引入了各種參數(shù)在線辨識和補(bǔ)償算法，但補(bǔ)償算法的引入也 會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜化。 1985年，德國魯爾大學(xué)的mdepenbrock教授提出了一種新型交流調(diào)速理論-直 接轉(zhuǎn)矩控制。這種方法是在定子坐標(biāo)系對電機(jī)進(jìn)行控制的，結(jié)構(gòu)簡單，在很大程度上 克服了矢量控制中由于坐標(biāo)變換引起的計(jì)算量大，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)性能受電機(jī)參 數(shù)影響較大等缺點(diǎn)，系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)都十分優(yōu)越，是一種很有發(fā)展前途的交流 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 2 調(diào)速方式。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制理論一問世便受到廣泛關(guān)注。目前國內(nèi)外圍繞直接轉(zhuǎn) 矩控制的研究十分活躍。 1.2

13、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 目前，在國外以德國和日本為主，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的理論已經(jīng)比較成熟，美國、 意大利、韓國和法國緊隨其后，使得直接轉(zhuǎn)矩控制的應(yīng)用發(fā)展逐步擴(kuò)大。目前直接轉(zhuǎn) 矩控制技術(shù)己成功應(yīng)用于電力機(jī)車牽引系統(tǒng)、垂直升降系統(tǒng)等大功率調(diào)速應(yīng)用場合。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)從物理關(guān)系上構(gòu)成轉(zhuǎn)矩與磁鏈的近似解耦關(guān)系，可以獲得良好 的動(dòng)態(tài)性能，控制結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，很快就得到廣泛的推廣與應(yīng)用。而傳統(tǒng)的直 接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在低速運(yùn)行區(qū)段與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行區(qū)段還存在很多問題，需要進(jìn)一步研究。 僅從電機(jī)本身出發(fā)來完善直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已經(jīng)是不可能的事情，必須另辟蹊徑?，F(xiàn) 代的

14、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，需要各種先進(jìn)的控制技術(shù)作支撐，它已 經(jīng)不是單一的一項(xiàng)技術(shù)，而是發(fā)展成多種學(xué)科交叉的一項(xiàng)綜合技術(shù)。下面就直接轉(zhuǎn)矩 控制技術(shù)所需要進(jìn)一步研究的問題進(jìn)行了總結(jié)： (1)先進(jìn)控制策略在現(xiàn)代直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中的應(yīng)用，改善穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能問題對于 現(xiàn)代直接轉(zhuǎn)矩控制來說，空間矢量調(diào)制模塊需要控制器來生成給定的空間電壓矢量， 這樣可以充分發(fā)揮線性控制與各種非線性控制方法的各自優(yōu)點(diǎn)，如線性控制的平滑性、 變結(jié)構(gòu)控制的快速性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制的智能性與魯棒性，盡管在一定程度上增 加了控制結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，然而控制器可以大大改善控制性能。 (2)磁鏈與轉(zhuǎn)矩估計(jì)問題 對于直接轉(zhuǎn)矩控制來說

15、，磁鏈與轉(zhuǎn)矩估計(jì)精度直接影響控制性能的好壞，甚至?xí)?導(dǎo)致控制失敗。高速運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)有的估計(jì)方法可以得到滿意的精度，而低速時(shí)，尤其 接近零速時(shí)，很多估計(jì)方法往往會(huì)失效解決低速時(shí)的磁鏈與轉(zhuǎn)矩估計(jì)問題具有重要 意義。 (3)速度估計(jì)問題 近年來，無速度傳感器技術(shù)受到了電氣傳動(dòng)領(lǐng)域普遍的關(guān)注。針對已有的速度估 計(jì)方法精度差，超低速及零定子頻率運(yùn)行條件下電機(jī)轉(zhuǎn)速不可觀測性，開發(fā)高精度及 適用于超低速及零定子頻率條件下的速度估計(jì)方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 (4)空載或者欠載條件下如何優(yōu)化參考的定子磁鏈問題。 1.2.2 目前的熱點(diǎn)研究問題及解決方法 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 3 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制計(jì)算方

16、便，控制結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)態(tài)性能好。但在低速運(yùn)行時(shí)， 存在一些問題，這些問題成為目前dtc研究的熱點(diǎn)。主要體現(xiàn)在以下兩方面： (1)低速時(shí)，由于定子電阻的變化帶來的一系列問題。主要表現(xiàn)在定子電流和磁鏈 的畸變非常嚴(yán)重。 主要解決方法： (1.1)采用un模型。使用電流pi調(diào)節(jié)器，強(qiáng)迫電機(jī)模型電流和實(shí)際電機(jī)電流相等， 精度大大提高，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 (1.2)模糊定子電阻辨識器(fli)，以定子磁鏈大小和相角誤差作為輸入，通過推 論和解模，對定子電阻進(jìn)行辨識御。 (2)低速時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、死區(qū)效應(yīng)、開關(guān)頻率問題。 主要解決方法： (2.1)使用改進(jìn)的開關(guān)狀態(tài)表，改進(jìn)控制參數(shù)與開關(guān)量的關(guān)系，使之產(chǎn)生更優(yōu)的

17、控 制電壓波形。 (2.2)運(yùn)用fuzzy pi轉(zhuǎn)矩控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制方法，即引入模糊控制和智能控制， 用軟件來解決轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題。 (2.3)引入模糊控制方法，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行辨識，從而得到穩(wěn)定的開關(guān)頻率并降低轉(zhuǎn)矩 脈動(dòng)。 1.3 本文所做的工作 論文的工作要求是通過在理解直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的基本原理，利用 matlabsimulink搭建直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證理論的正 確性和可行性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)電機(jī)控制的小系統(tǒng)，其中包括硬件設(shè)計(jì)和軟件 設(shè)計(jì)。 本文的主要內(nèi)容如下： 第1章:在參考瀏覽大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，闡述了電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況，以 及直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展現(xiàn)狀，提

