異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略研究

1、摘要繼矢量控制策略zu,直接轉(zhuǎn)矩控制策略是又一種高性能交流變頻調(diào)速策略。 然而，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁鏈軌跡方而存在許多不足，影響 其發(fā)展和應(yīng)用。針對(duì)傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略存在轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)較大，電流諧 波較大，開(kāi)關(guān)頻率不固定等問(wèn)題，本設(shè)計(jì)是在異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型和直接轉(zhuǎn)矩控 制策略理論分析的基礎(chǔ)上，利用空間矢量脈寬調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制策略，使系統(tǒng) 性能得到有效提高。最后，以數(shù)字信號(hào)處理器tms320lf2407為控制核心、異步 電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，分別設(shè)計(jì)了直接轉(zhuǎn)矩控制控制系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分。 硬件部分包括整流電路、逆變電路、控制電路。整流電路通過(guò)整流橋6ri30g120把 三

2、相交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?；逆變電路由智能功率模塊（ipm） pm25rsb120組成；控 制電路db tms320lf2407構(gòu)成電壓、電流采樣電路和轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路，以及實(shí)現(xiàn)異 步電動(dòng)機(jī)的直接傳矩控制。關(guān)鍵字:異步電動(dòng)機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)；數(shù)字信號(hào)處理 器absractfollowing the vector control strategy, direct torque control strategy is a high-performance ac frequency control strategy. however, the conventional direct torqu

3、e control strategy has some deficiencies in the torque ripple and flux linkage trajectory, affecting their development and application. on the basis of the asynchronous motor mathematical models and theoretical analysis of direct torque control strategy, the design makes use of the research on the s

4、tator flux observation and control strategies for the problem of the large torque and flux ripple, current harmonics and the not fixed switching frequency, and design space vector pulse width modulation direct torque control strategy in order to improve the system performance finally, digital signal

5、 processor tms320lf2407 as the core, asynchronous motor as the object, respectively, design the hardware part and software part of the direct torque control system. the hardware includes a rectifier circuit, inverter circuit, control circuit. rectifier circuit makes three-phase ac into dc; inverter

6、circuit composes of intelligent power module (ipm) pm25rsb120; control circuits include voltage and current sampling circuit and speed detection circuit, in order to realize direct torque control of asynchronous moto匚keywords: asynchronous motor; direct torque control; space vector modulation; digit

7、al signal processor冃 錄1引言11.1交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀11.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀21.3本課題研究的內(nèi)容32異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)42.1異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型42. 1. 1異步電動(dòng)機(jī)的三相數(shù)學(xué)模型42. 1.2坐標(biāo)變換62.1.3異步電機(jī)在靜止兩相正交坐標(biāo)系小的動(dòng)態(tài)模型72. 2直接轉(zhuǎn)矩控制原理基本理論82. 2. 1直接傳矩控制的基本思想82. 2. 2理想逆變器的數(shù)學(xué)模型92. 2.3空間電壓矢量與定了磁鏈的關(guān)系102.2.4空間電壓矢量與電磁傳矩的關(guān)系112.3直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)112. 3. 1磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型122. 3.2磁鏈調(diào)節(jié)

8、器設(shè)計(jì)132. 3.3轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)132. 3. 4最優(yōu)開(kāi)關(guān)表143基于tms320lf2407處理器的硬件設(shè)計(jì)163. 1系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)163.2主電路設(shè)計(jì)173.3控制電路設(shè)計(jì)203. 3. 1 dsptms320lf2407數(shù)字信號(hào)處理器介紹203. 3.2電源模塊213. 3.3時(shí)鐘電路233.3.4 pwm信號(hào)電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)電路233. 3.5 jtag 接 口電路243. 3.6電壓電流檢測(cè)調(diào)理電路253. 3. 7轉(zhuǎn)速信號(hào)檢測(cè)264系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)294. 1主程序294. 2電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊304.3速度pi調(diào)節(jié)模塊314. 4定了磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊324.5電壓空間矢量pwm波的產(chǎn)

9、生325總結(jié)與展望34參考文獻(xiàn)35致謝361引言1.1交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)于19世紀(jì)先后誕生，然而，在20世紀(jì)的絕大 多數(shù)時(shí)期內(nèi)，鑒于直流傳動(dòng)的優(yōu)良控制特性，一般在高性能的調(diào)速的傳動(dòng)一般采 用直流調(diào)速。自從20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展， 交流電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)取得了突破性的成果，高性能的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)得以 廣泛的推廣應(yīng)用。由于交流電機(jī)是強(qiáng)耦和，多變量的非線性系統(tǒng)。相對(duì)于直流電 機(jī)，實(shí)現(xiàn)良好的傳矩控制是非常困難的。交流電機(jī)的高性能調(diào)速方法一般是變頻調(diào)速。它不但能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，并且 隨著負(fù)載的特性不同，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓、頻率的關(guān)系，可使電機(jī)

10、始終高效運(yùn)行 以及獲得良好的動(dòng)態(tài)特性，比如低起動(dòng)電流、高起動(dòng)傳矩。交流調(diào)速控制技術(shù)的 發(fā)展經(jīng)歷了電壓和頻率協(xié)調(diào)控制、速度閉環(huán)轉(zhuǎn)差率控制到矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控 制，控制理論的發(fā)展使調(diào)速系統(tǒng)性能不斷提高。電壓頻率協(xié)調(diào)控制是指調(diào)速時(shí)在 基頻以下使電壓幅值與頻率的比值保持恒定，實(shí)現(xiàn)恒傳矩調(diào)速運(yùn)行；在基頻以上 調(diào)速時(shí)，輸出電壓維持在額定值，使磁通與頻率成反比減少，實(shí)現(xiàn)弱磁恒功率調(diào) 速運(yùn)行。其調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只能滿足一般的調(diào)速要求不高的場(chǎng)合。轉(zhuǎn)速閉環(huán) 轉(zhuǎn)差率調(diào)速采用傳速閉環(huán)控制，給定傳速和檢測(cè)的傳速偏差經(jīng)pi調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)差 率。轉(zhuǎn)速閉環(huán)反饋，轉(zhuǎn)差頻率控制是基于異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，動(dòng)態(tài)時(shí)磁通 不恒定，

