【正文】 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(yǔ)音處理和圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)。 世界上第一片單片 DSP 芯片是 1978 年 AMI 公司宣布的 S2811，在這之后，最成功的 DSP芯片當(dāng)數(shù) TI 公司 1982 年推出的 DSP 芯片。直到 20世紀(jì) 70 年代，才有人提出了 DSP理論和算法基礎(chǔ) 。這種實(shí)時(shí)能力使 DSP在聲音處理、圖像處理等不允許時(shí)間延遲的領(lǐng)域的應(yīng)用十分理想，成為全球 70%數(shù)字電話(huà)的“心臟”，同時(shí) DSP 在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。 DSP 芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ※ 改進(jìn)的哈弗結(jié)構(gòu) ※ 多總線(xiàn)結(jié)構(gòu) ※ 流水線(xiàn)技術(shù) ※ 多處理單元 ※ 特殊的 DSP 指令 ※ 指令周期短 徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 ※ 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)。數(shù)字信號(hào)處理一般是用 DSP芯片和在其上運(yùn)行的實(shí)時(shí)處理軟件對(duì)輸入數(shù)字信號(hào)按照一定的算法進(jìn)行處理，然后將處 理后的信號(hào)輸出給 D\A 轉(zhuǎn)換器，經(jīng) D\A 轉(zhuǎn)換、內(nèi)插和平滑濾波后得到連續(xù)的模擬信號(hào)。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)帶限濾波后，通過(guò) A\D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。圖 所示的是一個(gè)典型的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)框圖。 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。利用電壓逆變器的開(kāi)關(guān)特點(diǎn)，正確地選擇電壓空間矢量不斷切換電壓狀態(tài)，使定子磁鏈逼近圓形，并通過(guò)零電壓矢量的穿插調(diào)節(jié)來(lái)改變轉(zhuǎn)差頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩同時(shí)按要求快速變化。 0su s7— u ，其中 6 個(gè)非零電壓矢量 1su s6— u ，和兩個(gè)零電壓矢量0su s u 。 BCSS、 表示法與 AS 月相似。 從電機(jī)統(tǒng)一理論可知，在靜止坐標(biāo)系上的異步電動(dòng)機(jī)的等值電路如圖 所示。由此物理模型，可推導(dǎo)得到任意 速度旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下異步電機(jī)的狀態(tài)方程為： 電壓方程式 (2 一 14): q1d1q22U R i p psd s sd sd sU R i p psq s sq sq sU R i p prd r rd rd rU R i p prq r rq rq rd? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?????? ???? ????????———— 式（ 214） 磁鏈方程式 (2 一 15)： L i L isd s sd m rdL i L isq s sq m rqL i L ird r rd m sdL i L irq r rd m sq????????????? ???? ???? 式（ 215） 電磁轉(zhuǎn)矩方程式 (2 一 16)： ()dT n i ie p sq s sd sq??? — 式（ 216） 機(jī)電運(yùn)動(dòng)方程式 (2 一 17)： JdTTeL n dtp??? 式（ 217） 將式（ 215）代入（ 214）式中，得： + k k m+k k m= + k r k r +k r k r rR L p L L p LUis s s msd sdL R L p L L psq sqs s s mL p L R L p Lrd rdm m r r mrq rqL L p L R L pm m r r????? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???—（ ） （ ）（ ） （ ） 式（ 218） 式中 =k p?? d、 q系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度 當(dāng) =k1??時(shí)為同步旋轉(zhuǎn) d、 q 系統(tǒng)；當(dāng) =0k? 時(shí)為定 子靜止坐標(biāo)系統(tǒng)。 ABCdq ?12? 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(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 該電機(jī)模型已經(jīng)由實(shí)踐所證實(shí)，圖 。 011220di dLu Ri L idt dJdTTeL n dtpLsrLTTrT n i i n ie p p Lrs?????????????? ? ???????????????????????????? ?????????? ??? 式（ 213） 由式 (2 一 13)可知異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，本質(zhì)上因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)是高階、非線(xiàn)性、多變量和強(qiáng)禍合的系統(tǒng)，我們希望通過(guò)坐標(biāo)變換使之簡(jiǎn)化。 3．運(yùn)動(dòng)方程 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為： JdTTeL n dtp??? 式（ 210） 式中， eT 為電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩； LT 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩； J 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；pn 為電機(jī)極對(duì)數(shù)。這就是異步電機(jī)控制非線(xiàn)性的根源所在。 系數(shù)矩陣 L中 LLss rr、 為對(duì)稱(chēng)常數(shù)矩陣；但是 LLsr rs、 之間的關(guān)系為： LLsr rs、 是三角函數(shù)矩陣，比較復(fù)雜，但是 Lsr 和 Lrs 互為轉(zhuǎn)置關(guān)系，這是值得利用的特點(diǎn)。所以定子繞組之間的互感為： 11 1c o s 1 2 0 2A B B A B C C B C A A C m mL L L L L L L L? ? ? ? ? ? ? ? ? 式（ 25） 同理三相轉(zhuǎn)子繞組之間互感為： a b b a b c c b c a a c 2 21= = = = = = c o s 1 2 0 2mmL L L L L L L L? ? ? 式（ 26） 定子和轉(zhuǎn)子繞組之間互感由于定轉(zhuǎn)子繞組之間的夾角 ? 是變化的，所以該互感參數(shù)是角位移 ? 的函數(shù)。由于定轉(zhuǎn)子折算后繞組匝數(shù)相等，認(rèn)為 m1=2mLL ， 則 ： 定 子 三 相 繞 組 的 自 感A A 1 1L L L L LB B C C m? ? ? ?；轉(zhuǎn)子三相繞組的自感 a a 2 2bb cc mL L L L L? ? ? ?；（ 2）非對(duì)角線(xiàn)元素為定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組之間的互感和定轉(zhuǎn)子繞組之間的互感。 磁鏈方程 每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満团c六個(gè)繞組的磁鏈方程可以矩陣表達(dá) 式為： 徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 =L L L L L iA B A C A a A b A cAAL L L L L L iB B A B B B C B a B b B c BiL L L L L LCCC A C B C C C a C b C ciL L L L L LaaaA aB aC aa ab aciL L L L L LbbbA bB bC ba bb bciL L L L L Lccc A c B c C c a c b c c????????? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ???? ? ?? ? ?? ? ???? ? ?? ? ? ???LAA????? 式（ 24） 向量表示為： Li?? 上式中 L是 6 6電感矩陣，現(xiàn)對(duì)矩陣元素分析如下： 對(duì)角線(xiàn)元素 A A B B CC a a b b c cL L L L L L、 、 、 、 、為各繞組的自感；與電機(jī)繞組相交鏈的磁通有兩類(lèi)：一類(lèi)是只與某一相繞組交鏈而不穿過(guò)氣隙的漏磁通；另一類(lèi)是穿過(guò)氣隙的主磁通。 、渦流及鐵芯損耗均忽略不計(jì)。 ，在空間上互差 120 度，不計(jì)邊緣效應(yīng)。 在異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，一般采用 的數(shù)學(xué)模型都是基于理想的電機(jī)模型。其原因有：第一，異步電動(dòng)機(jī)定子有三個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子也可等效為三個(gè)繞組，每個(gè)繞組產(chǎn)生 磁通時(shí)都有自己的電磁慣性，再加上機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)電慣性，即使不考慮變頻裝置中的滯后因素，它至少也是一個(gè)七階的系統(tǒng)；第二，在異步電動(dòng)機(jī)中，磁通乘以電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘以磁通得到旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 2 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型和電壓空間矢量 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和直流電動(dòng)機(jī)相比有著根本的的區(qū)別。智能控制被認(rèn)為是自動(dòng)控制理論、運(yùn)籌學(xué)、人工智能理論的綜合，是主 要根據(jù)人工智能理論更加精確的模擬電機(jī)的非線(xiàn)性徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 性，以此確定智能控制輸出模型的輸出量大小，進(jìn)而確定功率控制器開(kāi)關(guān)模式。 智能控制 在經(jīng)典和各種近代的控制理論基礎(chǔ)之上提出的控制策略都有一個(gè)共同點(diǎn)即控制算法都依賴(lài)于電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，但當(dāng)模型受到參數(shù)變化和擾動(dòng)作用影響時(shí)，如何進(jìn)行有效的控制，使系統(tǒng)仍能保持優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能，便是人們需要研究的一個(gè)大課題。 直接轉(zhuǎn)矩控制的特征是控制定子磁鏈，是直接在定子靜止坐標(biāo)系下，以空間矢量概念，通過(guò)檢測(cè)到的定子電壓、電流，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作為直接拄制對(duì)象，通過(guò)控制定子磁場(chǎng)向量控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 但其需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算以及速度傳感器的安裝，使得其穩(wěn)定性大大的降低。矢量控制變頻器可以分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè)和控制，自動(dòng)改變電壓和頻率，使指令值和檢測(cè)實(shí)際值達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速，大大提高了電機(jī)控制靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 矢量控制 矢量控制是當(dāng)前工業(yè)系統(tǒng)變頻系統(tǒng)應(yīng)用的主流，它是通過(guò)分析電機(jī)數(shù)學(xué)模型對(duì)電壓、電流等變量進(jìn)行解藕而實(shí)現(xiàn)的。異步電動(dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷力矩變化而變動(dòng)，即使目前有些變頻器具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能及轉(zhuǎn)矩提升功能，也難以實(shí)現(xiàn) %的精度，所以采用這種 V/F 控制的通用變頻器異步電機(jī)開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速適用于一般要求不高的場(chǎng)合，如風(fēng)機(jī)、水泵徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 等機(jī)械。但是，由于其屬于速度開(kāi)環(huán)控制方式，調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性并不是十分理想。 交流異步電機(jī)的控制策略分類(lèi) V/F控制 當(dāng)前異步電機(jī)調(diào)速總體控制方案中， V/F 控制方式是最早實(shí)現(xiàn)的調(diào)速方式。交流變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起、制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有前途的調(diào)速方式，成為當(dāng)今節(jié)電、改善工藝 流程以及提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。 直流電機(jī)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用機(jī)械換向器和電刷，使它具有難以克服的固有的缺點(diǎn)，如造價(jià)高、維護(hù)難、壽命短、存在換 }句火花和電磁干擾，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速、單機(jī)容量和最高電壓都受到一定的限制。本文利用基于數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)開(kāi)發(fā)的硬件系統(tǒng)，對(duì)六邊形磁鏈軌跡控制PWM方法和直接轉(zhuǎn)矩控制方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 本文從異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型出發(fā)，根據(jù)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制原理中電壓矢量的選擇方法，推導(dǎo)了一個(gè) 優(yōu)化的電壓矢量選擇表。兩者相結(jié)合構(gòu)成的無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)也成為未來(lái)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展方向之一。 作者簽名： 日 期： 徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 摘 要 1985 年德國(guó)學(xué)者 Depenbrock 提出了異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制 (Direct Torque Control)變頻調(diào)速 思想，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)作為繼矢量控制之后出現(xiàn)的一種新型的現(xiàn)代交流電機(jī)控制技術(shù)，以其控制簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)日益受到更多的關(guān)注。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。徐州師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1