【正文】 高系統(tǒng)的控制性能，應采用速度閉環(huán)控制，因此需要檢測感應電機的轉(zhuǎn)速。因此，如何準確檢測Rs的實時變化，一直是改善系統(tǒng)低速性能的首要間題。當電機運行當中，高速時，若忽略定子電阻Rs,控制結果仍具有很高的精度；但速度越低，定子電壓降落于定子電阻上的分量會越來越大。但另一方面，矢量的選擇也有一定的限制，除了要考慮中點電壓平衡的問題，還不能使相電平及線電平跳變超過直流母線電壓的一半。原理與兩電平電路類似，但三電平電路的矢量數(shù)為27，遠大于兩電平的矢量數(shù)8，因此矢量選擇范圍大，能更好地通近正弦磁通，控制電機獲得更好的性能。2. 逆變器的設計對異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的空間電壓矢量PWM而言，目前使用較多的是兩電平電路。用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)DTC系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和磁通調(diào)節(jié)時，觸發(fā)器的容差大小將直接影響系統(tǒng)的性能，而容差本身又是個模糊量，難于控制。1. 開關模式表的設計傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)一般對轉(zhuǎn)矩和磁通采用單滯環(huán)控制，根據(jù)各滯環(huán)的輸出結果來確定電壓矢量。當前，德國、日本、美國等國都投入了大量的人力、物力和資金開發(fā)和發(fā)展此項技術。該技術已經(jīng)成功地應用在鐵路牽引大功率的交流傳動上。3. 開關頻率不固定在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制中，逆變器的開關頻率會隨電機轉(zhuǎn)速以及磁鏈和轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)大小而變化。比如，在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁鏈觀測是由ui模型得到的，在低速時，由于存在定子阻抗壓降，會造成定子磁鏈觀測不準確，使低速性能變差。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術存在的問題盡管直接轉(zhuǎn)矩控制具有結構簡單、轉(zhuǎn)矩響應快以及對參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點。其控制方式是，通過轉(zhuǎn)矩兩點式調(diào)節(jié)器或三值調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作帶滯環(huán)的比較，把轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)。相反，從控制轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)，它強調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，因而它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。直接控制轉(zhuǎn)矩與著名的矢量控制的方法不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，直接控制轉(zhuǎn)矩。3. 直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動機的數(shù)學模型和控制其各物理量，使問題簡單明了。而矢量控制的磁場定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，觀測轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電動機轉(zhuǎn)子電阻和電感。因此，它所需要的信號處理工作特別簡單，所用的控制信號使觀察者對于交流電動機的物理過程作出直接和明確的判斷。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術的特點及存在的問題 直接轉(zhuǎn)矩控制技術的特點直接轉(zhuǎn)矩控制相對于其它控制方法具有以下特點[4]：1. 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈。目前高性能的交流調(diào)速控制技術主要是指矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種控制方式。它們相繼提出了一些新的控制方法[2]，如直接轉(zhuǎn)矩控制，電壓定向控制和定子磁場定向控制等，其中直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control, DTC)技術以其結構簡單、轉(zhuǎn)矩響應迅速以及對參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點引起廣泛關注。但是矢量控制需要以轉(zhuǎn)子磁場來定向進行坐標旋轉(zhuǎn)變換，所以系統(tǒng)結構復雜，計算量大，并且對電機轉(zhuǎn)子參數(shù)的依賴性較大，當轉(zhuǎn)子電阻或轉(zhuǎn)子時間常數(shù)發(fā)生變化時，其控制就會出現(xiàn)嚴重的問題，因而需要加上對轉(zhuǎn)子參數(shù)進行辨識的環(huán)節(jié)，這無疑又加大了控制的復雜程度。1968年Darmstader工科大學的Hasse博士初步提出了磁場定向控制(Field Orientation)理論，也稱為矢量控制，逐步形成了現(xiàn)在的各種矢量控制方案。三相感應電動機是一個多變量、非線性、時變、強耦合的被控對象，同時電機的一些參數(shù)在不同運行工況中會發(fā)生變化，所以其模型非常復雜。這其中，交流電動機，特別是三相異步電動機，由于克服了直流電動機造價偏高、維護困難、壽命短、單機容量和最高電壓受一定限制等缺點，自然成為生產(chǎn)中應用最多的電動機。利用Matlab/Simulink工具對系統(tǒng)進行了建模仿真，結果表明在直接轉(zhuǎn)矩控制中應用模糊控制技術，提高了電機的動態(tài)性能以及抗參數(shù)變化的能力，在實際的電機控制系統(tǒng)中，具有良好的發(fā)展前景。