【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。點日益受到更多的關(guān)注。無速度傳感器技術(shù)的優(yōu)勢使得它成為目前電機(jī)控制研究。兩者相結(jié)合構(gòu)成的無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)也成為未來電機(jī)控。制技術(shù)的發(fā)展方向之一。利用該電壓矢量表，直接根據(jù)定。、軸分量，結(jié)合當(dāng)前的磁鏈位置查表得到磁鏈電壓，再根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤。信號，使電機(jī)的磁鏈沿近似六邊形軌跡運動的同時獲得高動態(tài)特性的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。PWM方法和直接轉(zhuǎn)矩控制方案進(jìn)行了實驗研究，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

　　

【正文】 每一個都有單獨的比較寄存器，可支持不對稱的或?qū)ΨQ的 PWM 波形。四個捕獲輸入中的兩個可直接連接來自光電編碼器的正交編碼脈沖信號。 ◎ 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包含兩個帶有內(nèi)部采樣－保持電路的 10位串行 /電容模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 LF2407A 中有 16 個模擬輸入通道，其中每個模數(shù)轉(zhuǎn)換器有 8 個輸入通道，并且 F2407 有兩個二級 FIFO 結(jié)果寄存器用于存放轉(zhuǎn)換結(jié)果。模 數(shù)轉(zhuǎn)換的最大總轉(zhuǎn)換時間是 s，基準(zhǔn)電壓 (05V)由外部提供。 ◎ 串行外設(shè)接口 (SPI)是高速的同步串行 I\O 口，用于 DSP 與外部設(shè)備或其它控制器間同步數(shù)據(jù)通訊，支持 125 種不同的波特率，例如系統(tǒng)時鐘 SYSCLK 是10MHz，波特率的范圍是 : 到 。典型應(yīng)用包括外部 I/O 或外部擴(kuò)展。串行通訊接口 (SCI)提供了通用全雙工的異步接收 /發(fā)送 (UART)通信模式，可與 PC 機(jī)串口、打印機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)器件通訊，可采用 RS 一 232 一 C 協(xié)議。通過一個 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)時鐘 SYSCLK 是 10MHz，波特率的范圍是 : 到 625Mbps。 ◎ 看門狗 (WD)定時器和實時中斷 (RTI)模塊監(jiān)視軟件和硬件操作。如果軟件進(jìn)入一個不正確的循環(huán)或者 CPU出現(xiàn)暫時性異常時， WD 定時器溢出產(chǎn)生一個復(fù)位。 RTI 模塊提供可編程間隔的中斷，在 CPU異常時實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。 徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 25 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 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。主程序模塊管理整個軟件的流程，由它來負(fù)責(zé)調(diào)用個個子程序。子程序和中斷服務(wù)模塊負(fù)責(zé)完成對 轉(zhuǎn)矩和磁鏈的估算，開關(guān)量信息的捕捉，串行中斷程序、故障處理。由于是模塊化的編寫程序，所以應(yīng)在充分理解直接轉(zhuǎn)矩的控制原理與步驟的基礎(chǔ)上進(jìn)行程序的編寫。 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 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，同時通過對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。 ?磁 鏈 滯 環(huán)?轉(zhuǎn) 矩 滯 環(huán)3 M轉(zhuǎn) 矩 磁 鏈觀 測 器開 關(guān)選 擇模 式P W M變 頻器susieT||s? *eT *||s?+ + 圖 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 在正交定子坐標(biāo)系中（α－β坐標(biāo)系）中，異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型基本方程為： u R is s s s??? 式（ 51） 0 j rRir r r r? ? ??? 式（ 52） 以上兩式中， us 為定子電壓空間矢量， is 為定子電流空間矢量， Rr 為定子電阻，Rr 為轉(zhuǎn)子電阻， s? 為定子磁鏈空間矢量， r? 為轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量。 徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 26 從上面兩式可以推導(dǎo)出電動機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為： 3 ( )2T i id s s s s??? ? ? ?? 式（ 53） 轉(zhuǎn)矩表達(dá)式也可以寫成如下形式： 13 | || sin |2Td s r sL ? ? ???? 式（ 54） 根據(jù)式（ 54）可知，轉(zhuǎn)矩的大小與定子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和磁通角θ s的乘積成正比。在實際運行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動機(jī)鐵芯；轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定；要改變電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過改變磁通角θ s的大小來實現(xiàn)。通過轉(zhuǎn)矩兩點調(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)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。 定子磁鏈觀測器 ui定子磁鏈觀測器模型 用定子電壓和定子電流來確定定子磁鏈的方法叫“ u－ i”模型法。 由式（ 225）可知 ( )u R i dts s s s? ? ? 式（ 55） 寫成 ??、 分量形式為： ( )( )u R i dts s s su R i dts s s s? ? ? ?? ? ? ??? ??? ? ??? 式（ 56） u－ i 模型只有在被積分的差值較大時才能提供正確的結(jié)果。其誤差是由定子電阻 sR 的存在引起的。因此只有在 10%額定轉(zhuǎn)速以上時，特別是在 30%額定轉(zhuǎn)速以上時，采用 u一 i模型能夠非常準(zhǔn)確地確定定子磁鏈。該方法結(jié)構(gòu)簡單，精度高，優(yōu)于其它方法。 in定子磁鏈觀測器模型 定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈還可由下面的方程組來確定： 徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 27 1()1( ) r1()1( ) riLs s rLLsRrr s r rLiLs s rLLsRrr s r rL??? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ????? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ??????? ?????????? ???????????? 式（ 57） i 一 n 模型中不出現(xiàn)定子電阻，也就是說不受定子電阻變化的影響，但是 i一 n 模型受轉(zhuǎn)子電阻 rR 、漏電感 L? 、主電感 sL 的影響。此外，還需要精確地測得轉(zhuǎn)子角速度 r? 的大小。一般說來，高速時采用 u一 i模型 ，因為它結(jié)構(gòu)簡單，受參數(shù)影響小；而低速時采用 i 一 n 模型，因為低速時受 sR 的影響， u－ i 模型己不能正確地工作。 un定子磁鏈觀測器模型 u－ n模型由定子電壓和轉(zhuǎn)速來計算定子磁鏈，由以下方程組構(gòu)建 u－ n模型。 ( )rRr jr s r rLu i Rs s s sLis s sLir s r? ? ? ? ????????????????? ??? ??? 式（ 58） 該模型實際上是綜合了 i 一 n 模型和 u 一 i 模型的優(yōu)點，使得兩個模型平滑地切換。所以 u－ n 是一個全速范圍的定子磁鏈觀測模型。該觀 測模型可以根據(jù)現(xiàn)代控制理論觀測器設(shè)計方法，通過合理設(shè)計觀測器誤差反饋系數(shù)得到。高速時電動機(jī)模型實際工作在 u－ i模型下，低速時電動機(jī)模型實際工作在 i－ n模型下。轉(zhuǎn)矩、磁鏈控制器 。 徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 28 磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制 在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩控制和磁鏈控制可以分別通過一個滯環(huán)比較器來實現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)分別如圖 、 。 FT01 T2T?2T?01F? ?2??2?? 圖 轉(zhuǎn)矩控制器 圖 磁鏈控制器 對轉(zhuǎn)矩控制，首先計算轉(zhuǎn)矩給定值 *T 與轉(zhuǎn)矩實際值 T 之差 T ： *T T T? 式中 : *T 一轉(zhuǎn)矩給定值，可以單獨給定，也可以由速度調(diào)節(jié)器的輸出得出； T 一轉(zhuǎn)矩實際值，由轉(zhuǎn)矩觀測器得出。 