【正文】 徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jì) 32 表 52正轉(zhuǎn)定子電壓開關(guān)矢量表 。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(jì) 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(jì) 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。我們沿 逆時(shí)針方向?qū)⒍ㄗ哟沛湹奈恢脛澐譃榱鶄€(gè)扇區(qū)： 16??— , 如圖 。磁鏈位置的判斷以及電壓矢量的選擇 。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。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。若器件開關(guān)頻率較低時(shí)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(huì)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。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。 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。 對磁鏈控制的原則與轉(zhuǎn)矩控制類似，首先計(jì)算磁鏈誤差 ? ： *? ? ?? 式中， *? 磁鏈給定值； ? 磁鏈實(shí)際值，由磁鏈觀測器得出。若 2TT ?? ，則 TQ=1，要求選用電壓空間矢量使轉(zhuǎn)矩增大 。 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(jì)算轉(zhuǎn)矩給定值 *T 與轉(zhuǎn)矩實(shí)際值 T 之差 T ： *T T T? 式中 : *T 一轉(zhuǎn)矩給定值，可以單獨(dú)給定，也可以由速度調(diào)節(jié)器的輸出得出； T 一轉(zhuǎn)矩實(shí)際值，由轉(zhuǎn)矩觀測器得出。 徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jì) 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(gè)滯環(huán)比較器來實(shí)現(xiàn)。高速時(shí)電動(dòng)機(jī)模型實(shí)際工作在 u－ i模型下，低速時(shí)電動(dòng)機(jī)模型實(shí)際工作在 i－ n模型下。所以 u－ n 是一個(gè)全速范圍的定子磁鏈觀測模型。 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(jì)算定子磁鏈，由以下方程組構(gòu)建 u－ n模型。此外，還需要精確地測得轉(zhuǎn)子角速度 r? 的大小。該方法結(jié)構(gòu)簡單，精度高，優(yōu)于其它方法。其誤差是由定子電阻 sR 的存在引起的。 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。在實(shí)際運(yùn)行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動(dòng)機(jī)鐵芯；轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定；要改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過改變磁通角θ s的大小來實(shí)現(xiàn)。 ?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(dòng)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。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。主程序模塊管理整個(gè)軟件的流程，由它來負(fù)責(zé)調(diào)用個(gè)個(gè)子程序。 RTI 模塊提供可編程間隔的中斷，在 CPU異常時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。 ◎ 看門狗 (WD)定時(shí)器和實(shí)時(shí)中斷 (RTI)模塊監(jiān)視軟件和硬件操作。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。 ◎ 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(shí)鐘 SYSCLK 是10MHz，波特率的范圍是 : 到 。 LF2407A 中有 16 個(gè)模擬輸入通道，其中每個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器有 8 個(gè)輸入通道，并且 F2407 有兩個(gè)二級(jí) FIFO 結(jié)果寄存器用于存放轉(zhuǎn)換結(jié)果。四個(gè)捕獲輸入中的兩個(gè)可直接連接來自光電編碼器的正交編碼脈沖信號(hào)。例如 :一個(gè)可編程的死區(qū)單元和一個(gè)用于三相電機(jī)的空間向量 PWM 狀態(tài)機(jī)，它們可以在功率三極管開關(guān)過程中徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jì) 24 提供最大的效率。事件管理器這個(gè)為應(yīng)用而優(yōu)化的外圍設(shè)備單元與高性能的 DsP 內(nèi)核一起，使在所有類型電機(jī)的高精度、高效和全變速控制中使用先進(jìn)的控制技術(shù)成為可能。 ※ 串行通訊 SCI 模塊，支持 CPU 與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通訊，可編程 65535 種傳輸速度； ※ 1/0 模塊、以 模塊、 SPI 模塊； ※ 32 位累加器和 32 位中央算術(shù)邏輯單元（ CALU）； 16 位 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。每個(gè)事件管理器都包括：2 個(gè) 16 位通用定時(shí)器， 8 個(gè) 16 位脈寬調(diào)制 PWM 通道， 1 個(gè)能夠快速封鎖輸出的外部引腳 PDPINTx，可防止上下橋臂直通的可編程死區(qū)功能， 3 個(gè)捕捉單元，1 個(gè)增量式光電位置接口， 16 通道 A/O 轉(zhuǎn)化器。高速運(yùn)算能力， 30MIPS 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到 33ns，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。 TMS320LF2407A 具有如下的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： ※ 采用了高性能的靜態(tài) CMOS 制造技術(shù)，使得該 DSP 具有低功耗和高速的特點(diǎn)。TMS320LF2407A 是美國 TI(TexasInstruments)公司專為數(shù)字電機(jī)控制而推出的一種定點(diǎn) DSP，是基于 TMS320CZ雙型 16 位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)的新型 DSP控制器系列的首批成員。 DSP 控制板 利用 DSP來控制各類電機(jī)，不僅能方便的實(shí)現(xiàn)控制電路，并且能完成各種復(fù)雜的、高性能的控制策略。 