【正文】 該控制方案結(jié)構(gòu)簡單，通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，根據(jù)電機(jī)參數(shù)，設(shè)定 V/F 曲線，其可靠性高。若開發(fā)高性能專用變頻控制系統(tǒng)，此種控制方式不能滿足系統(tǒng)要求 [4]。轉(zhuǎn)速精度約等于 %，轉(zhuǎn)速響應(yīng)也較快。將直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制進(jìn)行對(duì)比，單從原理上分析，直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制 沒有太大的區(qū)別。智能控制就隨之產(chǎn)生。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)。該模型對(duì)異步電機(jī)作如下的幾個(gè)基本假設(shè)： ，不計(jì)磁飽和的影響。 4 ABCabcAiuaiuiBbibuCi Cu cicu 圖 1 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下異步電動(dòng)機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系上的多變量數(shù)學(xué)模型 電壓方程 定子三相繞組的電壓平衡方程為： 111dAU i RAA dtdBU i RBB dtdCU i RCC dt???????????????? ???? 21 轉(zhuǎn)子三相繞組折算到定子側(cè)的 電壓平衡方程為： 222daU i Raa dtdbU i Rbb dtdcU i Rcc dt???????????????? ???? 22 把上面兩個(gè)式子寫成矩陣形式，并用 p 代替微分算子得到： 0000010 0 0 0 010 0 0 0 010 0 0 0 020 0 0 0 02000002UiRA A ARB B BUiRC C CpRa a aU R ib b bRUic c c??????? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? 23 5 向量表示為： u Ri p??? 式中 UUUA B C、 、 為三相定子電壓； U U Uabc、 、 為三相轉(zhuǎn)子電壓； iiiA B C、 、為三相定子電流； i i iabc、 、 為三相轉(zhuǎn)子電流； 12RR、 分別為定轉(zhuǎn)子電阻；A B C???、 、 為三相定子磁鏈； abc? ? ?、 、 為三相轉(zhuǎn)子磁鏈。定子繞組位置固定相差 120176。TTTTi i i i i i i i? ? ? ? ? ? ? ???。 將式（ 24）代入 到式（ 23）中并展開成得到向量形式為： () d i d Lu R i p Li R i L id t d t? ? ? ? ? 28 因?yàn)?L陣是角位移 ? 的函數(shù)，故上式可進(jìn)一步寫成： di dLu Ri L idt d? ?? ? ? 29 式中， ddt??? 為電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度（用電角度表示）。式（ 213)的異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是建立在三相靜止 A、 B、 C坐標(biāo)系上的，現(xiàn)在把它變換到任意二相旋轉(zhuǎn) d、 q坐標(biāo)系上，比原來的模型簡單。 =r p?? 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度 1? 同步旋轉(zhuǎn)角速度，即定子角頻率 = = 2 k r 1p? ? ? ? ?（ ） 轉(zhuǎn)差角速度 sR 定子電阻 sL 定子電感 rR 轉(zhuǎn)子電阻 rL 轉(zhuǎn)子電感 pn 極對(duì)數(shù) mL 定轉(zhuǎn)子互感 J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 eT 電磁轉(zhuǎn)矩 LT 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 p 微分算子 下標(biāo) s、 r分別表示定子、轉(zhuǎn)子側(cè)的物理量。因在任意時(shí)刻同一橋臂只能有一個(gè)開關(guān)元件導(dǎo)通，這就決定 A、 B、 C三相共有 8個(gè)開關(guān)狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng) 8 個(gè)電壓空間矢量。 2dcu2dcuNABCaUbUcUAS BS CSCSBSAS 圖 4 電壓型逆變器理想模型 S 1S 2S 3S 4S 5S6( 1 0 0 )( 1 1 0 )( 0 1 0 )( 0 1 1 )( 0 0 1 )( 1 0 1 )??1su2su3su4su5su6su 0 0 01 1 12()t? 1()t? ()2tr?()2t? ? ()1t? ? ()t? ?()1tr? 圖 5 電壓空間矢量表示法 12 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)各部分的結(jié)構(gòu)和 計(jì)算方法己經(jīng)確定，這些方法將在以 TI 公司的 DSP(TMS320F2407A)為主體構(gòu)成的系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主電路如圖 7： 13 圖 7 主電路 整流及濾波電路 整流電路的任務(wù)是把三相交流電變換成直流電。