【正文】 。最后，我還要感謝我的家人，尤其是我的父母。感謝本專業(yè)的老師們的幫助和支持，他們?yōu)槲覀儬I造了科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、求實、進(jìn)取的學(xué)習(xí)氛圍，感謝他們對我們所遇到的各種問題的熱情解答。宋老師嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高品質(zhì)更將是學(xué)生一生的榜樣。宋老師淵博的知識，獻(xiàn)身科學(xué)，對知識的追求孜孜不倦、精益求精的治學(xué)態(tài)度，給我留下了深刻的印象。（4） 設(shè)計硬件電路和軟件框圖，將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用到實際控制中來。（2） 通過解耦的異步電動機對其兩個電流分量分別進(jìn)行控制從而達(dá)到轉(zhuǎn)矩的控制。在本文的設(shè)計中采用了 TI 公司的 TMS320LF2407A 芯片為控制核心，利用電壓空間矢量的控制方法，用軟硬件成功實現(xiàn)了對無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制在三相交流電機調(diào)速中的應(yīng)用。(3)串行中斷子程序和故障處理子程序。(1)開關(guān)量信息的捕捉:控制面板設(shè)定開關(guān)量信息(如啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點動加速、點動減速和復(fù)位)時，同時給一定一個低電平信號，使TMS320LF2407A 的 XINT1 和 XINT2 外部引腳拉低至少 6 個或 12 個時鐘周期CLKOUT，這樣才能被 CPU 認(rèn)可。主程序框圖如圖 。（4）調(diào)用調(diào)節(jié)器子程序：需要調(diào)用調(diào)節(jié)器子程序包括速度調(diào)節(jié)器子程序、轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器子程序、磁鏈調(diào)節(jié)器子程序和零狀態(tài)調(diào)節(jié)器子程序，從而分別給出速度調(diào)節(jié)信號、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號、磁鏈調(diào)節(jié)信號和零狀態(tài)信號。本系統(tǒng)需要測量的電機 3 個定子端電壓和 2 個定子相電流。⑤對事件管理模塊 EVA 或 EVB 的設(shè)置的內(nèi)容很多，主要包括:定時器 4 的設(shè)定，全比較 PWM 單元的設(shè)定，PWM工作方式的設(shè)定，死區(qū)時間的設(shè)計和 QEp 工作方式的設(shè)定等等。③串行通信接口的軟件配置，通過串行通信接口通信控制寄存器(SCICCR)、串行通信接口控制寄存器(SCICTLI)和串行通信接口波特率寄存器(SCIHBAUD 和 SCILBAUO)這些控制寄存器來初始化所需的串行通信接口通信格式，包括操作模式、協(xié)議、波特率、字符長度、奇/偶效驗位等。包括:①p 比時鐘設(shè)定，OSp 的工作頻率設(shè)定為 30HZ，這個可以通過系統(tǒng)控制和狀態(tài)寄存器 1(SCSRI)設(shè)定。徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 感應(yīng)電機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 θ Ψq TQ θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ61 110 010 011 001 101 1000 111 000 111 000 111 00011 101 100 110 010 011 0011 010 011 001 101 100 1100 000 111 000 111 000 11101 001 101 100 110 010 011表 53 反轉(zhuǎn)定子電壓開關(guān)矢量表 θ Ψq TQ θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ61 101 100 110 010 011 0010 111 000 111 000 111 0001 1 110 010 011 001 101 1001 001 101 100 110 010 011徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 感應(yīng)電機無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計330 000 111 000 111 000 1110 1 011 001 101 100 110 010 主程序設(shè)計主程序每 10μs 由硬件定時器發(fā)出的中斷信號啟動并執(zhí)行一次，它負(fù)責(zé)執(zhí)行整個軟件整個必經(jīng)流程。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)電機無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計31ψβ ψα 扇區(qū)Ψα＞|Ψ|/2 θ2|Ψ|/2＜ψα＜|Ψ|/2 θ1＜0ψα＜|Ψ|/2 θ6Ψα＜|Ψ|/2 θ5|Ψ|/2＜ψα＜|Ψ|/2 θ4＜0Ψα＞|Ψ|/2 θ3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 ，和磁鏈位置 ，可以正確的選Q??擇合適的電壓矢量 ，從而對電機進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。我們沿逆時針方向?qū)⒍ㄗ哟沛湹奈恢脛澐譃榱鶄€扇區(qū)： , 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。一般來說，器件的開關(guān)頻率越T?、低，相應(yīng)選取的 就應(yīng)越大，即滯環(huán)變寬。0teT*?Ae??0s*s?*s?A*s圖 恒定圓形磁鏈軌跡控制示意圖 圖 轉(zhuǎn)矩變化控制示意圖理論上講， 取的越小，則轉(zhuǎn)矩控制和磁鏈控制就越精確。|2T??A對磁鏈控制的原則與轉(zhuǎn)矩控制類似，首先計算磁鏈誤差 ：?A*??A式中， 磁鏈給定值； 磁鏈實際值，由磁鏈觀測器得出。若 ，則 TQ=1，要求選用電壓2??空間矢量使轉(zhuǎn)矩增大。FT01 TA2?2T?01F?A2??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 與轉(zhuǎn)矩實際值 之差 ：*TTA*T?A式中: 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；一轉(zhuǎn)矩實際值，由轉(zhuǎn)矩觀測器得出。 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)。