18、出異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制理論以及目前的熱點(diǎn)研究 問題。最后論述論文研究的內(nèi)容。 第2章:對直接轉(zhuǎn)矩控制理論進(jìn)行了簡單介紹，給出了論文中直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì)方案的理論依據(jù)。 第3章:利用matlab軟件的simulink模塊對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，針對直接 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)分別建立仿真模型，構(gòu)建直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。對仿真結(jié) 果進(jìn)行分析，對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行簡單評價(jià)。并在此基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)的dtc系統(tǒng)進(jìn)行 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 4 了改進(jìn)，有效的降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 第4章:控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。 第5章:進(jìn)行控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 5 第 2 章 直接轉(zhuǎn)矩

19、控制理論 2.1 概述 直接轉(zhuǎn)矩控制出現(xiàn)以前，矢量控制長期占據(jù)著異步電機(jī)控制的主導(dǎo)地位。矢量控 制技術(shù)模仿直流電機(jī)的控制，以轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換的方法，實(shí)現(xiàn)了對交流電 機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全解耦。然而，由于系統(tǒng)特性受電機(jī)參數(shù)的影響較大，以及 在模擬直流電機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際的控制效果難于達(dá) 到理論分析的結(jié)果。 直接轉(zhuǎn)矩控制理論是1985年由德國學(xué)者狄普布洛克(m.depenbrock)首次提出的， 隨后日本學(xué)者塔卡哈什(i.hakahash)也提出了類似的控制方案。 與矢量控制系統(tǒng)相比，直接轉(zhuǎn)矩控制具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)

20、的數(shù)學(xué)模型、控制電機(jī)的磁鏈 和轉(zhuǎn)矩，計(jì)算過程簡單。 (2)直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，通過定子電阻即可觀測。而矢量控 制磁場定向所用的轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測需要知道電機(jī)的轉(zhuǎn)子電感和電阻。因此直接轉(zhuǎn)矩控 制減少了矢量控制中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。 (3)直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制其物理量， 使問題變得簡單明了。 (4)直接轉(zhuǎn)矩控制是直接將轉(zhuǎn)矩作為被控量，直接對其進(jìn)行控制，而不是像矢量控 制那樣通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩。 2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 2.2.1 異步電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 為了便于分析異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，為了抽象出理想的電機(jī)模型

21、，必須進(jìn)行 一些假設(shè)，這些假設(shè)是： (1)氣殊均勻； (2)磁路線性； (3)定、轉(zhuǎn)子三相繞組對稱，其有效導(dǎo)體沿氣隙空間作正弦分布； (4)忽略磁場諧波，即設(shè)磁場正弦分布； 無論電機(jī)轉(zhuǎn)子是繞線式還是鼠籠式，都將它等效成繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)，折算 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 6 后的每相匝數(shù)都相等。 在直接轉(zhuǎn)矩控制的分析中，采用空間矢量的數(shù)學(xué)分析方法。圖2.1是異步電機(jī)的空 間矢量的等效電路圖。 圖 2.1 異步電機(jī)空間等效電路 圖中各量定義如下： 定子電壓空間矢量； s u 定子電流空間矢量； u i 轉(zhuǎn)子電流空間矢量； r i 定子磁鏈空間矢量； u 轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量； r 電角速度（

22、機(jī)械角速度和極對數(shù)的積） 。 并且規(guī)定，將旋轉(zhuǎn)空間矢量在軸上的投影稱為分量，在正交的軸上的投影 稱為分量。 根據(jù)以上規(guī)定，異步電動(dòng)機(jī)在定子坐標(biāo)系上可由以下方程表示： (2.1) usss iru (2.2) rrr jir0 由以上方程推出定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈方程式： (2.3) su il (2.4) rur il (2.5) sin 2 31 rue l t 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 7 2.3 逆變器的輸出電壓狀態(tài)及電壓空間矢量 2.3.1 逆變器輸出電壓狀態(tài) 逆變器(見圖 2.2)由三組、六個(gè)開關(guān)(、)組成。由于與 a sas b sbs c scs a s a、 與、與之間互為反向

23、，即一個(gè)接通，另一個(gè)關(guān)斷，所以三組開關(guān)共有s b sbs c scs 23=8 種可能開關(guān)方式組合。 圖 2.2 逆變器等效電路 規(guī)定 a、b、c 三相負(fù)載的某一相與“+”極接通時(shí)，該相開關(guān)狀態(tài)為“1”;與“- ”級接通時(shí)，狀態(tài)為“0” 。則 8 種可能的開關(guān)組合狀態(tài)見表 2.1。 表 2.1 逆變器的 8 種開關(guān)狀態(tài) 狀態(tài)01234567 a s b s c s 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 對應(yīng)于逆變器的 8 種開關(guān)狀態(tài)，對外部負(fù)載來說，逆變器輸出 7 種不同的電壓狀 態(tài)。這 7 種不同的電壓狀態(tài)可分成兩類：一類是 6 種工

24、作電壓狀態(tài)，它對應(yīng)于開關(guān)狀 態(tài)“1”至“6”分別稱為逆變器的電壓狀態(tài)“1”至“6” ；另一類是零電壓狀態(tài)，它對 應(yīng)于零開關(guān)狀態(tài)“7”和“8” ，由于對外來說，輸出的電壓都為零，因此統(tǒng)稱為逆變器 的零電壓狀態(tài)（詳見表 2.2） 。 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 8 表 2.2 逆變器電壓狀態(tài)與開關(guān)狀態(tài)對照表 工作狀態(tài)零狀態(tài)狀 態(tài) 12345678 開關(guān)狀態(tài)sabc 011001101100110010000111 表示一 tus s u 011 s u 001 s u 101 s u 100 s u 110 s u 010 s u 000 s u 111 表示二 tus 1s u 2s u 3s