11、因此將影響系統(tǒng)實(shí)際動(dòng)態(tài)性能。20世紀(jì)70年代西門(mén)子工程師f.blashcke首先捉岀異步電機(jī)矢量控制，用于解 決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題，其主要思路是基于坐標(biāo)變換把三相系統(tǒng)簡(jiǎn)化為兩相系 統(tǒng)，再按轉(zhuǎn)了磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)變換，實(shí)現(xiàn)定了勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量z間解耦, 從而實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別控制，并且獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)相似的動(dòng)、 靜態(tài)特性。20世紀(jì)80年代，德國(guó)depenbrock教授于提出直接轉(zhuǎn)矩控制，其思想是把電 機(jī)和逆變器作為一個(gè)整體，使用空間電壓矢量分析方法，在定子坐標(biāo)系進(jìn)行磁鏈、 轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，通過(guò)磁鏈跟蹤型pwm逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)直接進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。此控制 系統(tǒng)不需要對(duì)定了電流進(jìn)行解耦，無(wú)需

12、矢量變換的復(fù)雜計(jì)算，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。隨 著電力電子技術(shù)、微處理器以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展 會(huì)日新月異，新型的控制策略正在不斷涌現(xiàn)，必將進(jìn)一步推動(dòng)交流調(diào)速的發(fā)展。1.2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control, dtc)是繼矢量控制技術(shù)z后又一種新 型的高效變頻調(diào)速技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在定了坐標(biāo)系下計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和 磁鏈，采用雙位式控制器，并在pwm逆變器屮直接用這兩個(gè)控制信號(hào)產(chǎn)生輸岀電 壓，省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡(jiǎn)化控制器的結(jié)構(gòu)。其次，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)了變化的影響，提高了系統(tǒng)的魯棒性。再次

13、 由于采用了直接傳矩控制，在加減速和負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程屮，可以獲得快速的 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但必須注意限制過(guò)大的沖擊電流，以免損壞功率開(kāi)關(guān)器件，因此實(shí)際 的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)是有限的。但是，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)也有其不足z處，由于采用雙位 式控制，實(shí)際轉(zhuǎn)矩必然在上下內(nèi)脈動(dòng)，此外，磁鏈計(jì)算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓 模型，積分初值、累積誤差和定子電阻的變化都會(huì)影響磁鏈計(jì)算的準(zhǔn)確度。以上 兩個(gè)問(wèn)題的影響在低速時(shí)都比較顯著，因而系統(tǒng)的調(diào)速范圍受到限制。因此抑制 轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)、捉高低速性能便成為改進(jìn)原始的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的主要方向，例 如對(duì)磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差實(shí)行細(xì)化，使磁鏈軌跡接近圓形，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。從目麗的研究現(xiàn)狀可以看出，直

14、接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主耍有以卜幾個(gè) 方而：(1) 現(xiàn)代控制技術(shù)的應(yīng)用：現(xiàn)代控制理論屮各種控制方案的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)性能和魯棒性。功能強(qiáng)大的數(shù)字處理芯片(dsp)的推出，使許多以前無(wú)法實(shí)現(xiàn) 的方法得以應(yīng)用到實(shí)際控制系統(tǒng)屮，如自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、卄線性控制等都能通過(guò)dsp來(lái)實(shí)現(xiàn)。(2) 全數(shù)字化的控制：直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別適合于全數(shù)字實(shí)現(xiàn)。然而, 系統(tǒng)對(duì)于處理的實(shí)時(shí)性、快速性要求高，dsp能滿足這種需求，它具冇高速信號(hào) 處理和數(shù)字控制的功能，同時(shí)能故障監(jiān)視、診斷和保護(hù)，確保了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和 可靠性。(3) 無(wú)速度傳感器的控制系統(tǒng)：在現(xiàn)代高性能交

15、流調(diào)速系統(tǒng)屮，速度閉環(huán)控制 是必不可少的，因此速度傳感器的安裝也是必不可缺的。由于速度傳感器的安裝, 系統(tǒng)的成木增加、穩(wěn)定性和可靠性降低，易受工作環(huán)境影響，因此無(wú)速度傳感器 的控制系統(tǒng)研究成為當(dāng)前交流傳動(dòng)熱門(mén)研究方向z-o目前的無(wú)速度傳感器控制 技術(shù)的調(diào)速范圍較小、動(dòng)態(tài)性能差以及無(wú)法滿足高性能交流調(diào)速控制系統(tǒng)的需要 等。無(wú)速度傳感器控制技術(shù)采用檢測(cè)到的電機(jī)電壓、電流以及電機(jī)的數(shù)學(xué)模型觀 測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)速，無(wú)需改造電機(jī)、省去速度傳感器、降低維護(hù)費(fèi)用和降低惡劣環(huán)境 影響的優(yōu)點(diǎn)。提高轉(zhuǎn)速的觀測(cè)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，增強(qiáng)對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的魯棒 性和增加速范圍是今后的主要研究方向。(4) 同步電機(jī)的控制：直接轉(zhuǎn)

16、矩控制技術(shù)主要的應(yīng)用于異步電機(jī)，現(xiàn)在人們開(kāi) 始將它用于永磁同步電機(jī)中。目麗國(guó)內(nèi)對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制的研究仍十分活躍，主耍 體現(xiàn)在電機(jī)參數(shù)辯識(shí)，定子磁鏈準(zhǔn)確觀測(cè)，無(wú)速度傳感器的直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)的研究, 以及抑制低速區(qū)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和提高轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性等方而的研究。1.3本課題研究的內(nèi)容木課題首先對(duì)異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行詳細(xì)分析，設(shè)計(jì) 了空間矢量脈寬調(diào)制的異步電機(jī)直接傳矩控制策略。主要完成以下工作：(1) 在分析異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型、逆變器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，深入研究異步電 動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基木原理和結(jié)構(gòu)。(2) 在分析磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器。(3) 設(shè)計(jì)了基于

17、空間矢量脈寬調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制策略，從而提高控制系統(tǒng)性 能。(4) 釆用tms320lf2407(dsp)構(gòu)造全數(shù)字化交流調(diào)速控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的 硬件電路和軟件部分。2異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型2.1.1異步電動(dòng)機(jī)的三相數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，因此在 研究異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)通常作如下假設(shè)：(1) 忽略空間諧波，設(shè)定了和轉(zhuǎn)了的三相繞組對(duì)稱(chēng)，也就是在空間互差120°的 電角度，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙按正弦規(guī)律分布；(2) 忽略磁路飽和，繞組屮的h感、互感都是恒定的；(3) 忽略鐵心損耗和磁滯損耗；(4) 不考慮頻

