基于DSP的异步电机直接转矩控制系统的研究

　　引言

　　直接转矩控制技术，是继20世纪70年代矢量控制技术之后出现的又一种交流电机高性能调速技术。直接转矩控制系统以其简单的控制思想、简洁的系统结构、快速的转矩响应、优良的静动态性能得以迅速发展。

　　直接转矩控制的基本原理

　　异步电动机直接转矩控制的基本思想是在保持定子磁链幅值不变的条件下，通过控制电动机定子磁链的运动方向和速度来改变定子磁链和转子磁链的夹角，调节电磁转矩，达到电动机调速的目的。其强调的是转矩的直接控制及其效果：把转矩作为被控量，直接控制转矩，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值做滞环比较，产生PWM信号， 直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。因此定子磁链和电磁转矩的估算在直接转矩控制算法中占有重要的地位。

　　定子磁链最简单的计算方法是使用U-I模型，写成分量形式为：

　　磁链的幅值为

　　其中， ψ是磁链， μ是线电压， i是线电流，R是电阻。此系统中积分的时间为采样周期。

　　电机的定子线电流利用Clark变换由三相a-b-c坐标系变换到两相a-β坐标系下：

　　定子线电压可以由逆变器的直流母线电压(Udc)和当前输出PWM信号的三个电压开关状态(Sa，Sb，Sc)得到：

　　电磁转矩的计算式：

　　其中np是电机的极对数。

　　一个标准的三相电压型逆变器的输出只有8种电压矢量，包括6个工作电压矢量和2个零电压矢量。直接转矩控制过程中，根据各个电压矢量对定子磁链和电磁转矩的作用效果，预先制定出一个电压矢量开关表。在每个控制周期中，根据定子磁链与转矩的滞环区间及定子磁链所在的扇区，从开关中选出相应的电压矢量，从而产生PWM信号作用于逆变器，使电机运转。

　　系统的硬件设计

　　异步电动机直接转矩控制系统硬件结构框图如图1所示。

图1 直接转矩控制系统硬件结构框图

　　由图1可见，系统硬件电路主要由主电路、控制器、测量和驱动接口、保护电路等组成。直流母线电压以及交流侧两相电流经霍尔效应传感器测得，并经低通滤波后送到DSP的ADC 模块，DSP输出脉宽调制信号经驱动、隔离后送给IPM模块的驱动端，使IPM模块工作。如果IPM模块出现异常，如过流、过热、过压等，则输出一个“错误”信号给DSP，DSP立即封锁PWM输出，保护IPM模块。

　　该系统中选用TMS320F2808作为控制核心，DSP芯片主频为100M，片内资源丰富，包括16通道模拟输入高速12位A/D转换器、3个32位的CPU定时器、6个具有可编程死区的ePWM模块、4个32位的输入捕捉单元、2个32位的正交编码脉冲模块，以及业界通用的异步串行接口、串行同步外设接口和CAN总线接口，这些资源为TMS320F2808在工业控制中尤其是在电机控制中有着很大的优势，为直接转矩系统的研究开发提供了很大的便利。