25、 u 4s u 5s u 6s u 7s u 電 壓 狀 態(tài) 表示三 tus 1234567 2.3.2 電壓空間矢量 由于異步電動(dòng)機(jī)的電壓，電流，磁鏈等都是三相電磁量，故對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分 析和控制時(shí)，必須對三相進(jìn)行分析和控制，比較困難。引入 park 矢量變換，可以方便 的進(jìn)行控制，park 矢量變換是將三個(gè)標(biāo)量變?yōu)橐粋€(gè)矢量。對三相定子繞組相電壓， a u ，進(jìn)行 park 矢量變換，得到合成量。 b u c utus = (2.6) tus 3432 3 2 j c j ba eueuu 代表著三相電磁量在空間的位置，故稱之為空間矢量。用空間電壓矢量表示tus 逆變器的7個(gè)電壓狀態(tài)，形成

26、了7個(gè)離散的電壓空間矢量，每兩個(gè)工作電壓空間矢量在 空間的位置相隔600，6個(gè)工作電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成正六邊形的6個(gè)頂點(diǎn)。矢量順序 從狀態(tài)“1”到狀態(tài)“6”逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)是011001101100110 010。其所對應(yīng)空間電壓矢量狀態(tài)為，零電壓矢量7位 1s u 2s u 3s u 4s u 5s u 6s u 于正六邊形中心?？臻g電壓矢量狀態(tài)圖如圖2.3所示。 圖2.3 電壓空間矢量表示的7種離散電壓狀態(tài) 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 9 2.4 電壓空間矢量對電動(dòng)機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響 2.4.1 異步電機(jī)的磁鏈觀測模型 在直接轉(zhuǎn)矩控制中，無論是按圓形軌跡控制還是按六邊形軌

27、跡控制，都需要己知 定子磁鏈。采用直接檢測的方法獲得定子磁鏈，存在各方面的條件限制，在實(shí)際系統(tǒng) 中使用較少。較為通用的方法為間接測量的方法，即通過易于測量的電機(jī)其它物理量 (如定子電壓、定子電流和轉(zhuǎn)速等)，建立定子磁鏈的觀測模型，在控制中實(shí)時(shí)地推算 出定子磁鏈的幅值和相位。定子磁鏈的觀測準(zhǔn)確性直接影響系統(tǒng)的性能，可以說是dtc 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。 對于異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，對其進(jìn)行定子磁鏈觀測非常重要，對于磁鏈 的估算提出了三種模型：模型，模型和模型。下面分別對這三種模型進(jìn) iu ninu 行分析。 (1)模型iu 用定子電壓和定子電流來確定定子磁鏈的方法叫模型發(fā)。定子磁鏈可根據(jù)一iu 個(gè)

28、簡單公式分析，其公式為： (2.7)dtrtitut ssss 用該公式確定定子磁鏈，得到精確的電壓，電流，便于計(jì)算出定子磁鏈。 模型計(jì)算定子磁鏈，其誤差由定子電阻引起。故模型在 30%額定轉(zhuǎn)速iu s riu 以上時(shí)，能夠非常準(zhǔn)確的確定定子磁鏈，并且仍要注意溫度對電阻的影響。在定子頻 率接近零時(shí)，這種方法也不適用，原因在于用作定子電壓和定子電阻壓降之間的差值 消失，以致只有誤差被積分?？傊?30%額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，模型法，結(jié)構(gòu)簡單，精iu 度高。下圖為模型的原理圖。iu 圖2.4 ui模型原理圖 (2)模型ni 模型是利用定子電流與轉(zhuǎn)速來確定定子磁鏈。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在30%額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)，ni 磁

29、鏈只能根據(jù)轉(zhuǎn)速來正確計(jì)算，這時(shí)利用模型計(jì)算磁鏈?zhǔn)欠浅：线m的。下式為ni 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 10 模型定、轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算公式：ni (2.8) rrs r r rss l r li l l 1 1 (2.9) rrs r r rss l r li l l 1 1 式中：、為轉(zhuǎn)子磁鏈在-坐標(biāo)系上的分量； r r 、為定子磁鏈在-坐標(biāo)系上的分量。 s s 由公式可知，模型雖然不受定子電阻的影響，但其受到轉(zhuǎn)子電阻、漏電感ni r r 、主電感的影響。此外模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，角速度的測量誤差對模型影響很大， llni 故需要精密的測量角速度。 (3)模型nu 模型綜合了模型和模型的特點(diǎn)，是一個(gè)在全速

30、范圍內(nèi)都適用的磁鏈nu iu ni 模型，其由定子電壓和轉(zhuǎn)速來獲得定子磁鏈。 其主要優(yōu)點(diǎn)是： (3.1)結(jié)合了模型和模型的優(yōu)點(diǎn)，很自然的解決了切換的問題；iu ni (3.2)引入pi電流調(diào)節(jié)器，大大提高了電動(dòng)機(jī)模型的仿真精度； 缺點(diǎn)是： 結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，實(shí)用性差。 2.4.2 電壓空間矢量對定子磁鏈影響 將逆變器的輸出電壓直接加到異步電動(dòng)機(jī)的定子上，定子電壓與逆變器電壓tus 相等也為，得定子磁鏈與定子電壓關(guān)系式為：tust s tus = (2.10)t s dtrtitu sss 若忽略定子電阻壓降的影響，近似為： = (2.11)t s dttus 該關(guān)系式表示定子磁鏈空間矢量與電壓空間