獨(dú) 立 或 互 鎖 設(shè) 定光 耦 隔 離D C / D C驅(qū) 動(dòng)用 戶 保 護(hù) 參 數(shù) 設(shè)置4 路 隔 離驅(qū) 動(dòng) 輸 出輸 入 雙 路P W M 信 號(hào)輸 出 互 補(bǔ)故 障 信 號(hào)控 制 電 源1 5 1 8 V 圖 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖 GNDV11V12AohAo1GND12/15V5V輸入PWM故障輸出主板電源D A 8 4 1 H D4214214214211 5 — 1 8 VJ 1 0 1J 1 2J 4 2J 2 2J 3 2J 11 0 0 K1 0 0 K1 0 0 K1 0 0 K圖 應(yīng)用連接圖 徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jì) 22 控制回路設(shè)計(jì) 控制電路 控制電路由 DSP 控制板及其外圍電路組成 ，主要完成信號(hào)檢測、控制算法實(shí)現(xiàn)、逆變器 PWM 波形輸出等功能。軟關(guān)斷開始后經(jīng)過短暫延遲，驅(qū)動(dòng)板經(jīng)光耦隔離輸出互補(bǔ)的故障報(bào)警信號(hào)，由主控板處理。因?yàn)楦鞣N尖峰干擾的存在，為避免頻繁的保護(hù)影響開關(guān)電源的正常工作，設(shè)立盲區(qū)是很有必要的；當(dāng)過流信號(hào)時(shí)間大于設(shè)定的盲區(qū)時(shí)間時(shí)，開始軟關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)單元輸出四路隔離驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng) IGBT，同時(shí)對 IGBT 起保護(hù)作用。通過 DC/DC 輔助開關(guān)電源，可得到四路相互 獨(dú)立的 24V 電壓輸出，于四片驅(qū)動(dòng)芯片的供電。普通全橋應(yīng)用時(shí)，上下兩管信號(hào)互鎖，用戶可以設(shè)置死區(qū)時(shí)間，確保不直通。 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 0t 1t 2t3t0t 1t2t 3tGEU GEUciCEU CEUci圖 IGBT等效電路及開關(guān)特性 驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路的作用是： （ 1） 實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng) IGBT 柵極的電隔離； （ 2） 提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。 本系統(tǒng)是中、小型系統(tǒng)采用 IGBT 作為逆變元件。其驅(qū)動(dòng)電路也都已模塊化。而且開關(guān)頻率也可達(dá) 20KHz，電機(jī)的電流波形比價(jià)平滑，基本無電磁噪聲。主要優(yōu)點(diǎn)是擊穿電壓和集電極飽和電流也較大。 （ 3） 絕緣柵雙極型晶體管（ IGBT） IGBT 是 MOSFET 和 BJT 結(jié)合的產(chǎn)物，主體部分與晶體管相同，但驅(qū)動(dòng)部分卻和場效應(yīng)管相同。此外，控制電路所需的驅(qū)動(dòng)功率極小。 （ 2） 功率效應(yīng)管漏極電流的大小受控制級(jí)與源級(jí)間的電壓控制，屬電壓控制性器件，開關(guān)頻率較高，最高答 20KHz 以上。因而以 BJT 為逆變器件的載波頻率也較低，電動(dòng)機(jī)有較大的電磁噪聲。 逆變電路的功能是在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下把直流電變換到幅值恒定、頻率可調(diào)的三相交流電，由功率器件和驅(qū)動(dòng)電路組成。因此，當(dāng)直流電壓達(dá)到的一定值，就要求提供一條放電回路 即能耗制動(dòng)電路，將再生的電能消耗掉。 能耗制動(dòng)電路 徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jì) 19 當(dāng)能耗制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)再生的電能經(jīng)續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，在濾波電容上會(huì)有短時(shí)間大量電荷堆積，這就是所謂的“泵生電壓”，使 得直流電壓升高。 限流電路及安全保護(hù)電路 當(dāng)變頻器通電時(shí)瞬時(shí)沖擊電流較大，為了保護(hù)電路元件并減小通電瞬間電路對電網(wǎng)的沖擊，在電路 中加入了限流電阻，通過限流電阻（即圖中的充電電阻）減小通電瞬間電流對元件的沖擊，并通過延時(shí)控制，在通電一段時(shí)間后觸發(fā)繼電器，切除限流電阻，這樣既不影響電路正常工作時(shí)的電路整體性能，又可提高電路的啟動(dòng)瞬時(shí)性能。本系統(tǒng)屬于中、小容量變頻器，整流器可采用不可控整流二極管成的橋式全波整流，再經(jīng)大容量電解電容 C，構(gòu)成的濾波環(huán)節(jié)進(jìn)行濾波，為逆變器提供恒定的直流電壓。 T M S 3 2 0 F 2 4 0 7 AP C 機(jī)故障檢測與保護(hù)驅(qū) 動(dòng)電 路P W M輸 出電 流測 量電 壓測 量M 圖 主電路的設(shè)計(jì) 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的主電路采用交一直一交電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，由整流電路、限流電路、濾波電路、能耗制動(dòng)電路和逆變電路這幾個(gè)部分組成的。所有控制算法的實(shí)現(xiàn)和實(shí)用化均不能離開硬件系統(tǒng)，本節(jié)主要介紹系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 ※ 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、電子對抗、情報(bào)收集與處理等。 ※ 通信：糾錯(cuò) /譯碼、自適應(yīng)均衡、回波抵消、同步、分 散接收、數(shù)字調(diào)制 /解調(diào)軟件無線電和擴(kuò)頻通信等。 ※ 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。 ※ 儀器儀表：暫態(tài)分析、函數(shù)發(fā)生、波形產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集、石油 /地質(zhì)勘探，地震預(yù)測與處理等。 徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jì) 16 ※ 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。 TI公司作為 DSP 生產(chǎn)商的代表，生產(chǎn)的品種很多，大約占市場份額的 60%。目前對DSP 爆炸性需求的 時(shí)代已經(jīng)來臨，前景十分廣闊。 20 世紀(jì) 90年代 DSP 發(fā)展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代 DSP。 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