當(dāng)電路不工作時(shí)由于電容 C 上有大量的電荷所以電容上的電壓很高，對(duì)人的安全造成一定的威脅，所以在電路不工作的時(shí)候?qū)⒎烹婋娮杞尤腚娐分信浜侠^電器對(duì)電容 C 進(jìn)行放電 [13]。 逆變電路。另外控制電路的驅(qū)動(dòng)功率也較大 [14]。但迄今為止，其擊穿電壓和漏極最大飽和電流都較小，難以滿足多數(shù)變頻器的要求。由 IGBT 模塊作為逆變器的變頻器容量已達(dá) 250KVA 以上。 （ 4） 智能功率模塊（ IPM） 智能功率模塊是把與逆變管配套的驅(qū)動(dòng)電路、檢測電路與保護(hù)電路以及某些接口電路等和功率模塊集成到一起的集成功率模塊。 實(shí)現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。 無死區(qū)全橋模式應(yīng)用時(shí)，上下兩管可以同時(shí)導(dǎo)通，因此可用于電流型全橋電路的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)IGBT 的電流過大，集電極對(duì)發(fā)射極的電壓達(dá)到閾值電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)內(nèi)部的保護(hù)機(jī)制。 IGBT的短路保護(hù)動(dòng)作閾值、保護(hù)盲區(qū)時(shí)間、軟關(guān)斷時(shí)間等參數(shù)可通過用戶保護(hù)參數(shù)設(shè)置單元靈活設(shè)置，也可以使用默認(rèn)值 [17]。 20世紀(jì) 60 年代至今，隨著信 息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到了迅速的發(fā)展。輸入信號(hào)經(jīng)過帶限濾波后，通過 A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 (2) DSP 芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 18 改進(jìn)的哈弗結(jié)構(gòu) 多總線結(jié)構(gòu) 流水線技術(shù) 多處理單元 特殊的 DSP 指令 指令周期短 運(yùn)算精 度高 豐富的外設(shè) 功耗低 DSP 特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的信息處理能力、及較高的運(yùn)行速度，是 DSP最重要的特點(diǎn)。直到 20 世紀(jì) 70 年代，才有人提出了 DSP 理論和算法基礎(chǔ)。 DSP 芯片的問世，使 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)由大型系統(tǒng)向小型化邁進(jìn)了一 大步至 20 世紀(jì) 80 年代中期，隨著 CMOS 技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，第二代基于 CMOS 工藝的 DSP 應(yīng)運(yùn)而生，其運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量都得到了成倍的提高，成為語音處理和圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)。目前對(duì)DSP 爆炸性需求的時(shí)代已經(jīng)來臨，前景十分廣闊。 語音識(shí)別與處理：語音識(shí)別、合成、矢量編碼、語音鑒別和語音信箱等。 醫(yī)學(xué)工程：助聽器、 X 射線掃描、心電圖 /腦電圖、病員監(jiān)護(hù)和超聲設(shè)備等。 軍事：雷達(dá)與聲納信號(hào)處理、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制造、保密通信、全球定位、電子對(duì)抗、情報(bào)收集與處理等。它集 DSP 的信號(hào)高速處理能力和適用于電機(jī)控制的外圍電路于一體，為電機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了一個(gè)理想的解決方案，在電機(jī)數(shù)字控制中得到廣泛的應(yīng)用 [20]。低功耗有利于電池供電場合；而高速非常適合電機(jī)的實(shí)時(shí)控制； 片內(nèi)集成了 32K 字的 Flash 程序存儲(chǔ)器、 2K 字的 SRAM、 544 字的 DRAM； 兩個(gè)專用于電機(jī)控制的事件管理器（ EVA、 EVB）。 21 程 序 F L A S H3 2 k 1 6 b i t4 個(gè) 8 位 I / O 口看 門 狗 定 時(shí) 器S P IS C I數(shù) 據(jù) R A M5 4 4 1 6 b i t事 件 管 理 器程 序 / 數(shù) 據(jù) / I / O 總 線外設(shè)總線T 3 2 0 C 2 X L P 內(nèi) 核1 6 位 桶 式左 移移 位 器1 6 位 T 寄 存 器1 6 * 1 6 乘 法 器3 2 位 P 寄 存 器左 移 移 位 器3 2 位 A L U3 2 位 累 加 器左 移 移 位 器8 個(gè) 輔 助 寄 存 器8 層 硬 件 堆 棧重 復(fù) 計(jì) 數(shù) 器2 個(gè) 狀 態(tài) 寄 存 器3 個(gè) 1 6 位 定 時(shí) 器9 個(gè) 比 較 P W M單 元死 區(qū) 控 制 邏 輯4 個(gè) 輸 入 捕 獲A / D 轉(zhuǎn) 換 器8 路 1 0 位 轉(zhuǎn) 換 器8 路 1 0 位 轉(zhuǎn) 換 器 2 圖 12 TMS320F2407DSP 結(jié)構(gòu)框圖 [21] TMS320LF2407A DSP 有兩個(gè)事件管理器 EVA 和 EVB，每個(gè)事件管理器都有兩個(gè)定時(shí)器、三個(gè)比較單元、三個(gè)捕捉單元、一個(gè)增量式光電編碼器接口。