31、矢量之間的積分關(guān)系。如下圖 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 11 圖2.5 電壓空間矢量與磁鏈?zhǔn)噶靠臻g關(guān)系 根據(jù)磁鏈空間矢量與電壓空間矢量的關(guān)系圖可得出： (1)忽略定子電阻的影響，可得到定子磁鏈頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方向平行于電 s rt s 壓空間矢量的指向的方向。tus (2)在適當(dāng)時(shí)給出定子電壓空間矢量，可得到定子磁鏈 654321ssssss uuuuuu 運(yùn)行的軌跡為，形成正六邊形。654321ssssss 于是可利用逆變器的六個(gè)工作電壓狀態(tài)可簡單的得到六邊形的磁鏈軌跡對電動(dòng)機(jī) 進(jìn)行控制。這就是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本思想，電壓空間矢量對定子磁鏈的影響可 通過以下方式實(shí)現(xiàn)： (3)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：

32、在正常電壓空間矢量作用期間，適時(shí)的插入零矢量對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行 控制，當(dāng)有效電壓空間矢量作用時(shí)，定子磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡沿著電壓空間矢量作用方向運(yùn) 動(dòng);插入零矢量后，定子磁鏈靜止，由于零矢量的插入，使得旋轉(zhuǎn)速度變慢，在這期間 保持電壓空間矢量作用時(shí)間不變，定子磁鏈幅值不變，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)恒磁通調(diào)速，即實(shí) 現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 (4)恒功率調(diào)速：通過改變電壓空間矢量的作用時(shí)間，達(dá)到改變定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度 的目的。由于電壓空間矢量幅值不變，只改變了作用時(shí)間，所以定子磁鏈所圍成的面 積發(fā)生改變，作用時(shí)間變短，面積變小，定子磁鏈幅值變小。對電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了恒功率 調(diào)速。 2.4.3 電壓空間矢量對轉(zhuǎn)矩的影響 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小

33、跟定、傳子磁鏈的幅值和磁通角有關(guān)。在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，為 了充分利用鐵心，保持定子磁鏈幅值不變，轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值是根據(jù)負(fù)載決定，故在直 接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，可以通過改變磁通角的大小來實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制，其控制方法為 通過控制電壓空間矢量來對定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制，改變了定子磁鏈的平均旋 轉(zhuǎn)速度，從而改變了磁通角的大小，以實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。其主要控制方法有 以下幾方面： (1)增大轉(zhuǎn)矩：增大有效電壓空間矢量，使得電壓幅值足夠大，就使得定子磁鏈的 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 12 旋轉(zhuǎn)速度大于轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，磁通角增大，對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩增大。 (2)減小轉(zhuǎn)矩：給出零電壓空間矢量，定子磁鏈會(huì)走走停停，

34、定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度小 于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，磁通角減小，轉(zhuǎn)矩減小。 (3)迅速減小轉(zhuǎn)矩：施加有效反向電壓空間矢量，定子磁鏈會(huì)進(jìn)行反方向旋轉(zhuǎn)，磁 通角迅速減小，使得轉(zhuǎn)矩也迅速減小。 通過控制工作狀態(tài)的電壓空間矢量和零狀態(tài)電壓空間矢量的交替出現(xiàn)的時(shí)間，實(shí) 現(xiàn)了對定子磁鏈旋轉(zhuǎn)的速度的改變，通過這樣的瞬態(tài)調(diào)節(jié)可獲得高性能的轉(zhuǎn)矩特性。 2.5 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本組成 通過前文的介紹，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本控制方式已經(jīng)清楚，根據(jù)前文可得到 系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)及結(jié)構(gòu)。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)可分為以下幾個(gè)部分： (1).控制部分：分為磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器； (2).逆變部分：由逆變器組成； (3).電機(jī)

35、部分：為異步電動(dòng)機(jī)。 圖2.6 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理圖 圖中各個(gè)單元器件名稱為： amm異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型； uct坐標(biāo)變換單元； dmc磁鏈自控制單元； azs零狀態(tài)選擇單元； amc轉(zhuǎn)矩計(jì)算單元； 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 13 atr轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器； ut逆變器。 由圖可知，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)工作原理為：通過amm計(jì)算得到定子磁鏈，并分解到 坐標(biāo)軸，然后經(jīng)過uct進(jìn)行坐標(biāo)變換，通過將計(jì)算得到的磁鏈值與dmc給定的磁鏈, 值進(jìn)行比較，得到磁鏈開關(guān)信號，通過amc計(jì)算得到轉(zhuǎn)矩值，根據(jù)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器atr的輸 出量決定是否插入零狀態(tài)，確定電壓開關(guān)狀態(tài)，對逆變器的輸出電壓進(jìn)行控制，使其 產(chǎn)生六邊形磁鏈。

36、 2.5.1 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器 磁鏈調(diào)節(jié)的主要任務(wù)是對磁鏈量進(jìn)行調(diào)節(jié)。在電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，由于定子電阻 壓降的影響，定子磁鏈幅值減小，在電動(dòng)機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)，定子磁鏈幅值也減小，為了 避免定子磁鏈的減小，引入磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器，主要作用在于加大定子磁鏈幅值，維持 磁鏈幅值在允許范圍內(nèi)波動(dòng)。 磁鏈調(diào)節(jié)過程是通過磁鏈電壓完成，磁鏈電壓為定子電壓空間矢量，目的在于區(qū) 別轉(zhuǎn)矩電壓，作用在于增大定子磁鏈幅值。對磁鏈電壓的選擇主要有兩種：一種是與 磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡成-600角的電壓空間矢量；另一種是成-1200角的電壓空間矢量。 磁鏈調(diào)節(jié)器器實(shí)際上也是一個(gè)施密特觸發(fā)器，對磁鏈幅值進(jìn)行兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)。引入 容差寬度，它是定子