18、率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。無(wú)論異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是繞線型述是籠型，都可以等效成三相繞轉(zhuǎn)子，并且折 算到定了側(cè)，折算后的定了和轉(zhuǎn)了繞組匝數(shù)相等。異步電機(jī)三相繞組可以是y聯(lián) 接，也可以是a聯(lián)接，以下均以y聯(lián)接進(jìn)行討論。若三相繞組為a聯(lián)接，可以用 變換，等效為y聯(lián)接，然后，按照y聯(lián)接進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。三相異步電機(jī)的物理模型如圖2-1所示，定了三相繞組軸線力、b、c在空間 是固定的，傳子繞組軸線b、c以角速度隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如以/軸間的電角度0 為空間角位移變量。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動(dòng)機(jī)慣例和右 于螺旋定則。圖21三相界步電動(dòng)機(jī)的物理模型異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型由磁鏈方程、電壓方程、傳矩方

19、程和運(yùn)動(dòng)方程組成。(1) 磁鏈方程異步電機(jī)每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼目诟写沛満推渌@組對(duì)它的互感磁鏈z 和，因此，六個(gè)繞組的磁鏈可用下式表示：屮b屮c屮b屮csa 厶bd 厶ca 4a4a(2-1)式屮力 /v 3 h定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值;屮2屮屮c，屮£屮2屮c各繞組的金磁鏈。(2-2)(2-3)(2-4)(2-5)(2-6)(2-7)厶aa,厶a是/相的自感，其余是互感,同理可得b、c相。(2) 電壓方程三相定子繞組的電壓平衡方程為atub"bk+警dtuc=icrccs dt與此相應(yīng)，三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為y警5"警其屮ua，% uc，ua

20、，5, uc定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值； 心rr定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻。(3) 轉(zhuǎn)矩方程根據(jù)機(jī)電能量傳換原理，在線性電感的條件下，磁場(chǎng)的儲(chǔ)能尤、為(2-8)電磁轉(zhuǎn)矩等丁電流不變只冇機(jī)械位移變化時(shí)磁場(chǎng)儲(chǔ)能對(duì)機(jī)械角位移(2-9)將(2-8)代入(2-9)得;7嗎嚴(yán) r de s r de(2-10)(4) 運(yùn)動(dòng)方程忽略電力傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的粘性摩擦和扭轉(zhuǎn)彈性，傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程 為77p dt 式屮八包括摩擦阻轉(zhuǎn)矩的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；j機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；(2-h)np極對(duì)數(shù)。傳角方程為(2-12)綜上說(shuō)明了異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變 量系統(tǒng)，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)我們通常把它進(jìn)行坐標(biāo)變換，把

21、旋轉(zhuǎn)的三相變?yōu)殪o子的兩2.1.2坐標(biāo)變換異步電機(jī)三相原始數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)朵，分析和求解這組非線性方程十分困難。 需通過(guò)坐標(biāo)變換簡(jiǎn)化為靜止兩相坐標(biāo)系卜的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，以便于進(jìn)行分析和計(jì) 算。異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型z所以復(fù)朵，關(guān)鍵是因?yàn)橛幸粋€(gè)復(fù)雜的電感矩陣和轉(zhuǎn)矩方 程，它們體現(xiàn)了異步電機(jī)的電磁耦合和能量轉(zhuǎn)換的復(fù)雜關(guān)系。因此簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型 需從電磁耦合關(guān)系入手。利用在不同坐標(biāo)系下所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相等可以把三相繞 組簡(jiǎn)化成兩相正交對(duì)稱(chēng)繞組，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)相等，可以簡(jiǎn)化成靜止的兩相繞 組。三相兩相變換根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)相等和變換前后總功率不變，三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系 的變換矩陣為則英逆矩陣為2v3217t_2_v

22、3217t(2-13)_2_2v22(2-14)(2) 旋轉(zhuǎn)正交靜止兩相變換圖2-2 2r/2s坐標(biāo)變換圖22中繪出了妙和dq坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量，繞組每相有效匝數(shù)均為tv?，磁動(dòng)勢(shì)矢量在相關(guān)的坐標(biāo)軸上。兩相交流.、2卩和兩個(gè)直流、0產(chǎn)生同樣以角速度0旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì)f。旋轉(zhuǎn)兩相正交坐標(biāo)系到靜止兩相正交坐標(biāo)系的變換陣是cos (p sin (pc2r/2s =.屮屮(2-15)sin© cos©則靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)兩相正交坐標(biāo)系的變換陣為2&/2r =cos。sin©sin/cos0(2-16)2.1.3異步電機(jī)在靜止兩相正交坐標(biāo)系中的動(dòng)態(tài)模型經(jīng)坐標(biāo)

23、變換，得到兩相靜止坐標(biāo)系下的交流異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為:(1)電壓方程rs+lsp0lmp0 0rs + hp0p如%lgpco+ lrpcolx%卩丄_ s厶n厶丿-colrr + lrp_0軸分量;g、(2-17)%分別為定子式中，他卩分別為定子繞組三相電壓的繞組三相電流的a、0軸分量；z/g、卩分別為轉(zhuǎn)子繞組三相電壓的q、0軸分量； 比、5分別為轉(zhuǎn)了繞組三相電流的q、0軸分量；尺為定了繞組電阻；心為轉(zhuǎn)了繞 組電阻；5為定子與轉(zhuǎn)子繞組間的互感；厶、厶分別為定、轉(zhuǎn)子繞組的自感；©為 轉(zhuǎn)了速度；p為微分算子。對(duì)于鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子是短路的，所以轉(zhuǎn)子側(cè) 電壓分量wra> w

24、rp為零。(2)磁鏈方程l,0an00s卩0厶0屮wlm00/rp_0an0ra(2-18)式中，、仏卩分別是定了繞組三相磁鏈的么、"軸分量；屮g、仏0分別是轉(zhuǎn)了 繞組三相磁鏈的g、”軸分量。(3) 、轉(zhuǎn)矩方程4 弓p(0/s卩山)式屮，你為電機(jī)極對(duì)數(shù)(4) 、運(yùn)動(dòng)方程， j dcor=lnp dt 式屮，近為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，丿為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(2-19)(2-20)2. 2直接轉(zhuǎn)矩控制原理基本理論 2. 2.1直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想在1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)教授dcpcnbrock首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control,簡(jiǎn)稱(chēng)dtc)理論，于1 987年推廣到弱磁調(diào)速