基于DSP的異步電動機變頻調(diào)速的研究摘 要本文首先論述了直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，針對傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制采用BandBand磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制器而導致系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應較慢和脈動較大的缺點，提出了一種模糊控制器，根據(jù)一套基于專家經(jīng)驗和知識的模糊規(guī)則，應用模糊邏輯推理來確定逆變器的開關狀態(tài)。論文以TMS320LF2407A芯片為核心控制器件，組建了一個全數(shù)字化的模糊直接轉(zhuǎn)矩控制實驗系統(tǒng)，軟件部分采用C語言和匯編語言混合編程的設計方法，既保證了控制程序算法的運算速度，又為從軟件方面著手改善系統(tǒng)性能提供了可能性。關鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制，模糊控制，TMS320LF2407A，系統(tǒng)仿真AbstractThe thesis first explains the basic running principle of Direct Torque Control (DTC).Considering the slow torque response and the large torque ripple of ordinary DTC, a fuzzy controller is proposed to substitute the classic BandBand flux and torque controller, which adopts fuzzy logic to choose the switching states according to a set of fuzzy rules based on both specialists’ experience and knowledge. This thesis builds a digital fuzzy logic DTC experimental system based on TMS320LA2407A chip. The software system is developed through C programming and Assemble Language, which can not only ensure the arithmetic efficiency but also offer the possibility of improving the performance of system by modifying software. This paper contributes the emulational model via Simulink module of Matlab software, the results show that applying fuzzy control in DTC, can improve the dynamic performance of controlling system and the capacity of resisting change in parameters. In the actual motor control system, this method is a promising AC drive scheme.Keywords：direct torque control, fuzzy logic control, TMS320LF2407A, system simulation64目 錄1 緒論 1 引言 1 直接轉(zhuǎn)矩控制技術的特點及存在的問題 2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術的特點 2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術存在的問題 3 直接轉(zhuǎn)矩控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 3 論文的主要工作及研究的意義 52 直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論 7 異步電動機動態(tài)數(shù)學模型 7 直接轉(zhuǎn)矩控制理論 9 異步電動機的磁鏈觀測模型 9 空間矢量PWM逆變器 10 磁鏈和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制原理 13 磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制性能分析 15 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制算法的實現(xiàn) 18 轉(zhuǎn)矩偏差的確定 18 磁鏈偏差的確定 18 開關表的確定 183 基于模糊控制器的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 22 模糊控制理論簡介 22 模糊控制的基本原理 22 模糊控制器設計的基本方法 23 直接轉(zhuǎn)矩控制的模糊控制方法 26 模糊子集的選取 27 模糊控制規(guī)則的建立 28 模糊推理及模糊決策 29 模糊控制的實現(xiàn) 30 模糊量的離散化 30 模糊控制表的計算 314 模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真研究 34 MATLAB及SIMULINK 簡介 34 仿真系統(tǒng)的組成 34 模糊控制器 34 轉(zhuǎn)矩、磁鏈和磁鏈角的計算 36 逆變器模型 37 電機模型 38 S函數(shù)的設計 38 系統(tǒng)仿真模型圖 40 仿真結果分析 415 控制系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn) 45 控制用芯片TMS320LF2407A簡介 45 硬件整體設計概述 47 功率電路設計 47 控制電路設計 48 電流檢測電路及AD輸入電平匹配電路 49 母線電壓檢測 50 速度檢測 51 PWM輸出 51 串行通訊接口(SCI) 52 顯示電路 526 控制系統(tǒng)軟件設計 54 DSP軟件設計介紹 54 C語言和匯編語言混合編程的實現(xiàn)方法 54 集成開發(fā)環(huán)境CCS簡介 55 軟件設計整體概述 56 主程序設計 56 DSP初始化設計 57 串行通信(SCI)模塊程序設計 59 顯示模塊程序設計 59 PWM中斷服務程序模塊 60 功率模塊保護中斷服務程序 61 速度檢測程序 62結論與展望 63致 謝 65參考文獻 65論文 1 緒論 引言電動機被廣泛應用于工業(yè)、民用的各個領域。