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永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    張嵩¹，楊霞²，肖竹²

(1．遼寧省高速公路管理局丹東管理處，遼寧丹東118000；2．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽(yáng)110870)

    摘要：文章介紹了永磁同步電動(dòng)機(jī)模型和直接轉(zhuǎn)矩控制原理。在直接轉(zhuǎn)矩控制理論的基礎(chǔ)上，本文采用空間矢量調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制。本系統(tǒng)采用TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器-TMS320F2812型做為核心控制器件，并分別從硬件和軟件流程上進(jìn)行說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和調(diào)速性能。

    關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；數(shù)字信號(hào)處理器

O引言

    直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)摒棄了傳統(tǒng)矢量控制的解耦思想，采用定子磁鏈定向，直接控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，使其具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。

    本文采用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVF·WM)，以降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，減少電流畸變。控制器采用的DSP為TI公司的專用電機(jī)控制芯片，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制，實(shí)現(xiàn)了永磁同步電動(dòng)機(jī)的全數(shù)字控制。

1永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

    假設(shè)永磁同步電機(jī)具有正弦形的反電動(dòng)勢(shì)波形，不考慮磁路飽和，忽略電機(jī)中的渦流損耗和磁滯損耗，可得到其在轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系出d-q軸系下的數(shù)學(xué)模型為：

 

式中，u_d、u_q、ψ_d、ψ_q分別為d-q軸上的定子電壓和磁鏈：L_d、L_q分別為d—q軸定子電感；

ψ_f為永磁體磁鏈：ω_r為轉(zhuǎn)子電角頻率；p為磁極對(duì)數(shù)；R_s為定子繞組電阻；t_e為輸出電磁轉(zhuǎn)矩；t_L為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ωr為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；R_Ω為阻尼系數(shù)。

2永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

    直接轉(zhuǎn)矩控制采用控制定子電壓矢量來(lái)控制定子磁鏈：通過(guò)定子電壓矢量的徑向分量usr控制幅值ψ_s的變化，而利用其切向分量控制ψ_s的轉(zhuǎn)速ω_s，如式(7)所示。

  

在定子DQ中，定子磁鏈?zhǔn)噶喀穝的兩個(gè)分量Ψ_D，和Ψ_Q，由式(8)、(9)估計(jì)出來(lái)，以求出幅值估計(jì)值Ψs和轉(zhuǎn)矩估計(jì)值te。

   

空間矢量調(diào)制技術(shù)(SVPWM)就是使電機(jī)獲得一個(gè)恒定的圓形磁場(chǎng)。其不同開關(guān)組合電壓向量表如表l所示。其扇區(qū)分布圖如圖l所示，共6個(gè)扇區(qū)，8個(gè)電壓矢量。

3永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制硬件設(shè)計(jì)

    硬件設(shè)計(jì)上，采用TI公司的DSP的2000系列TMS320F2812，采用IPM智能功率模塊作為整流和逆變單元，即DSP+IPM的模式。其中DSP  TMS320F2812實(shí)現(xiàn)的功能主要有：I/O處理(包括控制信號(hào)：起、停，正反轉(zhuǎn)等)；位置、速度、電流檢測(cè)計(jì)算；Park反變換和Clark變換；轉(zhuǎn)矩和磁鏈估計(jì)算法；速度、轉(zhuǎn)矩、磁鏈調(diào)節(jié)器；電壓空間矢量SVPWM控制。電壓型逆變器由智能功率模塊(IPM)來(lái)完成。。IPM主要接收DSP發(fā)送的SVPWM信號(hào)，控制IPM內(nèi)部的6個(gè)IGBT功率開關(guān)管組成的逆變電路的通斷，產(chǎn)生電壓空間矢量。電動(dòng)機(jī)的檢測(cè)電路由相電流檢測(cè)和速度(或位置)檢測(cè)組成。電流檢測(cè)電路由霍爾傳感器將檢測(cè)到的A、B、C相電流經(jīng)過(guò)隔離放大后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸入DSP，內(nèi)的A／D模塊進(jìn)行處理，等待Clark程序模塊處理。速度(或位置)檢測(cè)電路選用多摩川2500線的增量式光電編碼器來(lái)完成。從編碼器輸出的兩路正交信號(hào)直接與TMS320F2812的正交編碼脈沖(QEP)相連接。從而計(jì)算出轉(zhuǎn)子角位置及轉(zhuǎn)速。圖2為永磁同步電

機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖。

    SVM-DTC控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，其中參考電壓矢量計(jì)算單元和空間電壓矢量調(diào)制單SVM替代了常規(guī)DTC中的磁鏈、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器和開關(guān)表。

    在圖2中，參考角速度ω_r^x與反饋角速度ω_r之差經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出參考轉(zhuǎn)矩指令t_e^x，