2023年异步电机直接转矩控制策略研究.doc

河南理工大学毕业设计〔论文〕说明书 摘 要 继矢量控制策略之后，直接转矩控制策略是又一种高性能交流变频调速策略。然而，传统的直接转矩控制策略在转矩脉动和磁链轨迹方面存在许多缺乏，影响其开展和应用。针对传统的直接转矩控制策略存在转矩和磁链脉动较大，电流谐波较大，开关频率不固定等问题，本设计是在异步电动机数学模型和直接转矩控制策略理论分析的根底上，利用空间矢量脉宽调制的直接转矩控制策略，使系统性能得到有效提高。最后，以数字信号处理器TMS320LF2407 为控制核心、异步电动机为控制对象，分别设计了直接转矩控制控制系统的硬件局部和软件局部。硬件局部包括整流电路、逆变电路、控制电路。整流电路通过整流桥6RI30G120 把三相交流转变为直流；逆变电路由智能功率模块〔IPM〕PM25RSB120 组成；控制电路由TMS320LF2407 构成电压、电流采样电路和转速检测电路，以及实现异步电动机的直接转矩控制。 关键字:异步电动机； 直接转矩控制； 空间矢量脉宽调制技术； 数字信号处理器 36 ABSRACT Following the vector control strategy, direct torque control strategy is a high-performance AC frequency control strategy. However, the conventional direct torque 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 stator 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 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 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 motor. Keywords: asynchronous motor; direct torque control; space vector modulation; digital signal processor 目 录 1 引言 1 1.1 交流调速技术的开展与现状 1 1.2 直接转矩控制技术的开展与现状 2 1.3 本课题研究的内容 3 2 异步电机直接转矩控制系统设计 4 2.1 异步电动机的数学模型 4 2.1.1 异步电动机的三相数学模型 4 2.1.2 坐标变换 6 2.1.3 异步电机在静止两相正交坐标系中的动态模型 7 2.2 直接转矩控制原理根本理论 8 2.2.1 直接转矩控制的根本思想 8 2.2.2 理想逆变器的数学模型 9 2.2.3 空间电压矢量与定子磁链的关系 10 2.2.4 空间电压矢量与电磁转矩的关系 11 2.3 直接转矩控制的系统设计 11 2.3.1 磁链模型和转矩模型 12 2.3.2 磁链调节器设计 13 2.3.3 转矩调节器设计 13 2.3.4 最优开关表 14 3 基于TMS320LF2407处理器的硬件设计 16 3.1 系统总结构 16 3.2 主电路设计 17 3.3 控制电路设计 20 3.3.1 DSPTMS320LF2407数字信号处理器介绍 20 3.3.2 电源模块 21 3.3.3 时钟电路 23 3.3.4 PWM信号电平转换和驱动电路 23 3.3.5 JTAG 接口电路 24 3.3.6 电压电流检测调理电路 25 3.3.7 转速信号检测 26 4 系统软件设计 29 4.1 主程序 29 4.2 电机转速测量模块 30 4.3 速度PI 调节模块 31 4.4 定子磁链和转矩计算模块 32 4.5 电压空间矢量PWM波的产生 32 5 总结与展望 34 参考文献 35 致谢 36 1 引言 1.1 交流调速技术的开展与现状 直流电气传动和交流电气传动于19世纪先后诞生，然而，在20世纪的绝大多数时期内，鉴于直流传动的优良控制特性，一般在高性能的调速的传动一般采用直流调速。自从20世纪70年代以来，随着电力电子技术和控制理论的开展，交流电动机的控制技术取得了突破性的成果，高性能的异步电动机调速系统得以广泛的推广应用。由于交流电机是强耦和，多变量的非线性系统。相对于直流电机，实现良好的转矩控制是非常困难的。 交流电机的高性能调速方法一般是变频调速。它不但能实现无级调速，并且随着负载的特性不同，通过适当调节电压、频率的关系，可使电机始终高效运行以及获得良好的动态特性，比方低起动电流、高起动转矩。交流调速控制技术的开展经历了电压和频率协调控制、速度闭环转差率控制到矢量控制、直接转矩控制，控制理论的开展使调速系统性能不断提高。