37、磁鏈幅值與給定幅值之間允許的波動(dòng)范圍，磁鏈調(diào)節(jié)器 g f 輸入量為給定磁鏈幅值與反饋磁鏈幅值之差，輸出兩為磁鏈量開關(guān)信號。 q 圖2.7 磁鏈調(diào)節(jié)器原理圖 2.5.2 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)矩控制在許多場合里都顯得非常重要，即便是追求精確轉(zhuǎn)速的一些場合因?yàn)橹?有影響轉(zhuǎn)速的最直接的原因就是轉(zhuǎn)矩的變化。如果轉(zhuǎn)矩控制性能好，則不難設(shè)計(jì)一個(gè) 速度調(diào)節(jié)器，使速度環(huán)有良好的品質(zhì)。反之，若轉(zhuǎn)矩控制性能不好，響應(yīng)慢，相應(yīng)的 調(diào)速性能也不會(huì)很好。因此調(diào)速的關(guān)鍵在轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的 直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制的名稱也是由此而來。為了控制轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器必須具備 兩個(gè)功能：一個(gè)功能是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)

38、矩；另外一個(gè)功能是控制定子磁鏈的旋 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 14 轉(zhuǎn)方向，以加強(qiáng)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器也采用施密特觸發(fā)器，輸入信號為轉(zhuǎn)矩給定值與轉(zhuǎn)矩反饋值的信 g t f t 號差。調(diào)節(jié)器輸出量為轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號。容差為，調(diào)節(jié)器采用離散的亮點(diǎn)式調(diào)t q t m 節(jié)方式。 圖2.8 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器原理圖 當(dāng)下降到調(diào)節(jié)器容差下限，調(diào)節(jié)器輸出信號狀態(tài)為“1” 。在作用下， f t m q t1 q t 得到相應(yīng)的電壓空間矢量，使得定子磁鏈前轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩上升。當(dāng)上升到容量上限 f t 時(shí)，變?yōu)椤?”態(tài)，在作用下，零電壓加到電動(dòng)機(jī)上，定子磁鏈靜止，轉(zhuǎn) m q t0 q t 矩減小，下降到調(diào)節(jié)器容差下限，重復(fù)

39、運(yùn)行。反復(fù)這樣運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)器兩點(diǎn) m 式調(diào)節(jié)，把轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在給定值的容差范圍內(nèi)，達(dá)到轉(zhuǎn)矩的直接控制。 2.5.3 開關(guān)信號選擇單元 對應(yīng)于磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的兩種形式，空間電壓矢量開關(guān)信號的選擇也有兩種形式。 一種是通過磁鏈、轉(zhuǎn)矩的兩點(diǎn)式或三點(diǎn)式調(diào)節(jié)信號和定子磁鏈所在的區(qū)間，確定 所需施加的電壓空間矢量，從而將所有狀態(tài)列表依次列出，最后通過所選空間電壓矢 量輸出開關(guān)脈沖信號輸出給逆變器。 另一種是根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 pi 調(diào)節(jié)得到的參考的空間電壓矢量的兩個(gè)分量，合成 所需要的參考的空間電壓矢量。但是，此時(shí)的空間電壓矢量是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的，還需 疊加磁鏈旋轉(zhuǎn)角度，將其轉(zhuǎn)換成靜止坐標(biāo)系下的空間電壓矢

40、量，最后通過 svpwm 方式 輸出開關(guān)脈沖信號給逆變器。 2.6 低速范圍內(nèi)的解決方案 本系統(tǒng)工作在低速范圍內(nèi)。在這個(gè)范圍內(nèi)，由于轉(zhuǎn)速低（包括零轉(zhuǎn)速），定子電 阻壓降比較大，可能造成磁鏈波形畸變，在低頻時(shí)保持轉(zhuǎn)矩和磁鏈基本不變等等。對 于以上的問題必須實(shí)現(xiàn)如下控制目的。（注：在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 15 鏈計(jì)算數(shù)學(xué)模型仍然實(shí)用） (1)控制定子磁鏈為圓形軌跡，而不用六邊形軌跡。 (2)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器多功能地調(diào)節(jié)工作。 (3)用符號比較器確定區(qū)段。 (4)調(diào)節(jié)每個(gè)區(qū)段的磁鏈量。 為實(shí)現(xiàn)以上四點(diǎn)必須對應(yīng)采取如下措施： (1)每個(gè)區(qū)段電壓狀態(tài)的選擇

41、 由于電壓型逆變器只有六種工作電壓狀態(tài)，僅能輸出六種電壓空間矢量。定子磁 鏈空間矢量的運(yùn)動(dòng)方向由電壓空間矢量的方向確定，只能在六個(gè)方向上運(yùn)行。如果要 產(chǎn)生多于六邊的多變形的磁鏈軌跡，就必須通過多個(gè)電壓空間矢量的組合來形成?？?制六邊形磁鏈軌跡只需在每個(gè)工作區(qū)段接通“工作電壓”或“零電壓”即可。要實(shí)現(xiàn) 圓形磁鏈軌跡可以用足夠多的多邊形來近似圓形磁鏈軌跡。在每個(gè)工作區(qū)段采用四個(gè) 工作電壓狀態(tài)（0，60，60120）和兩個(gè)零電壓狀態(tài)結(jié)合使用（具體使 用過程在 3.8.1 節(jié)介紹）來實(shí)現(xiàn)足夠多的多邊形軌跡。 (2)磁鏈與轉(zhuǎn)矩之間的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié) 低速情況下（一般指 15額定轉(zhuǎn)速以下）轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的組成部分不變

42、，而磁鏈調(diào) 節(jié)器卻不一樣。此時(shí)磁鏈的模為：（六邊形磁鏈的模：）。在 22 2 cba 低速情況下磁鏈調(diào)節(jié)器如（圖 2.9） 圖 2.9 磁鏈與轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)器 其中10873 . 1 36 2 2 k 當(dāng)轉(zhuǎn)速大于 15額定轉(zhuǎn)速，開關(guān)切換到 a 處，執(zhí)行六邊形磁鏈軌跡，當(dāng)轉(zhuǎn)速小s 于 15時(shí)開關(guān)切換到 b 處，執(zhí)行圓形磁鏈軌跡。磁鏈開關(guān)信號與所需的電壓狀態(tài)sq 關(guān)系如下： 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 16 0 時(shí)，不需要接通工作電壓q 1 時(shí)，接通60電壓q 1 時(shí)，接通60電壓q 歸納起來，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器與磁鏈調(diào)節(jié)器的協(xié)調(diào)控制關(guān)系為：由轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器決定應(yīng)該 接通的是零狀態(tài)電壓還是工作電壓，在接通工作電壓