設(shè)置滯環(huán)寬度 T? ，則轉(zhuǎn)矩控制信號 TQ由 T 決定，即 :若 2TT ?? ，則 TQ=0，要求選用電壓空間矢量使轉(zhuǎn)矩減小 。若 2TT ?? ，則 TQ=1，要求選用電壓空間矢量使轉(zhuǎn)矩增大 。若 ||2TT ?? ，則 TQ 不變，選用電壓空間矢量使轉(zhuǎn)矩不變。 對磁鏈控制的原則與轉(zhuǎn)矩控制類似，首先計算磁鏈誤差 ? ： *? ? ?? 式中， *? 磁鏈給定值； ? 磁鏈實際值，由磁鏈觀測器得出。 設(shè)置滯環(huán)帶寬 ?? ，則磁鏈控制信號甲 Q? 由 ? 決定，即 :若 2???? ，則甲 Q? =0，要求選用電壓空間矢量使磁鏈幅值減小； 2???? ，則 Q? =1，要求徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 29 選用電壓空間矢量使磁鏈幅值增大；若 ||2???? ，則 Q? 不變，選用電壓空間矢量應(yīng)使磁鏈幅值不變。 0teT *eT*eTT?* e??0s? *s?*s???* s?? 圖 圖 理論上講， T???、 取的越小，則轉(zhuǎn)矩控制和磁鏈控制就越精確。但 T???、的大小又受功率器件的開關(guān)頻率的限制。一般來說，器件的開關(guān)頻率越低，相應(yīng)選取的 T???、 就應(yīng)越大，即滯環(huán)變寬。這樣，雖然系統(tǒng)的性能稍稍變差，但整個系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運行。若器件開關(guān)頻率較低時仍然取較小的 T???、 ，則滯環(huán)也就失去了意義 ，系統(tǒng)也可能會出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。 實際上，兩個控制器在控制系統(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ε 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。也因此引出了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的兩種形式 :一種是由德國 教授提出的基于正六邊形磁鏈軌跡控制的直接轉(zhuǎn)矩控制及其改進(jìn)算法；一種是由日本學(xué)者 I,Takahashi 提出的基于準(zhǔn)圓形磁鏈軌跡控制的直接轉(zhuǎn)矩控制及其派生算法。兩種方法各有利弊，在大功率、低開關(guān)頻率 場合，前者比較合適 。在功率器件開關(guān)頻率較高的中小功率領(lǐng)域，后者占據(jù)了優(yōu)勢地位。無論采用那種控制方案，都是通過轉(zhuǎn)矩和磁鏈兩個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 )運動的同時，實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的高動靜態(tài)性能。磁鏈位置的判斷以及電壓矢量的選擇 。 徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 30 磁鏈位置的判斷 非零電壓矢量有六個，它們的分布也是固定的，如圖 所示，當(dāng)磁鏈位于不同位置時，同一個電壓矢量，對于磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的作用是不相同的，所以電壓矢量的選擇不僅僅根據(jù)磁鏈的大小來，還要知道磁鏈的具體位置。我們沿 逆時針方向?qū)⒍ㄗ哟沛湹奈恢脛澐譃榱鶄€扇區(qū)： 16??— , 如圖 。 1U2U3U4U5U6U( 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 由圖 可知當(dāng)磁鏈位于兩區(qū)間的交界處時 ? 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)。磁鏈位置的具體判別方法 如 表 51： 徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 31 ψβ ψα 扇區(qū) ＜ 0 Ψα＞ |Ψ |/2 θ 2 |Ψ |/2＜ψα＜ |Ψ |/2 θ 1 ψα＜ |Ψ |/2 θ 6 ＜ 0 Ψα＜ |Ψ |/2 θ 5 |Ψ |/2＜ψα＜ |Ψ |/2 θ 4 Ψα＞ |Ψ |/2 θ 3 表 51 電壓矢量 選擇 表 綜合以上轉(zhuǎn)矩控制量 TQ，磁鏈控制量 Q? ，和磁鏈位置 ? ，可以正確的選擇合適的電壓矢量 u ，從而對電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。表 22 和表 23 給出了優(yōu)化了的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)定子電壓開關(guān)的選擇。 徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計 感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 32 表 52正轉(zhuǎn)定子電壓開關(guān)矢量表