25、范圍。dtc使定了磁 場(chǎng)按照正六邊形軌跡運(yùn)動(dòng)，由于正六邊形的六條邊與6個(gè)非零電壓空間矢量相對(duì) 應(yīng)，可以通過(guò)三個(gè)施密特觸發(fā)器來(lái)切換逆變器的6個(gè)工作狀態(tài)，直接通過(guò)6個(gè)非 零電壓空問(wèn)矢量實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鏈軌跡跟蹤控制。和其他方式相比dtc結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在輸 出同頻率時(shí)元件開(kāi)關(guān)次數(shù)最少，開(kāi)關(guān)損耗低，因此在要求元件開(kāi)關(guān)頻率不太高的 大功率場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。dtc己成功地應(yīng)用于兆瓦級(jí)交流電氣傳動(dòng)機(jī)車(chē)上， 例如德國(guó)的大功率gto電力機(jī)車(chē)和siemens公司研制的樣車(chē)eurosprinter 等等。由于定子磁鏈?zhǔn)前凑樟呅诬壽E運(yùn)動(dòng)的，因而電壓、電流波形畸變比較大, 低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，在一定程度上限制了直接轉(zhuǎn)矩控制的應(yīng)

26、用。直接轉(zhuǎn)矩的另一種形式是由日木學(xué)者i.takahash提出的定了磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡近 似為圓型的控制方案。這種方法通過(guò)計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差，結(jié)合電機(jī)定子 磁鏈的空間位置來(lái)選擇相應(yīng)的開(kāi)關(guān)矢量。磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡近似為圓形，能在一定程 度上減少電壓、電流中的諧波成分，但控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜一些。直接傳矩控制方法的基本思路是把電機(jī)與逆變器看作一個(gè)整體，采用空間電 壓矢量分析方法在定子坐標(biāo)系上進(jìn)行磁鏈、轉(zhuǎn)矩計(jì)算，通過(guò)選擇逆變器不同的開(kāi) 關(guān)狀態(tài)直接對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。不同于矢量控制技術(shù)，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈 等量來(lái)問(wèn)接控制轉(zhuǎn)矩，而是直接以轉(zhuǎn)矩作為被控制量進(jìn)行控制。因此它并非要極 力獲得理想的正弦波波形，也不是專(zhuān)門(mén)

27、強(qiáng)調(diào)磁鏈的圓形軌跡。相反，從控制轉(zhuǎn)矩 角度出發(fā)，強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，采用離散的電壓狀念和六邊形磁鏈軌跡或 近似圓形磁鏈軌跡的概念。直接轉(zhuǎn)矩控制不需耍模仿直流電機(jī)的控制，也不需耍 為解禍而簡(jiǎn)化交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，它只是在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué) 模型，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。直接轉(zhuǎn)矩控制中磁場(chǎng)定向采用定了磁 鏈，定子磁鏈計(jì)算過(guò)程屮存在的電機(jī)參數(shù)只冇定子電阻，這是一個(gè)比較容易得到 的參數(shù)：而矢量控制磁場(chǎng)定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算需要知道電機(jī)轉(zhuǎn) 了電阻和電感，而得到這兩個(gè)參數(shù)比較復(fù)朵、困難。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)電機(jī) 參數(shù)的依賴(lài)與矢量控制相比要小很多，控制性能，受參數(shù)變化影響

28、也比較小。2.2.2理想逆變器的數(shù)學(xué)模型直接轉(zhuǎn)矩控制是把逆變器和電機(jī)作為一個(gè)整體來(lái)考慮的。通過(guò)控制異步電機(jī) 的輸入電壓來(lái)控制定了磁鏈，且異步電機(jī)的輸入電壓完全取決于逆變器的開(kāi)關(guān)切 換模式。在交流調(diào)速系統(tǒng)中，通過(guò)正確控制逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換，使電機(jī)氣隙 獲得一個(gè)近似圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。逆變器分為電壓型和電流型，由于直接轉(zhuǎn)矩控制需 耍用輸出電壓來(lái)控制定了磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，因此，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)選用電壓型 逆變器作為主電路，如圖23所示。電壓型逆變器由三個(gè)橋臂，六個(gè)開(kāi)關(guān)（§、s；、凡、久、g、s；）組成，其小開(kāi)關(guān)：、s；稱(chēng)為。相開(kāi)關(guān)，»、sb稱(chēng)為b相開(kāi)關(guān)，sc、s；稱(chēng)為c相開(kāi)關(guān)。由于逆變

29、 器采用雙極性調(diào)制，每相橋臂的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件呈互鎖關(guān)系，所以三組開(kāi)關(guān)冇8 種開(kāi)關(guān)組合狀態(tài)。如杲規(guī)定q、b、c三相輸出的某一相與“ + ”極接通時(shí)，該相 的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為“1”態(tài)，與負(fù)極接通時(shí)為“0”態(tài)，根據(jù)每一橋臂導(dǎo)通狀態(tài)的不同, 可以得到8個(gè)不同的電壓空間矢量，將開(kāi)關(guān)量從0到7排列，可得8種開(kāi)關(guān)狀態(tài) 表如表2-1 o表21逆變器的8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)表狀態(tài)5u2u3“4“5%u1sa00001111&00110011010101012.2.3空間電壓矢量與定子磁鏈的關(guān)系異步電動(dòng)機(jī)的三相定了繞組接成星形，在恒幅值變換的原則下，其輸出電壓 空間矢量/）的park矢量變換式為：根據(jù)式（221）可以計(jì)

30、算得到各開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量，如圖2-4所示。逆變器的6個(gè)工作電壓狀態(tài)得到了 6個(gè)不同方向的有效電壓空間矢量，它們的順 是叭仏"2 均如5,并依次沿逆時(shí)針?lè)较蛑芷谛缘男D(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為六邊 形，6個(gè)有效電壓空間矢量的幅值相等相位互差60°。其余兩個(gè)零電壓矢量“°、幻位 于六邊形的屮心。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的三相對(duì)稱(chēng)定子繞組由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，逆變器的輸 出電壓上）直接施加到異步電動(dòng)機(jī)的定了繞組上有：仏訂（mx （加 x（2-22）當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí)，可以忽略定子電阻壓降，則定子電壓與磁鏈的空間矢量關(guān)系口j為:圖24定子電圧空間矢最圖(2-23)2.2.4空間