43、的時(shí)間內(nèi)來選擇接通的是0、 60還是+60電壓。 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 17 第 3 章 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的建模與仿真 3.1 仿真軟件 matlab 簡介 3.1.1matlab 語言 matlab 語言是由美國new mexico 大學(xué)的cleve moler 于1980 年開始開發(fā)的， 1984 年由cleve moler 等人創(chuàng)立的mathworks 公司推出了第一個(gè)商業(yè)版本。matlab 語言的兩個(gè)最顯著特點(diǎn)，即其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力和完美的圖形可視化功能，使它成 為國際控制界應(yīng)用最廣的首選計(jì)算機(jī)工具。 現(xiàn)在，matlab 語言不僅廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域，也應(yīng)用于其它的工程

44、和非工程領(lǐng)域。 在控制界，很多知名學(xué)者都為其擅長的領(lǐng)域?qū)懗龉ぞ呦?，而其中很多工具箱已?jīng)成為 該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。 與fortran 和c 等高級語言比較，matlab 的語法規(guī)則更簡單，更重要的是其貼近 人思維方式的編程特點(diǎn)，使得用matlab 編寫程序非常方便和簡捷。正是憑借matlab的 這些突出的優(yōu)勢，它現(xiàn)在已成為世界上應(yīng)用最廣泛的工程計(jì)算軟件。在美國等發(fā)達(dá)國 家的大學(xué)里matlab 是一種必須掌握的基本工具，而在國外的研究設(shè)計(jì)單位和工業(yè)部門， 更是研究和解決問題的一種標(biāo)準(zhǔn)軟件。在國內(nèi)也有越來越多的科學(xué)技術(shù)工作者參加到 學(xué)習(xí)和倡導(dǎo)這門語言的行列中來。在大家的共同努力下，matlab 正在成為計(jì)

45、算機(jī)應(yīng)用 軟件中的一個(gè)新熱點(diǎn)。 3.1.2 軟件構(gòu)成 matlab 軟件主要由主包、simulink 和工具箱三大部分組成。 matlab 主包包括以下五個(gè)部分： (1)matlab 語言 matlab 語言是一種基于矩陣/數(shù)組的高級語言，它本身具有流程控制語句、函數(shù)、 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出，并且具有面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)特性。用matlab 語言可以迅速地 建立臨時(shí)性的小程序，也可以建立復(fù)雜的大型應(yīng)用程序。 (2)matlab 工作環(huán)境 matlab 工作環(huán)境集成了許多工具和程序，用戶用工作環(huán)境中提供的功能完成他們 的工作。matlab 工作環(huán)境給用戶提供了管理工作空間內(nèi)的變量和輸入、輸出數(shù)據(jù)的功

46、 能，并給用戶提供了不同的工具用以開發(fā)、管理、調(diào)試m 文件和matlab 應(yīng)用程序。 (3)句柄圖形 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 18 句柄圖形是matlab 的圖形系統(tǒng)。它包括一些高級命令，用于實(shí)現(xiàn)二維和三維數(shù)據(jù) 可視化、圖像處理、動(dòng)畫等功能；還有一些低級命令，用來定制圖形的顯示以及建立 matlab 應(yīng)用程序的圖形用戶界面。 (4)matlab 數(shù)學(xué)函數(shù)庫 matlab 數(shù)學(xué)函數(shù)庫是數(shù)學(xué)算法的一個(gè)巨大集合，該函數(shù)庫既包含了諸如求和、正 弦、余弦、復(fù)數(shù)運(yùn)算之類的簡單函數(shù)；也包含了矩陣轉(zhuǎn)置、特征值、貝塞爾函數(shù)、快 速傅立葉變換等復(fù)雜函數(shù)。 (5)matlab 應(yīng)用程序接口（api） matl

47、ab 應(yīng)用程序接口是一個(gè)matlab語言同c和fortran等其它高級語言進(jìn)行交互的 庫。包括從matlab 調(diào)用其它程序（動(dòng)態(tài)鏈接），把matlab作為計(jì)算引擎來調(diào)用，還包 括讀寫matlab數(shù)據(jù)文件（mat文件）。 simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真的交互式系統(tǒng)。simulink允許用戶在屏幕上繪制框 圖來模擬一個(gè)系統(tǒng)，并能夠動(dòng)態(tài)地控制該系統(tǒng)。simulink采用鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)方式，能夠處 理線形、非線形、連續(xù)、離散、多變量以及多級系統(tǒng)。 此外，simulink 還為用戶提供了兩個(gè)附加項(xiàng)：simulink extensions（擴(kuò)展）和 blocksets（模塊集）。 simulink exte

48、nsions是一些可選擇的工具，支持在simulink環(huán)境中開發(fā)的系統(tǒng)的 具體實(shí)現(xiàn)，包括： simulink accelerator real-time workshop real-time windonws target stateflow blocksets 是為特殊應(yīng)用領(lǐng)域中設(shè)計(jì)的simulink模塊的集合。blocksets包括以下 幾個(gè)領(lǐng)域的模塊集： dsp（數(shù)字信號處理） fixed-point（定點(diǎn)） nonlinear control design（非線形控制設(shè)計(jì)） communications（通信） 工具箱是matlab 用來解決各個(gè)領(lǐng)域特定問題的函數(shù)庫，它是開放式的，可以

