基于DSP直接转矩控制的异步电机系统的设计

论文摘要

直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后出现的又一种新型的高性能交流伺服控制技术。直接转矩控制技术因其控制手段直接,系统响应迅速,系统鲁棒性好,具有优良的静、动态特性,受到了普遍关注。本论文从交流伺服控制技术的发展开始,分析了异步电动机直接转矩控制的基本原理及基本结构。从异步电动机的数学模型入手,通过一系列推导,获得电机在定子坐标系中磁链和转矩的表达式。本文推导了u-i、i-n两种磁链模型,并对这两种磁链模型的适应范围和特点进行了分析,然后推导了在全速范围都适用的u-n模型。通过对逆变器开关状态的分析进而得到电压空间矢量,论述了基于定子坐标系的定子磁链、电磁转矩双闭环控制的思想。使用两点式调节方法对定子转矩进行调节,实现六边形磁链轨迹与圆形轨迹混合的转矩控制方案。主电路采用典型交—直—交电压源型通用变频器结构,其核心器件采用的功率管为ST公司的IRFP460,它是N沟道带有反并联二极管的MOSFET开关管。在电机数字化控制中,本文采用TI公司生产的专门用于电机控制的数字信号控制芯片DSP（TMS320LF2407A）作为控制系统核心处理芯片,完成电机调速控制系统的硬件设计,包括DSP电路、电源电路、采样电路等。该芯片集成了许多电动机控制所需的功能模块,减少了外围电路设计工作;软件方面主要用DSP的汇编语言完成了主程序模块和子程序模块设计,实现了A/D采样、磁链模型、模型切换、转速PI调节等功能。最后论文对整个系统进行了实验,并进行了简要的分析。实验结果表明,本文的提出的控制方法能取得较好的控制效果,动态性能好,可靠平稳,具有很好的实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景和研究的意义
• 1.2 交流伺服技术的发展
• 1.2.1 控制策略的发展
• 1.2.2 相关技术的发展
• 1.3 直接转矩控制技术的概况及特点
• 1.3.1 直接转矩控制技术的发展概况
• 1.3.2 直接转矩控制技术的发展现状及趋势
• 1.4 研究的主要内容
• 2 直接转矩控制系统中的数学模型
• 2.1 异步电动机的基本方程
• 2.1.1 电压方程
• 2.1.2 磁链方程
• 2.1.3 转矩方程
• 2.2 异步电动机在静止坐标系上的数学模型
• 2.2.1 三相-二相变换（3/2变换）
• 2.2.2 异步电动机在α、β坐标系上的数学模型
• 2.3 逆变器的数学模型与电压空间矢量
• 2.3.1 逆变器的数学模型
• 2.3.2 电压空间矢量
• 3 直接转矩控制的基本结构及原理
• 3.1 直接转矩控制的基本结构
• 3.2 磁链模型
• 3.2.1 u-i模型
• 3.2.2 i-n模型
• 3.2.3 u-n模型
• 3.3 磁链调节单元
• 3.3.1 磁链自控制单元
• 3.3.2 磁链幅值调节单元
• 3.4 转矩调节单元
• 3.4.1 转矩两点式调节器
• 3.4.2 P/N调节器
• 3.4 开关信号选择单元
• 4 直接转矩控制的异步电动机系统的硬件设计
• 4.1 主电路
• 4.2 驱动与保护电路设计
• 4.3 控制电路
• 4.3.1 时钟电路
• 4.3.2 复位电路
• 4.3.3 JTAG仿真电路
• 4.3.4 外部存储器扩展
• 4.4 检测电路
• 4.4.1 电压检测电路
• 4.4.2 电流检测电路
• 4.4.3 转速检测电路
• 4.5 电源模块
• 4.6 硬件抗干扰模块
• 5 直接转矩控制的异步电动机系统的软件设计
• 5.1 主程序设计
• 5.2 中断服务子程序
• 5.2.1 电流、电压及转速的变换
• 5.2.2 磁链及转矩模型
• 5.2.3 磁链及转矩调节单元
• 5.2.4 确定定子磁链所在扇区
• 5.2.5 转速 PI调节器
• 5.2.6 查开关状态表和写 PWM寄存器
• 5.2.7 清除中断标志和开启中断
• 5.3 功率保护模块设计
• 5.4 系统软件抗干扰措施
• 6 控制系统的调试与运行结果
• 6.1 实际的硬件电路
• 6.2 实际波形与分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