【正文】 基于DSP的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的研究摘 要本文首先論述了直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，針對(duì)傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制采用BandBand磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制器而導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較慢和脈動(dòng)較大的缺點(diǎn)，提出了一種模糊控制器，根據(jù)一套基于專家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的模糊規(guī)則，應(yīng)用模糊邏輯推理來(lái)確定逆變器的開關(guān)狀態(tài)。論文以TMS320LF2407A芯片為核心控制器件，組建了一個(gè)全數(shù)字化的模糊直接轉(zhuǎn)矩控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，軟件部分采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程的設(shè)計(jì)方法，既保證了控制程序算法的運(yùn)算速度，又為從軟件方面著手改善系統(tǒng)性能提供了可能性。利用Matlab/Simulink工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，結(jié)果表明在直接轉(zhuǎn)矩控制中應(yīng)用模糊控制技術(shù)，提高了電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能以及抗參數(shù)變化的能力，在實(shí)際的電機(jī)控制系統(tǒng)中，具有良好的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制，模糊控制，TMS320LF2407A，系統(tǒng)仿真AbstractThe thesis first explains the basic running principle of Direct Torque Control (DTC).Considering the slow torque response and the large torque ripple of ordinary DTC, a fuzzy controller is proposed to substitute the classic BandBand flux and torque controller, which adopts fuzzy logic to choose the switching states according to a set of fuzzy rules based on both specialists’ experience and knowledge. This thesis builds a digital fuzzy logic DTC experimental system based on TMS320LA2407A chip. The software system is developed through C programming and Assemble Language, which can not only ensure the arithmetic efficiency but also offer the possibility of improving the performance of system by modifying software. This paper contributes the emulational model via Simulink module of Matlab software, the results show that applying fuzzy control in DTC, can improve the dynamic performance of controlling system and the capacity of resisting change in parameters. In the actual motor control system, this method is a promising AC drive scheme.Keywords：direct torque control, fuzzy logic control, TMS320LF2407A, system simulation64目 錄1 緒論 1 引言 1 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題 2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的特點(diǎn) 2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)存在的問(wèn)題 3 直接轉(zhuǎn)矩控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 3 論文的主要工作及研究的意義 52 直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論 7 異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 7 直接轉(zhuǎn)矩控制理論 9 異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈觀測(cè)模型 9 空間矢量PWM逆變器 10 磁鏈和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制原理 13 磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制性能分析 15 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制算法的實(shí)現(xiàn) 18 轉(zhuǎn)矩偏差的確定 18 磁鏈偏差的確定 18 開關(guān)表的確定 183 基于模糊控制器的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 22 模糊控制理論簡(jiǎn)介 22 模糊控制的基本原理 22 模糊控制器設(shè)計(jì)的基本方法 23 直接轉(zhuǎn)矩控制的模糊控制方法 26 模糊子集的選取 27 模糊控制規(guī)則的建立 28 模糊推理及模糊決策 29 模糊控制的實(shí)現(xiàn) 30 模糊量的離散化 30 模糊控制表的計(jì)算 314 模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真研究 34 MATLAB及SIMULINK 簡(jiǎn)介 34 仿真系統(tǒng)的組成 34 模糊控制器 34 轉(zhuǎn)矩、磁鏈和磁鏈角的計(jì)算 36 逆變器模型 37 電機(jī)模型 38 S函數(shù)的設(shè)計(jì) 38 系統(tǒng)仿真模型圖 40 仿真結(jié)果分析 415 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 45 控制用芯片TMS320LF2407A簡(jiǎn)介 45 硬件整體設(shè)計(jì)概述 47 功率電路設(shè)計(jì) 47 控制電路設(shè)計(jì) 48 電流檢測(cè)電路及AD輸入電平匹配電路 49 母線電壓檢測(cè) 50 速度檢測(cè) 51 PWM輸出 51 串行通訊接口(SCI) 52 顯示電路 526 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 54 DSP軟件設(shè)計(jì)介紹 54 C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程的實(shí)現(xiàn)方法 54 集成開發(fā)環(huán)境CCS簡(jiǎn)介 55 軟件設(shè)計(jì)整體概述 56 主程序設(shè)計(jì) 56 DSP初始化設(shè)計(jì) 57 串行通信(SCI)模塊程序設(shè)計(jì) 59 顯示模塊程序設(shè)計(jì) 59 PWM中斷服務(wù)程序模塊 60 功率模塊保護(hù)中斷服務(wù)程序 61 速度檢測(cè)程序 62結(jié)論與展望 63致 謝 65參考文獻(xiàn) 65論文 1 緒論 引言電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用的各個(gè)領(lǐng)域。