49、應(yīng)用， 也可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行擴(kuò)展。 matlab提供的工具箱為用戶提供了豐富而實(shí)用的資源，工具箱的內(nèi)容非常廣泛， 涵蓋了科學(xué)研究的很多門類。目前，已有涉及數(shù)學(xué)、控制、通信、信號處理、圖像處 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 19 理、經(jīng)濟(jì)、地理等多種學(xué)科的二十多種matlab 工具箱投入應(yīng)用。這些工具箱的作者都 是相關(guān)領(lǐng)域的頂級專家，這當(dāng)然地確定了其權(quán)威性。應(yīng)用matlab 的各種工具箱可以在 很大程度上減小用戶編程時(shí)的復(fù)雜度。 3.2 仿真模型搭建及參數(shù)設(shè)置 仿真電機(jī)參數(shù)如下:額定功率為 2.354kw，額定電壓為 380v，額定轉(zhuǎn)速為 1500r/min;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0.09kgm2，極對

50、數(shù)為 2，定子電阻為 0.54，轉(zhuǎn)子電阻為 0.79，定子電感為 2.8mh，轉(zhuǎn)子電感為 2.8mh，定轉(zhuǎn)子互感為 66.24mh，頻率為工頻 50hz，取摩擦系數(shù)為 0。下圖為直接轉(zhuǎn)矩仿真模型。 圖 3.1 直接轉(zhuǎn)矩仿真模型 仿真主要環(huán)節(jié)： (1).磁鏈滯環(huán) 磁鏈滯環(huán)容差由思密特觸發(fā)器設(shè)置，在仿真過程中，可通過設(shè)置不同的滯環(huán)容差 重復(fù)仿真，以致達(dá)到仿真最佳效果。 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 20 圖 3.2 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器模型 (2).磁鏈環(huán)節(jié) 磁鏈環(huán)節(jié)采用模型，將經(jīng)過 32 變換的定子三相電流電壓進(jìn)行計(jì)算，得到轉(zhuǎn)iu 矩 t。 圖 3-3 磁鏈計(jì)算環(huán)節(jié)模型 (3).轉(zhuǎn)矩滯環(huán) 通過對觀測轉(zhuǎn)

51、速和給定轉(zhuǎn)速的計(jì)算得到給定轉(zhuǎn)矩，再與磁鏈環(huán)節(jié)所計(jì)算出來的轉(zhuǎn) 速進(jìn)行比較，得到 st。 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 21 圖 3-4 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器模型 3.3 仿真結(jié)果及分析 電機(jī)在空載，給定轉(zhuǎn)速，仿真時(shí)間為 3s 時(shí)仿真波形如圖 3.5 所示，分別為三相定 子電流波形，轉(zhuǎn)速波形，轉(zhuǎn)矩波形 圖 3.5 三相定子電流波形，轉(zhuǎn)速波形，轉(zhuǎn)矩波形 由圖可以看出，系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快，超調(diào)量很小，很快轉(zhuǎn)速即達(dá)到指定的轉(zhuǎn)速， 啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩同時(shí)得到穩(wěn)定值，在 0 nm 值附近波動(dòng)；0.8s 后定子電流到穩(wěn)定范圍。 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 22 第 4 章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 4.1 控制電路結(jié)構(gòu)簡介

52、本控制系統(tǒng)采用了ti 公司生產(chǎn)的tms320lf2407a dsp 芯片，用單片dsp實(shí)現(xiàn)包 括轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制在內(nèi)的所有控制功能，并用dsp內(nèi)部集成的can通訊單元實(shí)現(xiàn)與多能 源控制器的通訊?？刂齐娐放c電機(jī)以及主電路的外部接口如圖4.1所示。 圖4.1 控制電路 4.2dsp(tms320lf2407a) tms320lf2407a是tms320lf240 x系列dsp控制器的典型代表。它為電氣自動(dòng)化系統(tǒng) 的數(shù)字控制提供了便利的手段。tms320lf2407執(zhí)行速度達(dá)30mips，幾乎所有的指令都 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 23 可在33ns的單周期完成。如此高的性能可以對非常復(fù)雜的控制算

53、法進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，如 自適應(yīng)控制和卡爾曼濾波等，此外，還可支持非常高的采樣率，以減小循環(huán)延時(shí)。 tms320lf2407a具有用于高速信號處理和數(shù)字控制功能所必需的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)還 具有單片電機(jī)控制應(yīng)用方案所需的外設(shè)功能。tms320lf240 x采用高性能靜態(tài)cmos制造 工藝，使得供電電壓降為3.3v，功耗極低；此外，還具有幾種進(jìn)一步降低功率的省電 方式。 作為系統(tǒng)管理器，dsp必須具備強(qiáng)大的片內(nèi)io和其它外設(shè)功能。tms320lf2407a 片內(nèi)的事件管理器與一般的dsp芯片不同。面向應(yīng)用優(yōu)化的外設(shè)單元和高性能dsp內(nèi)核 的結(jié)合，可以為所有的電機(jī)類型提供高速、高效和全變速的先進(jìn)控制技術(shù)。在

54、該事件 管理器中包括特殊的pwm產(chǎn)生功能，特殊的附加功能 包括可編程的死區(qū)功能和空間矢量pwm狀態(tài)機(jī)，后者可為三相電機(jī)在功率晶體管開關(guān)機(jī) 制中提供了迄今為止最高的功效。具有獨(dú)立的向上下計(jì)數(shù)器，每一個(gè)都有屬于它自 己的比較寄存器，可以支持產(chǎn)生非對稱的和對稱的pwm波形。多路捕獲輸入中的兩路可 以直接捕獲光電編碼器的正交編碼脈沖信號。 tms320lf2407a還提供控制器局域網(wǎng)絡(luò)(can)2.0模塊，可以利用它方便的搭建can 網(wǎng)，完成多芯片的通信任務(wù)。tms320lf2407 can控制器模塊是一個(gè)完全的can控制器。 該控制器是一個(gè)16位的外設(shè)模塊，它完全支持can 2.0b協(xié)議，具有6個(gè)郵