电压-频率协调控制是指调速时在基频以下使电压幅值与频率的比值保持恒定，实现恒转矩调速运行；在基频以上调速时，输出电压维持在额定值，使磁通与频率成反比减少，实现弱磁恒功率调速运行。其调速系统结构简单，只能满足一般的调速要求不高的场合。转速闭环转差率调速采用转速闭环控制，给定转速和检测的转速偏差经PI 调节器得到转差率。转速闭环反响，转差频率控制是基于异步电动机稳态数学模型，动态时磁通不恒定，因此将影响系统实际动态性能。 20世纪70年代西门子工程师F.Blashcke首先提出异步电机矢量控制，用于解决交流电机转矩控制问题，其主要思路是基于坐标变换把三相系统简化为两相系统，再按转子磁场定向的同步旋转变换，实现定子励磁分量和转矩分量之间解耦，从而实现交流电机的磁链和转矩分别控制，并且获得与直流调速系统相似的动、静态特性。 20世纪80年代，德国Depenbrock教授于提出直接转矩控制，其思想是把电机和逆变器作为一个整体，使用空间电压矢量分析方法，在定子坐标系进行磁链、转矩的计算，通过磁链跟踪型PWM逆变器的开关状态直接进行转矩控制。此控制系统不需要对定子电流进行解耦，无需矢量变换的复杂计算，并且结构简单。随着电力电子技术、微处理器以及现代控制理论的开展，交流电机控制技术的开展会日新月异，新型的控制策略正在不断涌现，必将进一步推动交流调速的开展。 1.2 直接转矩控制技术的开展与现状 直接转矩控制〔Direct Torque Control，DTC〕是继矢量控制技术之后又一种新型的高效变频调速技术。直接转矩控制技术在定子坐标系下计算电动机的转矩和磁链，采用双位式控制器，并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产生输出电压，省去了旋转变换和电流控制，简化控制器的结构。其次，选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模型可以不受转子变化的影响，提高了系统的鲁棒性。再次由于采用了直接转矩控制，在加减速和负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应是有限的。但是，直接转矩控制系统也有其缺乏之处，由于采用双位式控制，实际转矩必然在上下内脉动，此外，磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。以上两个问题的影响在低速时都比拟显著，因而系统的调速范围受到限制。因此抑制转矩的脉动、提上下速性能便成为改良原始的直接转矩控制系统的主要方向，例如对磁链偏差和转矩偏差实行细化，使磁链轨迹接近圆形，减少转矩脉动。 从目前的研究现状可以看出，直接转矩控制技术的开展趋势主要有以下几个方面： (1)现代控制技术的应用：现代控制理论中各种控制方案的应用提高了系统的动态性能和鲁棒性。功能强大的数字处理芯片(DSP)的推出，使许多以前无法实现的方法得以应用到实际控制系统中，如自适应控制、变结构控制、模糊神经网络控制、神经网络控制、非线性控制等都能通过DSP来实现。 (2)全数字化的控制：直接转矩控制结构简单，特别适合于全数字实现。然而，系统对于处理的实时性、快速性要求高，DSP能满足这种需求，它具有高速信号处理和数字控制的功能，同时能故障监视、诊断和保护，确保了系统的实时性和可靠性。 (3)无速度传感器的控制系统：在现代高性能交流调速系统中，速度闭环控制是必不可少的，因此速度传感器的安装也是必不可缺的。由于速度传感器的安装，系统的本钱增加、稳定性和可靠性降低，易受工作环境影响，因此无速度传感器的控制系统研究成为当前交流传动热门研究方向之一。目前的无速度传感器控制技术的调速范围较小、动态性能差以及无法满足高性能交流调速控制系统的需要等。无速度传感器控制技术采用检测到的电机电压、电流以及电机的数学模型观测出电机转速，无需改造电机、省去速度传感器、降低维护费用和降低恶劣环境影响的优点。提高转速的观测精度和动态响应速度，增强对电机参数变化的鲁棒性和增加速范围是今后的主要研究方向。 (4)同步电机的控制：直接转矩控制技术主要的应用于异步电机，现在人们开始将它用于永磁同步电机中。目前国内对直接转矩控制的研究仍十分活泼，主要体现在电机参数辩识，定子磁链准确观测，无速度传感器的直接转矩技术的研究，以及抑制低速区转矩脉动和提高转速调节特性等方面的研究。 1.3 本课题研究的内容 本课题首先对异步电动机直接转矩控制系统的工作原理进行详细分析，设计了空间矢量脉宽调制的异步电机直接转矩控制策略。主要完成以下工作： (1)在分析异步电动机数学模型、逆变器数学模型的根底上，深入研究异步电动机直接转矩控制系统的根本原理和结构。 (2)在分析磁链模型和转矩模型的根底上，设计了磁链调节器和转矩调节器。 (3)设计了基于空间矢量脉宽调制的直接转矩控制策略，从而提高控制系统性能。 (4)采用TMS320LF2407(DSP) 构造全