這其中，交流電動(dòng)機(jī)，特別是三相異步電動(dòng)機(jī)，由于克服了直流電動(dòng)機(jī)造價(jià)偏高、維護(hù)困難、壽命短、單機(jī)容量和最高電壓受一定限制等缺點(diǎn)，自然成為生產(chǎn)中應(yīng)用最多的電動(dòng)機(jī)。隨著現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步，特別是電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)和自動(dòng)控制理論的發(fā)展，電機(jī)控制技術(shù)已不再是傳統(tǒng)的“電動(dòng)機(jī)控制”或“電氣傳動(dòng)”,而是在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步融合了“運(yùn)動(dòng)控制”[1]的概念，要求精確地實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的位置控制、速度控制、加速度控制以及轉(zhuǎn)矩的控制。三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、時(shí)變、強(qiáng)耦合的被控對(duì)象，同時(shí)電機(jī)的一些參數(shù)在不同運(yùn)行工況中會(huì)發(fā)生變化，所以其模型非常復(fù)雜。現(xiàn)代電機(jī)理論的發(fā)展促進(jìn)了人們對(duì)于電機(jī)內(nèi)部各變量關(guān)系的研究與分析，以Park等為代表的學(xué)者以坐標(biāo)變換為基礎(chǔ)，提出了電機(jī)統(tǒng)一理論，在一定條件下，得到了三相感應(yīng)電機(jī)在二相坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型，并且經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，得到解耦的數(shù)學(xué)模型。1968年Darmstader工科大學(xué)的Hasse博士初步提出了磁場(chǎng)定向控制(Field Orientation)理論，也稱為矢量控制，逐步形成了現(xiàn)在的各種矢量控制方案。其原理是用矢量變換的方法研究電機(jī)的動(dòng)態(tài)控制過(guò)程，不但控制各變量的幅值，同時(shí)控制其相位，并利用狀態(tài)重構(gòu)和估計(jì)的現(xiàn)代控制概念，巧妙實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的重構(gòu)及解耦控制，從而促進(jìn)了交流電機(jī)控制系統(tǒng)走向?qū)嵱没?。但是矢量控制需要以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)來(lái)定向進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，所以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算量大，并且對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)的依賴性較大，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻或轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，其控制就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的問(wèn)題，因而需要加上對(duì)轉(zhuǎn)子參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)的環(huán)節(jié)，這無(wú)疑又加大了控制的復(fù)雜程度。在研究矢量控制技術(shù)的同時(shí)，各國(guó)學(xué)者并未放棄其他控制方法的研究。它們相繼提出了一些新的控制方法[2]，如直接轉(zhuǎn)矩控制，電壓定向控制和定子磁場(chǎng)定向控制等，其中直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control, DTC)技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速以及對(duì)參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)引起廣泛關(guān)注。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)單地通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，通過(guò)直接控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，使轉(zhuǎn)矩和磁鏈偏差限制在預(yù)定的容差范圍內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。目前高性能的交流調(diào)速控制技術(shù)主要是指矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種控制方式。這兩種控制技術(shù)正在成為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并且基于這兩種技術(shù)的交流傳動(dòng)變頻器已經(jīng)在工業(yè)上成為現(xiàn)實(shí)[3]。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的特點(diǎn)及存在的問(wèn)題 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制相對(duì)于其它控制方法具有以下特點(diǎn)[4]：1. 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈。它既不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變化等復(fù)雜的變換計(jì)算。因此，它所需要的信號(hào)處理工作特別簡(jiǎn)單，所用的控制信號(hào)使觀察者對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)的物理過(guò)程作出直接和明確的判斷。2. 直接轉(zhuǎn)矩控制磁場(chǎng)定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它檢測(cè)出來(lái)。而矢量控制的磁場(chǎng)定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和電感。因此直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)影響的問(wèn)題。3. 直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來(lái)分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制其各物理量，使問(wèn)題簡(jiǎn)單明了。4. 直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，它包含有兩層意思：直接控制轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接控制轉(zhuǎn)矩與著名的矢量控制的方法不同，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，直接控制轉(zhuǎn)矩。