31、電壓矢量與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系根據(jù)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可得到轉(zhuǎn)矩與磁鏈的表達(dá)式：廠=1幾|匕帆麗(2-24)式屮，人為電機(jī)的漏電感，幾=3/2, &是定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角。顯然 可得，界步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與定了磁鏈幅值、轉(zhuǎn)了磁鏈幅值有關(guān)以及和它們的夾角 有關(guān)。一般在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要保持定了磁鏈幅值不變，轉(zhuǎn)了磁鏈幅值由負(fù)載決 定，于是通過(guò)改變磁通角的大小來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小。直接轉(zhuǎn)矩控制就是通過(guò) 空間電壓矢量來(lái)控制定了磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，從而改變定、轉(zhuǎn)了z間的夾角來(lái)控制 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。2.3直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖25,直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)采用磁鏈和轉(zhuǎn)矩 閉環(huán)控制。通過(guò)對(duì)定了端電

32、流、電壓的采樣信號(hào)進(jìn)行3s/2s變換，再計(jì)算q 0靜 止處標(biāo)系下的網(wǎng)相電壓、電流，然后同速度反饋信號(hào)一起進(jìn)入轉(zhuǎn)矩觀測(cè)模型和磁 鏈觀測(cè)模型，得到磁鏈和轉(zhuǎn)炬的估計(jì)值幾、tf,在轉(zhuǎn)炬調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器屮與 轉(zhuǎn)矩和磁鏈給定值肖；、町進(jìn)行比較，得出系統(tǒng)的狀態(tài)信息，最后根據(jù)磁鏈扇形區(qū) 間判斷模塊的輸出信號(hào)，從開(kāi)關(guān)狀態(tài)表中選出適合的開(kāi)關(guān)狀態(tài)張動(dòng)逆變器，給電2. 3.1磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型磁鏈控制環(huán)節(jié)包括磁鏈觀測(cè)和磁鏈調(diào)節(jié)，保持定子磁鏈幅值恒定，實(shí)現(xiàn)電機(jī) 良好的動(dòng)態(tài)性能，并根據(jù)觀測(cè)器的磁鏈相位來(lái)判斷磁鏈?zhǔn)噶克诘纳葏^(qū)位置。由 定子電壓方程的磁鏈模型為：圖2-6泄子磁鏈觀測(cè)模型結(jié)構(gòu)槪圖(2-25)根據(jù)式（2-25

33、）可以得到磁鏈觀測(cè)模型如圖2-6,這樣的是ui模型。根據(jù)已給出的定子磁鏈與傳子磁鏈?zhǔn)噶糠e表達(dá)的電磁傳矩方程式，可以得到 電磁轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的數(shù)學(xué)模型為：(2-26)2. 3. 2磁鏈調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)屮，磁鏈調(diào)節(jié)就是對(duì)定子磁鏈幅值進(jìn)行兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)，由 磁鏈滯環(huán)比較器實(shí)現(xiàn)，也就是施密特觸發(fā)器。調(diào)節(jié)器的容差寬度為士,即定子磁 鏈幅值相對(duì)于給定值所允許的波動(dòng)范圍。磁鏈調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)是磁鏈給定值與 磁鏈反饋值z(mì)差，其輸出值為磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)。如圖27是磁鏈調(diào)節(jié)器的原理圖：圖2-7磁鏈調(diào)節(jié)器的原理圖其屮呎是磁鏈給定值，必是磁鏈反饋至，久是磁鏈給定值和反饋值的誤差值, 5、為誤差帶，0呦是磁鏈調(diào)節(jié)器的輸

34、出，根據(jù)原理圖可以得出磁鏈調(diào)節(jié)器的 輸岀：歹c > j % i ；（減小磁鏈）0c <0out =1 ；（減少磁鏈）2. 3. 3轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的作用就是實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。利用滯環(huán)比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了 減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，電磁轉(zhuǎn)短控制采用三點(diǎn)式調(diào)節(jié)，引入了零電壓矢量。交流電機(jī)轉(zhuǎn) 矩變換的轉(zhuǎn)速是一個(gè)積分環(huán)節(jié)，只受轉(zhuǎn)矩的影響，不受其他控制量的影響。因此 轉(zhuǎn)矩的控制是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的原理如圖2-8o如圖可知，其屮"是轉(zhuǎn)矩的給定值，7；是轉(zhuǎn)矩的反饋值，7；是給定值和反饋 值的誤并值。原理如卜te > %, 7；ul = 1 ；（增加電磁轉(zhuǎn)矩）te &

35、lt; -t, 7；ut =0；（減少電磁轉(zhuǎn)矩）圖2-8轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的原理圖2. 3. 4最優(yōu)開(kāi)關(guān)表如圖29,電壓空間矢量將平面劃分為6個(gè)扇區(qū)，6條虛線代表各個(gè)扇區(qū)間的 分界線，每個(gè)扇區(qū)包含一個(gè)非零電壓矢量，并口是該扇區(qū)的角平分線，稱(chēng)扇區(qū)主 矢量。圖2-9電壓空間欠量扇形區(qū)域根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出來(lái)選擇下一周期要施加的電壓矢量，實(shí)現(xiàn)電機(jī) 的直接轉(zhuǎn)矩控制，需要兼顧磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制。以2扇區(qū)為例來(lái)，在此區(qū)域中， %3、為正向力矩矢量，"1、為反向力矩矢量，而“4、是使磁鏈減小的矢量， 、聽(tīng)是使磁鏈增大的矢量。因此如果需要既增大磁鏈，同時(shí)乂需要正向力矩的話, 就應(yīng)該選擇電壓矢量均；如果增

36、大磁鏈，同時(shí)需要反向力矩的話，選擇血；如果 減小磁鏈，同時(shí)需要止向力矩的話，選擇妁；如果減小磁鏈，同時(shí)需要反向力矩 的話選擇綣。利用這樣的原理，在整個(gè)磁鏈角空間里列成一個(gè)定子向量表，來(lái)表 示在不同區(qū)域里所右情況下的電壓矢量選擇，在此區(qū)域中具休的選擇方法（鴨逆 時(shí)針運(yùn)動(dòng)）如表22所示：綜上可以把直接轉(zhuǎn)矩控制總結(jié)為：在控制系統(tǒng)中根據(jù)定子磁鏈的幅值以及電 磁轉(zhuǎn)矩的當(dāng)前值，分別與給定的磁鏈的幅值以及電磁轉(zhuǎn)矩的值進(jìn)行比較，給出止 確的磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)，從6個(gè)有效電壓矢量中選擇一個(gè)最佳的控制矢量，使電機(jī)運(yùn)行在期望最佳狀態(tài)。表22轉(zhuǎn)矩、磁鏈、扇形區(qū)間開(kāi)關(guān)控制表扇形區(qū)間位罠123456tout 0 out0