高速時電動機模型實際工作在 u－i 模型下，低速時電動機模型實際工作在 i－n徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 感應(yīng)電機無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計28模型下。所以 u－n 是一個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rRL?s測得轉(zhuǎn)子角速度 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 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。在實際運行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動機鐵芯；轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定；要改變電動機轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過改變磁通角 θs 的大小來實現(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?*e*|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，異步電動機數(shù)學(xué)模型基本方程為： 式（51）uRiss??? 式（52）0jrr?以上兩式中， 為定子電壓空間矢量， 為定子電流空間矢量， 為定子電阻，usisRr徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 感應(yīng)電機無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計26為轉(zhuǎn)子電阻， 為定子磁鏈空間矢量， 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軟件的流程，由它來負(fù)責(zé)調(diào)用個個子程序。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。◎ 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。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 機串口、打印機等標(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)時鐘 SYSCLK 是10MHz，波特率的范圍是: 到 。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。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。例如:一個可編程的死區(qū)單元和一個用于三相電機的空間向量 PWM 狀態(tài)機，它們可以在功率三極管開關(guān)過程中提供最大的效率。事件管理器這個為應(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，可實現(xiàn)單指令周期的乘法運算，5 個外部中斷。每個事件管理器都包括：2 個 16 位通用定時器，8 個 16 位脈寬調(diào)制 PWM 通道，1 個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個捕捉單元，1 個增量式光電位置接口，16 通道 A/O 轉(zhuǎn)化器。高速運算能力， 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時控制能力。TMS320LF2407A 具有如下的結(jié)構(gòu)特點：※ 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。TMS320LF2407A 是美國 TI(TexasInstruments)公司專為數(shù)字電機控制而推出的一種定點 DSP，是基于 TMS320CZ 雙型 16 位定點數(shù)字信號處理器(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，不僅能方便的實現(xiàn)控制電路，并且能完成各種復(fù)雜的、高性能的控制策略。獨立或互鎖設(shè)定光耦隔離D C / D C驅(qū)動用戶保護(hù)參數(shù)設(shè)置4 路隔離驅(qū)動輸出輸入雙路P W M 信號輸出互補故障信號控制電源1 5 1 8 V圖 驅(qū)動電路結(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 感應(yīng)電機無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計22 控制回路設(shè)計控制電路控制電路由 DSP 控制板及其外圍電路組成，主要完成信號檢測、控制算法實現(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)動板經(jīng)光耦隔離輸出互補的故障報警信號，由主控板處理。因為各種尖峰干擾的存在，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)過流信號時間大于設(shè)定的盲區(qū)時間時，開始軟關(guān)斷。驅(qū)動單元輸出四路隔離驅(qū)動信號，用于驅(qū)動 IGBT，同時對IGBT 起保護(hù)作用。通過 DC/DC 輔助開關(guān)電源，可得到四路相互獨立的 24V電壓輸出，于四片驅(qū)動芯片的供電。普通全橋應(yīng)用時，上下兩管信號互鎖，用戶可以設(shè)置死區(qū)時間，確保不直通。驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。0t12t30t123tGEUGEciCEUCEUci圖 IGBT 等效電路及開關(guān)特性驅(qū)動電路驅(qū)動電路的作用是：（1）實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動 IGBT 柵極的電隔離；（2）提供合適的柵極驅(qū)動脈沖。本系統(tǒng)是中、小型系統(tǒng)采用 IGBT 作為逆變元件。其驅(qū)動電路也都已模塊化。而且開關(guān)頻率也可達(dá) 20KHz，電機的電流波形比價平滑，基本無電磁噪聲。主要優(yōu)點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)動部分卻和場效應(yīng)管相同。此外，控制電路所需的驅(qū)動功率極小。（2）功率效應(yīng)管漏極電流的大小受控制級與源級間的電壓控制，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，電動機有較大的電磁噪聲。逆變電路的功能是在驅(qū)動信號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電路，將再生的電能消耗掉。能耗制動電路徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 感應(yīng)電機無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)