隨著現(xiàn)代技術的進步，特別是電力電子技術、微處理器技術和自動控制理論的發(fā)展，電機控制技術已不再是傳統(tǒng)的“電動機控制”或“電氣傳動”,而是在此基礎上進一步融合了“運動控制”[1]的概念，要求精確地實現(xiàn)被控對象的位置控制、速度控制、加速度控制以及轉(zhuǎn)矩的控制。現(xiàn)代電機理論的發(fā)展促進了人們對于電機內(nèi)部各變量關系的研究與分析，以Park等為代表的學者以坐標變換為基礎，提出了電機統(tǒng)一理論，在一定條件下，得到了三相感應電機在二相坐標系中的數(shù)學模型，并且經(jīng)過坐標變換，得到解耦的數(shù)學模型。其原理是用矢量變換的方法研究電機的動態(tài)控制過程，不但控制各變量的幅值，同時控制其相位，并利用狀態(tài)重構和估計的現(xiàn)代控制概念，巧妙實現(xiàn)了交流電機磁通和轉(zhuǎn)矩的重構及解耦控制，從而促進了交流電機控制系統(tǒng)走向?qū)嵱没?。在研究矢量控制技術的同時，各國學者并未放棄其他控制方法的研究。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標變換，簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，通過直接控制逆變器的開關狀態(tài)，使轉(zhuǎn)矩和磁鏈偏差限制在預定的容差范圍內(nèi)，最終實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。這兩種控制技術正在成為感應電動機轉(zhuǎn)矩控制的工業(yè)標準，并且基于這兩種技術的交流傳動變頻器已經(jīng)在工業(yè)上成為現(xiàn)實[3]。它既不需要將交流電動機與直流電動機作比較、等效、轉(zhuǎn)化，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變化等復雜的變換計算。2. 直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它檢測出來。因此直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術中控制性能易受參數(shù)影響的問題。4. 直接轉(zhuǎn)矩控制強調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，它包含有兩層意思：直接控制轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩的直接控制。因此它并非極力獲得理想的正弦波波形，也不專門強調(diào)磁鏈的圓形軌跡。而對轉(zhuǎn)矩的直接控制是指利用直接轉(zhuǎn)矩控制技術對轉(zhuǎn)矩實行直接控制。因此它的控制效果不取決于電動機的數(shù)學模型是否能夠簡化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實際情況，控制既直接又簡化。然而，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制存在下面一些問題[5]：1. 低速性能差低速性能差是一個綜合問題，它包括低速轉(zhuǎn)矩脈動問題，磁鏈觀測問題，定子電阻補償問題，低速下噪聲大的問題。2. 電流和轉(zhuǎn)矩脈動大電流和轉(zhuǎn)矩是直接相關的，對于傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制來說，無論低速還是高速，都存在轉(zhuǎn)矩脈動比較大的問題。 直接轉(zhuǎn)矩控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展十多年來，直接轉(zhuǎn)矩控制不斷得到完善和發(fā)展，許多文章從不同的角度提出新的見解和方法，特別是隨著各種智能控制理論的引入，又涌現(xiàn)了許多基于模糊控制理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，控制性能得到了進一步的改善和提高。但是，由于直接轉(zhuǎn)矩控制還是一門發(fā)展中的技術，仍有許多不完善的地方。研究現(xiàn)狀可以從以下幾個方面加以闡述[6]。顯然，轉(zhuǎn)矩、磁通的偏差區(qū)分得越細，電壓矢量的選擇就越精確，控制性能也就能得到改善。因此可以引入智能控制技術，設計智能開關狀態(tài)選擇器。它是根據(jù)給定電壓矢量的位置和大小，利用有限的8個空間電壓矢量，調(diào)整其作用時間，使之能在一個采樣周期內(nèi)的平均效果和給定矢量等效。同時，因每條橋臂由兩個管子承受電壓，系統(tǒng)容量變大，可靠性提高，損耗減少。3. 低速性能的改善傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)中，定子磁鏈一般采用UI模型[7]：Ψs為定子磁鏈，Us、Is分別為定子電壓、電流瞬時空間矢量，Rs為定子電阻。此時，若忽略Rs或認為它是常數(shù)，磁鏈幅角、幅值與真實值偏差會越來越大，這是因為磁鏈的估算為開環(huán)積分型，一旦有誤差，則無法衰減，只能依次疊加，會嚴重影響系統(tǒng)性能。近年來，人們設計了多種定子電阻觀測器來解決之。傳統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速檢測裝置多采用測速發(fā)電機或光電數(shù)字脈沖編碼器。所以無速度傳感器感應電機控制研究多年來一直受到高度重視。全數(shù)字控制方式以微型計算機作為整個系統(tǒng)的核心，在盡可能少的硬件支持下，將復雜的思想用軟件實現(xiàn)，既可以快速地計算結果，將結果進行綜合比較、分析和顯示，判斷后作