37、76;"5%uxu2w3u41況3“5%uxu21 ¥ %ux“2%3u4u51 u23u4%5"6u3基于tms320lf2407處理器的硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)針對(duì)本文提出的基于電壓矢量作用時(shí)間模糊控制的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控 制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出基于dsp的全數(shù)字化控制系統(tǒng)?？刂破饕詔i公司的dsp芯片 tms320lf2407為核心，功率驅(qū)動(dòng)電路采用智能功率模塊（ipm）。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖3-1所示，主要包括主電路、檢測(cè)電路、控制器與保護(hù)電路等幾個(gè)部分。主電 路結(jié)構(gòu)采用交直交電壓型模式，主要包括整流濾波模塊、逆變模塊和電源模塊， 并附以電流、電壓檢測(cè)電路等。整

38、流模塊采用三相不可控的整流橋。逆變部分采 用智能功率模塊（ipm）, ipm模塊內(nèi)部除了三相全橋igbt外，述內(nèi)置igbt驅(qū) 動(dòng)電路、故障檢測(cè)保護(hù)電路。由于ipm的使用，使得主電路結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化且可靠 性增強(qiáng)，大大方便了用戶的使用，當(dāng)負(fù)載發(fā)生異?；蛘呤褂貌划?dāng)而產(chǎn)生過(guò)壓、過(guò) 流、過(guò)熱等故障時(shí)，ipm會(huì)啟動(dòng)自我保護(hù)機(jī)制，關(guān)閉功率開(kāi)關(guān)器件，并輸岀報(bào)警 信號(hào)供控制器或相關(guān)保護(hù)電路處理。電源模塊采用單端反激式開(kāi)關(guān)電源，電流的 檢測(cè)采用霍爾電流傳感器，電壓的檢測(cè)釆用母線端跨接電阻分壓實(shí)現(xiàn)。電控制圖3-1基于dsp的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)總圖3.2主電路設(shè)計(jì)由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可知主電路(如圖32)由三相整流電路

39、、濾波電路、逆變電 路組成。被控電機(jī)參數(shù)為：a聯(lián)接、額定功率pn = 2.2kw .頻率/n=50hz、額定 電壓c/n =380v .額定電流/n=5a、額定轉(zhuǎn)速 =1420r/min、額定轉(zhuǎn)矩 tn =14.48nm。(1) 三相整流電路整流電路的主要作用是將電網(wǎng)的交流電整流后提供給逆變電路和控制電路。 采用二極管構(gòu)成的三相橋式不可控整流電路，故輸出電壓為脈動(dòng)的直流電壓。通過(guò)二極管的峰值電流即電機(jī)最大負(fù)載吋的峰值電流，為電機(jī)額定電流的5-6 倍，取im = 25a ,則二極管電流的有效值為i 1 q 加3°1厲冷云1滋宀葯人i44acd二極管額定電流為人=(1.5 2)£

40、; = 13.8a 18.4a(3-2)n1.57考慮到濾波電容充電電流影響，需留有較大電流余量，選用/n=25a。二極管額定電壓為un = (2 3)口“ =(2-3)v2x380 = 1200v(3-3)根據(jù)上式確定的電壓、電流以及市場(chǎng)供貨情況，選用富士二極管整流模塊 6ri30g-120即(最大平均電流為30a,二極管最大反向壓降為1200v)。(2) 濾波電路整流橋輸出直流電壓是脈動(dòng)的，其脈動(dòng)頻率為交流市電頻率的六倍。為了減 少直流脈動(dòng)，在整流橋的輸出端用大電容濾波，使電壓的大小基本保持不變。當(dāng)沒(méi)加濾波電容吋，整流環(huán)節(jié)的輸出平均直流電壓為%=亠卩線=513v(3-4)tc加上濾波電容后

41、，直流電壓的最大電壓可達(dá)到交流線電壓的峰值：嘰=屁線=537v(3-5)濾波電容越大越好，但考慮到成本等因素，故可選用4組每組兩個(gè) 820pf/450v電解電容串聯(lián)后再并聯(lián)，總耐壓值為900r，總電容量為1640嚇。主 回路工作時(shí)，由于功率器件的開(kāi)關(guān)頻率很高，開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)會(huì)在直流環(huán)節(jié)產(chǎn)生電流 突變，ipm的輸出側(cè)不可避免地冇雜散的電感存在，因此會(huì)在雜散電感兩端產(chǎn)生 電壓尖峰。為了減小電壓尖蜂的影響，避免疊加后的電壓超過(guò)igbt的耐壓值，在 ipm的輸入端接入了由無(wú)感電阻r3、無(wú)感電容c3和快恢復(fù)二極管d1等組成的吸 收電路，從而冇效抑制了 igbt開(kāi)關(guān)時(shí)的電壓尖峰，使開(kāi)關(guān)電壓波形更趨于平滑。 過(guò)

42、壓、欠壓保護(hù)是利用電阻分壓采集母線電壓，與規(guī)定值相比較；預(yù)充電電路是 由于開(kāi)啟主回路時(shí)，大電容充電而引起電流過(guò)大，這樣會(huì)損壞硅堆。在主回路上 串聯(lián)限流電阻r1,當(dāng)電容電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，啟動(dòng)繼電器把r1短路，主回路進(jìn) 入正常工作狀態(tài)，其中電容電壓的檢測(cè)用r7和r13分壓，分別控制繼電器k。(3) 逆變電路逆變環(huán)節(jié)的功率開(kāi)關(guān)管的選擇要考慮電機(jī)的額定功率和啟動(dòng)電流，以及流過(guò) igbt集電極的電流人為：ic =(15 2)人=(1.5 2)x72xx/n =15.9 21.2a(3-6)式屮，幾為電機(jī)的過(guò)載系數(shù)，一般取1.52。igbt正反向峰值電壓為：uc = (2 2.5)um = (2 2.5)