因此它并非極力獲得理想的正弦波波形，也不專門強(qiáng)調(diào)磁鏈的圓形軌跡。相反，從控制轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)，它強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，因而它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。而對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制是指利用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩實(shí)行直接控制。其控制方式是，通過(guò)轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器或三值調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定值作帶滯環(huán)的比較，把轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)。因此它的控制效果不取決于電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡(jiǎn)化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際情況，控制既直接又簡(jiǎn)化。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)存在的問(wèn)題盡管直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及對(duì)參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制存在下面一些問(wèn)題[5]：1. 低速性能差低速性能差是一個(gè)綜合問(wèn)題，它包括低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題，磁鏈觀測(cè)問(wèn)題，定子電阻補(bǔ)償問(wèn)題，低速下噪聲大的問(wèn)題。比如，在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁鏈觀測(cè)是由ui模型得到的，在低速時(shí)，由于存在定子阻抗壓降，會(huì)造成定子磁鏈觀測(cè)不準(zhǔn)確，使低速性能變差。2. 電流和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大電流和轉(zhuǎn)矩是直接相關(guān)的，對(duì)于傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制來(lái)說(shuō)，無(wú)論低速還是高速，都存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大的問(wèn)題。3. 開關(guān)頻率不固定在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制中，逆變器的開關(guān)頻率會(huì)隨電機(jī)轉(zhuǎn)速以及磁鏈和轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)大小而變化。 直接轉(zhuǎn)矩控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展十多年來(lái)，直接轉(zhuǎn)矩控制不斷得到完善和發(fā)展，許多文章從不同的角度提出新的見解和方法，特別是隨著各種智能控制理論的引入，又涌現(xiàn)了許多基于模糊控制理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，控制性能得到了進(jìn)一步的改善和提高。該技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用在鐵路牽引大功率的交流傳動(dòng)上。但是，由于直接轉(zhuǎn)矩控制還是一門發(fā)展中的技術(shù)，仍有許多不完善的地方。當(dāng)前，德國(guó)、日本、美國(guó)等國(guó)都投入了大量的人力、物力和資金開發(fā)和發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)。研究現(xiàn)狀可以從以下幾個(gè)方面加以闡述[6]。1. 開關(guān)模式表的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)一般對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁通采用單滯環(huán)控制，根據(jù)各滯環(huán)的輸出結(jié)果來(lái)確定電壓矢量。顯然，轉(zhuǎn)矩、磁通的偏差區(qū)分得越細(xì)，電壓矢量的選擇就越精確，控制性能也就能得到改善。用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)DTC系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和磁通調(diào)節(jié)時(shí)，觸發(fā)器的容差大小將直接影響系統(tǒng)的性能，而容差本身又是個(gè)模糊量，難于控制。因此可以引入智能控制技術(shù)，設(shè)計(jì)智能開關(guān)狀態(tài)選擇器。2. 逆變器的設(shè)計(jì)對(duì)異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的空間電壓矢量PWM而言，目前使用較多的是兩電平電路。它是根據(jù)給定電壓矢量的位置和大小，利用有限的8個(gè)空間電壓矢量，調(diào)整其作用時(shí)間，使之能在一個(gè)采樣周期內(nèi)的平均效果和給定矢量等效。原理與兩電平電路類似，但三電平電路的矢量數(shù)為27，遠(yuǎn)大于兩電平的矢量數(shù)8，因此矢量選擇范圍大，能更好地通近正弦磁通，控制電機(jī)獲得更好的性能。同時(shí)，因每條橋臂由兩個(gè)管子承受電壓，系統(tǒng)容量變大，可靠性提高，損耗減少。但另一方面，矢量的選擇也有一定的限制，除了要考慮中點(diǎn)電壓平衡的問(wèn)題，還不能使相電平及線電平跳變超過(guò)直流母線電壓的一半。3. 低速性能的改善傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)中，定子磁鏈一般采用UI模型[7]：Ψs為定子磁鏈，Us、Is分別為定子電壓、電流瞬時(shí)空間矢量，Rs為定子電阻。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行當(dāng)中，高速時(shí)，若忽略定子電阻Rs,控制結(jié)果仍具有很高的精度；但速度越低，定子電壓降落于定子電阻上的分量會(huì)越來(lái)越大。此時(shí)，若忽略Rs或認(rèn)為它是常數(shù)，磁鏈幅角、幅值與真實(shí)值偏差會(huì)越來(lái)越大，這是因?yàn)榇沛湹墓浪銥殚_環(huán)積分型，一旦有誤差，則無(wú)法衰減，只能依次疊加，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。因此，如何準(zhǔn)確檢測(cè)Rs的實(shí)時(shí)變化，一直是改善系統(tǒng)低速性能的首要間題。近年來(lái)，人們?cè)O(shè)計(jì)了多種定子電阻觀測(cè)器來(lái)解決之。4. 無(wú)速度傳感器DTC系統(tǒng)的研究為提高系統(tǒng)的控制性能，應(yīng)采用速度閉環(huán)控制，因此需要檢測(cè)感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電數(shù)字脈沖編碼器。這些速度傳感器的安裝不僅增加了設(shè)備的硬件投資，而且還存在著安裝與維護(hù)困難的缺點(diǎn)；同時(shí)機(jī)械上的誤差還將影響檢測(cè)精度與控制性能，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性下降；此外速度傳感器不適用于潮濕、粉塵等惡