55、箱，可用于接 收和發(fā)送數(shù)據(jù)。 以下是tms320lf2407a的一些特點(diǎn)： (1)基于tms320c2xx dsp的核心cpu (1.1)32位的中央算術(shù)邏輯單元(calu) (1.2)32位加法器 (1.3)16位x16位并行乘法器，32位乘積 (1.4)三個(gè)定標(biāo)移位寄存器 (1.5)8個(gè)16位輔助寄存器，帶有一個(gè)專用的算術(shù)單元，用來作數(shù)據(jù)存儲器的間接 尋址 (2)存儲器 (2.1)片內(nèi)1.5k字的數(shù)據(jù)程序ram；544字的darkt和2k字saram (2.2)片內(nèi)高達(dá)32k字的flash程序存儲器 (2.3)192k字16位的最大可尋址存儲器空間(lf2407)：64k字的程序空間，64

56、k字 的數(shù)據(jù)空間，64k字的io空間 (2.4)有軟件等待狀態(tài)發(fā)生器的外部存儲器接口模塊，具有16位地址總線和16位數(shù) 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 24 據(jù)總線 (2.5)支持硬件等待狀態(tài) (3)程序控制 (3.1)4級管道操作 (3.2)8級硬件堆棧 (3.3)5個(gè)外部中斷：電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷 (4)指令系統(tǒng) (4.1)與tms320家族的c2x,c2xx,c5x定點(diǎn)產(chǎn)品在源代碼級兼容 (4.2)單指令重復(fù)操作 (4.3)單周期的乘法加法指令 (4.4)程序數(shù)據(jù)管理的存儲器塊移動(dòng)指令 (4.5)牽引尋址功能 (4.6)基于快速傅立葉變換的位反轉(zhuǎn)索引尋址功能 (5)電源

57、(5.1)靜態(tài)cmos技術(shù) (5.2)3種低電源模式以降低電源損耗 (6)仿真：與片內(nèi)掃描仿真邏輯相連的ieee標(biāo)準(zhǔn)1149.1測試訪問端口 (7)速度：33ns的指令周期，多數(shù)指令為單周期 (8)兩個(gè)事件管理器，每個(gè)包括： (8.1)8個(gè)16位的比較脈寬調(diào)制通道 (8.2)兩個(gè)16位通用定時(shí)器，有4種工作模式 (8.3)可編程的pwm死區(qū)控制功能 (8.4)16通道ad轉(zhuǎn)換器 (8.5)3個(gè)捕獲單元，有正交編碼器脈沖接口功能 (9)10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為50ons (10)40個(gè)獨(dú)立可編程或復(fù)用的通用io引腳 (11)基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘模塊 (12)看門狗定時(shí)器模塊 (13)串行通訊接

58、口 (14)串行外部設(shè)備接口 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 25 4.3 3.3v dsp 與 5v 邏輯器件的混合接口問題 4.3.1 邏輯電平不同，接口時(shí)出現(xiàn)的問題 現(xiàn)在越來越多的系統(tǒng)要求使用體積小、功耗低、耗電小的芯片，數(shù)字系統(tǒng)的工作 電壓已經(jīng)從5v降至3.3v甚至更低（例如2.5v和1.8v標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)）。但是目前仍有許多 5v 電源的邏輯器件和數(shù)字器件可用，因此在許多設(shè)計(jì)中3v（含3.3v）邏輯系統(tǒng)和5v邏 輯系統(tǒng)共存,而且不同的電源電壓在同一電路板中混用。隨著更低電壓標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)，不 同電源電壓邏輯器件間的接口問題會(huì)在很長一段時(shí)間內(nèi)存在。本系統(tǒng)中dsp 的電源電 壓標(biāo)準(zhǔn)為3.3v,而大

59、部分的外圍器件的電源都是傳統(tǒng)的5v 標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)問題是設(shè)計(jì)中首 先要考慮和解決的。 在混合電壓系統(tǒng)中，不同電源電壓的邏輯器件相互接口時(shí)會(huì)存在以下3個(gè)主要問題： 加到輸入和輸出引腳上允許的最大電壓的限制問題；兩個(gè)電源間電流的互串問題；必 須滿足的輸入轉(zhuǎn)換門限電平問題。器件對加到輸入腳或輸出腳的電壓通常是有限制的。 這些引腳在芯片內(nèi)部可能通過有二極管或其他元件接到vcc，如果接入的電壓過高，則 電流將會(huì)通過二極管或其他元件流向電源。例如3.3v器件的輸入端接上5v信號，則5v 電源將會(huì)向3.3v電源充電。持續(xù)的電流將會(huì)損壞二極管和電路元件。必須注意的是： 不管是在3.3v的工作狀態(tài)或是0v的等待狀態(tài)

60、都不允許電流流向vcc。另外，用5v的器件 來驅(qū)動(dòng)3.3v的器件有很多不同情況。在各種情況下，驅(qū)動(dòng)器都必須滿足接收器的輸入 轉(zhuǎn)換電平，并要有足夠的容限和保證不損壞電路元件。要合理的選用接口電路，首先 要先了解各種電路和器件的參數(shù)，如表4.1 所示。 表4.1 各種電路和器件參數(shù) 4.3.2 系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)方法 控制系統(tǒng)的核心器件是dsp，dsp要與外部芯片的輸入輸出口連接。本系統(tǒng)選用的 tms320lf2407a dsp屬于cmos芯片，主電源電壓vdd標(biāo)準(zhǔn)值為3.3v。當(dāng)電源電壓為標(biāo)準(zhǔn) 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究 26 電壓時(shí)高電平輸入電壓范圍為大于2v小于vdd0.3v,低電平輸入電壓小于