43、v2c/n = 1074 1342v(3-7)為了減少器件數(shù)目、提高可靠性、縮短開(kāi)發(fā)周期，本系統(tǒng)采用igbt的智能 功率模塊ipm (intelligent power module) ipm把功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成 在一起，而且還內(nèi)有欠電壓、過(guò)電流、短路等故障檢測(cè)電路，并可將故障信號(hào)送 到dsp作保護(hù)處理。ipm由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電路以及快速保 護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，ipm也可以自身不受損壞。ipm正 以其可靠性高、用戶使用方便的特點(diǎn)贏得越來(lái)越多的市場(chǎng)，尤其適合作驅(qū)動(dòng)電機(jī) 的變頻器，是一種理想的電力電子器件。ipm的優(yōu)點(diǎn)如下：(1) 使用方便：ipm內(nèi)置

44、相關(guān)外圍電路，可縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，加快產(chǎn)品上市；無(wú) 須采取防靜電措施；大大減少了外接元件數(shù)目，使得體積相應(yīng)小。(2) 低功耗，ipm內(nèi)部的igbt導(dǎo)通壓降低，開(kāi)關(guān)速度快，而月.采用了專(zhuān)門(mén)ic對(duì)門(mén)極進(jìn)行控制、保護(hù)，彳、需要考慮短路和開(kāi)關(guān)浪涌帶來(lái)的裕量問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了真 正的高性能化，故ipm功耗小。(3) 強(qiáng)大的保護(hù)功能，ipm中的每一個(gè)igbt單元都設(shè)有各門(mén)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路 和多種保護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)流、短路、過(guò)壓、控制電源欠壓等保護(hù)功能。只要保護(hù) 電路動(dòng)作，即使有控制信號(hào)輸入，ipm的輸入信號(hào)也被禁止。同時(shí)輸岀報(bào)警信號(hào)。 各種保護(hù)功能簡(jiǎn)單介紹如f：電源欠壓鎖定(uv)避免欠壓保護(hù)電路頻繁切換, 保證電路的

45、正常運(yùn)行。內(nèi)部控制電路有一個(gè)15v的直流電源供電，如呆電源電壓 低于規(guī)定的欠壓動(dòng)作數(shù)值(uv), igbt將被關(guān)斷并輸出一個(gè)故障信號(hào)。但是小毛刺 的干擾(低電壓時(shí)間低于規(guī)定的幾)時(shí)欠壓電路保護(hù)電路不動(dòng)作；過(guò)流保護(hù)(oc)- 避免浪涌電壓過(guò)高或者過(guò)流，由于對(duì)每個(gè)igbt的集電極電流進(jìn)行檢測(cè)，所以 無(wú)論哪個(gè)igbt發(fā)生異常都可有效的保護(hù)ipm；短路保護(hù)(sc)如果負(fù)載發(fā)生 短路或系統(tǒng)控制器故障而導(dǎo)致了上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，ipm內(nèi)置短路保護(hù)電路將關(guān) 斷igbt,當(dāng)流經(jīng)igbt的電流超出電流短路動(dòng)作數(shù)值時(shí)，軟關(guān)斷將立即啟動(dòng)，并 輸出一個(gè)故障信號(hào)foo所有故障信號(hào)相與后經(jīng)過(guò)光耦隔離，生成一個(gè)低有效的故 障

46、信號(hào)，送給dsp的外部中斷引腳pdfintx ,通過(guò)它來(lái)封鎖輸出pwm脈沖。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，逆變器采用三菱的ipm模塊，型號(hào)為pm25rsb120,容量為25a、 1200v,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖33所示，由該圖可以看出，pm25rsb120里面封裝了六 只igbt及其驅(qū)動(dòng)電路，該模塊需要四組獨(dú)立的電源供電，其中上橋臂三路各采 用一組獨(dú)立電源，下橋臂三路驅(qū)動(dòng)電路共用一組電源。-o 8 z u. >-5s os o8> 500丄 -szdzo cjno圖3-3 pm25rsb120結(jié)構(gòu)原理圖(4) 能耗制動(dòng)。由于二極管整流器不能為異步電機(jī)的再生制動(dòng)提供反向電流的 通路，所以用電阻（圖34屮

47、的rb）吸收制動(dòng)能量。異步電機(jī)在減速制動(dòng)時(shí)進(jìn)入 發(fā)電機(jī)狀態(tài)，首先通過(guò)逆變器的續(xù)流二極管向電容充電，當(dāng)中間直流回路的電壓 升高到一定限制值時(shí)，使igbtq7導(dǎo)通，從而將電動(dòng)機(jī)釋放出來(lái)的動(dòng)能消耗在制 動(dòng)電阻rb ±0圖3-4是制動(dòng)電路原理圖，由制動(dòng)電阻和一只igbt串聯(lián)連接組 成制動(dòng)單元，然后并聯(lián)在直流回路。其中igbt選用三菱的igbt模塊，制動(dòng)電 阻的大小根據(jù)參考文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)方法選取。工作原理如下：*dsp檢測(cè)母線端電 壓，當(dāng)此電壓高于正常直流電壓的1.15倍時(shí)，即由dsp的i/o 口發(fā)出控制信號(hào), 該控制信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離驅(qū)動(dòng)q7,使其導(dǎo)通，這樣使電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能消耗在制動(dòng)電 阻rb上。

48、圖3-4制動(dòng)電路原理圖3.3控制電路設(shè)計(jì)以dsp為核心的控制電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它的功能是實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的伺 服控制、監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)等。dsp控制板以運(yùn)算能力高達(dá)40mips的dsp 芯片tms320lf2407為核心，包括電源、時(shí)鐘和復(fù)位電路以及jtag仿真接口， 還包插6路pwm控制輸岀、電平轉(zhuǎn)換電路、電流檢測(cè)和電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)調(diào)理 電路。3. 3. 1 dsptms320lf2407數(shù)字信號(hào)處理器介紹tms320lf2407芯片是美國(guó)ti公司生產(chǎn)的16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器,它采用 先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有獨(dú)立的總線結(jié)構(gòu)，提高了它的處理 能力，主要特性如下：（1）由

49、于采用了高性能的靜態(tài)cmos制造技術(shù)，因此該dsp具有低功耗和高速 度的特點(diǎn)。工作電壓3.3v,冇4種低功耗工作方式。單指令周期最短為25ns(40mhz), 最高運(yùn)算速度可達(dá)40mips,四級(jí)指令執(zhí)行流水線。低功耗有利于電池供電的應(yīng)用 場(chǎng)合，而高速度非常適用于電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制。(2) 由于采用了 tms320c2xxdsp cpu的內(nèi)核，因此保證了與tms320c24x系 列dsp的代碼兼容性。(3) 片內(nèi)集成了 32k字的flash程序存儲(chǔ)器、2k字的單口 ram、544字的雙口 ram。因而使該芯片可用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)?？删幊痰拿艽a保護(hù)能夠充分地維護(hù)用戶的 知識(shí)產(chǎn)權(quán)。(4) 提供外擴(kuò)展64k字