三個(gè)獨(dú)立的雙向定時(shí)器，每一個(gè)都有單獨(dú)的比較寄存器，可支持不對(duì)稱的或?qū)ΨQ的 PWM 波形。模數(shù)轉(zhuǎn)換的最大總轉(zhuǎn)換時(shí)間是 s，基準(zhǔn)電壓 (05V)由外部提供。通過一個(gè)16 位波特率選擇寄存器可獲得超過 65000 種不同的可編程波特率，例如系統(tǒng)時(shí)鐘 SYSCLK 是 10MHz，波特率的范圍是 : 到 625Mbps。 23 4 系 統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的控制軟件分兩大部分 :主程序模塊和子程序、中斷服務(wù)模塊。 直接轉(zhuǎn)矩控制的原理 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 13 所示，它包括轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)和磁鏈控制環(huán)節(jié)，采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié) (BangBang 控制 )，通過轉(zhuǎn)矩和磁鏈的滯環(huán)控制選擇出合適的電壓矢量來調(diào)節(jié)定子磁 鏈，并通過控制定子磁鏈的前進(jìn)和停止來控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，使之快速跟蹤給定，同時(shí)通過對(duì)定子磁鏈形狀的控制來選擇合適的開關(guān)狀態(tài)，從而產(chǎn)生 PWM 信號(hào) [23]。通過轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)調(diào)節(jié)來控制電壓空間矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)的交替出現(xiàn)，來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，控制定子磁鏈走走停停，以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度，從而改變磁通角的大小，以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。因此只有在 10%額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，特別是在 30%額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，采用 u 一 i 模型能夠非常準(zhǔn)確地確定定子磁鏈。一般說來，高速時(shí)采用 u 一 i 模型，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單，受參數(shù)影響小；而低速時(shí)采用 in 模型，因?yàn)榈退贂r(shí)受 sR 的影響， ui模型己不能正確地工作 [24]。該觀測模型可以根據(jù)現(xiàn)代控制理論觀測器設(shè)計(jì)方法，通過合理設(shè)計(jì)觀測器誤差反饋系數(shù)得到。其結(jié)構(gòu)分別如圖 1 15 所示。若 ||2TT ??? ，則 TQ 不變，選用電壓空間矢量使轉(zhuǎn)矩不變。但 T???、 的大小又受功率器件的開關(guān)頻率的限制。 實(shí)際上，兩個(gè)控制器在控制系統(tǒng)中的“地位”并不平等 .由于我們的主要目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)高性能的轉(zhuǎn)矩控制，因此，轉(zhuǎn)矩控制環(huán)誤差帶 (即滯環(huán)寬度 T? )的整定直接關(guān)系著系統(tǒng)品質(zhì)的好壞 .相比之下，磁鏈幅值的恒定控制就顯得并不十分重要。無論采用那種控制方案，都是通過轉(zhuǎn)矩和磁鏈兩個(gè)控制器來共同控制逆變器開關(guān)狀態(tài)，以使電機(jī)定子磁鏈在沿給定軌跡（正六邊形或準(zhǔn)圓形 )運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)靜態(tài)性能。 1U2U3U4U5U 6U( 1 0 0 )( 1 0 1 )( 0 0 1 )( 0 1 1 )( 0 1 0 )( 1 1 0 ) ??u? 1?2?3?4?5? 6? 圖 18 磁鏈位置及電壓矢量 由圖 46 可知當(dāng)磁鏈位于兩區(qū)間的交界處時(shí) ? 軸的分量正好等于磁鏈幅值的一半，因此根據(jù)磁鏈的 ? 分量與磁鏈的 1/2 比較結(jié)果，再結(jié)合 ? 分量的正負(fù)情況即可正確判斷磁鏈當(dāng)前所在的扇區(qū)。主要要完成以下幾個(gè)重要的步驟： （ 1） 系統(tǒng)初始化： MS32OLF2407A 各個(gè)模塊的工作方式由相應(yīng)的控制寄存器設(shè)定，因此在主程序的開始就必須根據(jù)要求設(shè)定好各個(gè)控制寄存器的初始值。④ AD 工作方式位，設(shè)置轉(zhuǎn)換觸發(fā)事件和通道數(shù)，可通過 AOC 控制寄存器 (ADCTRLx)和最大轉(zhuǎn)換通道寄存器 (MAXCONV)設(shè)置 。 （ 3） 調(diào)用電機(jī)模型子運(yùn)算程序。 子程序設(shè)計(jì) 子程序、中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)完成對(duì)速度的測量，開關(guān)量信息的捕捉，串行中斷程序、以及故障處理程序。子程序流程圖如圖 20 NY開 始系 統(tǒng) 初 始 化 模 塊系 統(tǒng) 狀 態(tài) 控