50、程序存儲(chǔ)器、64k字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器、64k字i/o的能力。(5) 兩個(gè)專(zhuān)用于電動(dòng)機(jī)控制的事件管理器(ev),每一個(gè)都包含：2個(gè)16位脈 寬調(diào)制(pwm)輸岀通道；1個(gè)能夠快速封鎖輸出的外部引腳pdpintx (其狀態(tài) 可從comconx寄存器獲得)；可防止上下橋臂直通的可編程死區(qū)功能；3個(gè)捕捉 單兀；1個(gè)增量式光電位置編碼器接口。(6) 可編程看門(mén)狗定時(shí)器，保證程序運(yùn)行的安全性。(7) 16通道10位a/d轉(zhuǎn)換器，貝有可編程門(mén)動(dòng)排序功能，4個(gè)啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換 的觸發(fā)器，最快a/d轉(zhuǎn)換時(shí)間為375nso(8) 控制器局域網(wǎng)(can) 2.0b模塊。串行接口 spi和sci模塊?；阪i相環(huán) 的時(shí)鐘發(fā)生器

51、(pll)o 41個(gè)通用i/o引腳。32為累加器和32為中央算術(shù)邏輯單 元(calu)； 16位x 16位并行乘法器，可實(shí)現(xiàn)單指令周期的乘法運(yùn)算；5個(gè)外部 中斷。ieee標(biāo)準(zhǔn)的jtag仿真接口。3.3.2電源模塊(1)如圖3-5中的js159-15為開(kāi)關(guān)電源模塊。js159j5開(kāi)關(guān)電源模塊的輸入直 流電壓:170-700v；額定功率：60wo共冇七路獨(dú)立輸出，其額定輸出電流分別 為+5v： 1a (與±15 共地);24v： 2a； ±15v：每路200ma (5v電流調(diào)整為1a時(shí));15vx3:每路150ma (5v電流調(diào)整為1a時(shí))；15vxl： 300ma (5v電流

52、調(diào)整為1a時(shí))。管腳如下：v1+, v1g： 15v (ipm 下三橋共用驅(qū)動(dòng)電源 1)； v2+, v2g： 15v (ipm ±橋獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源2）； v3+, v3g： 15v （ipm±橋獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源3）； v4+, v4g： 15v （ipm±橋獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源4）。p表示輸入直流電源止極，n表示輸入直流電源地（負(fù)），范圍直流170-700vo +5v：通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換為dsp供電gnd： +5v地，與±15v共地，與控制板電源共地。15g： ±15v地，與5v共地。+ 15： +15v,輸出至運(yùn)放電路，電流傳感器，霍爾編碼器等，為避免毛刺，需

53、 耍相應(yīng)濾波和去耦。-15：15v,同上。24g： 24v 地。+24： +24v,當(dāng)反饋電壓5v為1a時(shí)，輸出電流最高2a,可作為繼電器或 風(fēng)扇電源。tps7333gndresetensenseinoutinoutu16876510ufresetr39+3.3vc3c33o.olufvi +v1gv2+v2gv3+v3gv4+v4gpv1+nv1gvdcv2+24v+v2g24vgv3+15vv3g-15vv4+5vv4ggp n vdc 24v+ 24vg + 15v -15v +5v gjs159-15圖3-5電源模塊（2）電壓轉(zhuǎn)換。采用ti公司的電源轉(zhuǎn)換芯片tps7333將5v電壓轉(zhuǎn)換

54、為3.3v 為tms320lf2407 dsp供電。tps7333是微功耗低壓差穩(wěn)壓器，具有延遲微處理 器復(fù)位功能，其輸出電流可以達(dá)到500ma,且接口電路卄常簡(jiǎn)單，只需接上必要 的外圍電阻，就可以實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換。in端是電壓輸入端，輸入電壓為5v, out端 是電壓輸出端，在25°c時(shí)的典型值是3.3v。頤為使能端，甌et為欠壓低電平 輸出端，如杲由于負(fù)載的ii舜變或其它情況致使out的輸出出現(xiàn)欠壓，則甌et輸 出低電平，該信號(hào)輸入給系統(tǒng)復(fù)位電路。3.3.3時(shí)鐘電路tms320lf2407 dsp使用嵌入到cpu內(nèi)核的鎖相環(huán)（pll）,從一個(gè)較低頻 率的外部時(shí)鐘合成片內(nèi)的時(shí)創(chuàng)鎖相環(huán)的

55、倍頻可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)使用一 個(gè)有源20mhz的晶體振蕩器，連接到xtal1/clkin和xtal2引腳，如圖3-6所 示。pll模塊使用外部濾波器電路回路來(lái)抑制信號(hào)抖動(dòng)和電磁干擾，濾波器電路 回路連接到dsp芯片的pllf和pllf2引腳。c18c20pllfpllf222pf二y1 対 al1c1920m xtal2122pf3.3nf150nfc21r3524圖36時(shí)鐘電路3. 3.4 pwm信號(hào)電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)電路出于控制板中tms320lf2407的i/o 口的基準(zhǔn)電壓是3.3v,那么dsp輸出的 6路pwm也是+3.3v的，而驅(qū)動(dòng)板中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離電路即光耦hcpl4504工

56、 作電壓是+5v。如圖3-7所示，若dsp過(guò)來(lái)的pwm信號(hào)為低電平，那么光耦導(dǎo)通, 從而相應(yīng)的igbt也導(dǎo)通；但是如果pwm信號(hào)為高電平+3.3v,前向電流 /f =（53.3）一330 = 551ma,就有可能使光耦導(dǎo)通，從而發(fā)生igbt誤導(dǎo)通的事 故，損壞ipmo所以dsp輸出的6路pwm信號(hào)必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后再輸入光耦。 +3.3v屯平到+5v電平單向轉(zhuǎn)換可以使用芯片74hc245實(shí)現(xiàn)。+5330 hcpl4504圖3-7 pwm控制電路圖3-8 dsp輸出的六路pwm波形與光耦z間的電平轉(zhuǎn)換電路，74hc245的 oe端接低電平使能輸出，dir端接低電平，使信號(hào)從a端輸入b端輸岀o74hc2