基于DSP的直接转矩控制系统的研究

论文摘要

传统的调速控制多采用直流电动机,这是由于直流电动机可以通过改变电枢电压以及调节励磁电流实现无级调速。但是直流电机存在结构复杂,造价昂贵,机械换向器与电刷之间存在换向火花等问题,而且维护困难。随着生产技术的发展,交流调速已经进入逐渐取代直流调速的时代。交流电动机是多变量,强耦合的非线性时变系统,与直流电动机相比,交流电机的转矩控制要困难的多。直接转矩控制（Direct Torque Control）理论很好的解决了这一问题。这一理论主要采用空间矢量的方法,直接在定子坐标系下计算和控制交流电机的磁链和转矩,采用定子磁场定向控制的方法,直接跟踪定子磁链和电磁转矩,借助于调节器产生的PWM信号,对逆变器的开关状态进行最佳控制,以获得高动态性能的转矩响应。本文利用MATLAB/Simulink工具箱中的电力系统模块,根据直接转矩控制原理,建立了调速系统的数学模型,进行了仿真研究,研究结果表明磁链轨迹近似为圆形,实际转速跟随指令转速效果良好。硬件方面主电路采用交-直-交的拓扑结构。在设计方面采用TI公司专门为电机驱动开发的DSP芯片TMS320LF2407A作为控制系统的处理器,该芯片集成了许多电机控制所需要的功能控制模块,减少了外围电路设计工作。驱动部分主要采用IPM为驱动核心,通过光电耦合电路和DSP通信。软件进行了整体方案的构建,给出了软件流程。最后,完成了包括启动及闭环运行等在内的仿真实验,分析了实验结果,总结了系统设计的成功和不足之处,并展望了直接转矩控制技术的发展前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 交流电动机调速技术的发展
• 1.2.1 电力电子技术的发展
• 1.2.2 微处理器发展概况
• 1.2.3 交流电机的调速策略
• 1.3 直接转矩控制技术的提出、发展与特点
• 1.3.1 直接转矩控制技术的提出
• 1.3.2 直接转矩控制技术的发展
• 1.3.3 直接转矩控制技术的特点
• 1.4 本课题完成的主要任务
• 2 直接转矩控制的基本原理与建模
• 2.1 矢量控制的坐标变换
• 2.1.1 Clarke 变换
• 2.1.2 矢量旋转变换
• 2.2 异步电动机在不同坐标系下的数学模型
• 2.2.1 异步电动机在静止三相坐标系统下的数学模型
• 2.2.2 异步电动机在静止两相坐标系统下的数学模型
• 2.2.3 异步电机在正交两相公共坐标系统下的数学模型
• 2.3 定子磁场定向控制原理
• 2.4 逆变器模型和空间电压矢量
• 2.5 空间电压矢量对定子磁链及电磁转矩的作用
• 2.5.1 空间电压矢量对定子磁链的作用
• 2.5.2 空间电压矢量对电动机转矩的作用
• 2.6 直接转矩控制的基本原理
• 2.6.1 磁链、转矩的滞回控制
• 2.6.3 空间电压矢量的选择
• 2.6.4 定子磁链和电磁转矩的观测
• 2.6.5 磁链与转矩给定值的计算
• 2.7 小结
• 3 直接转矩控制系统MATLAB 仿真
• 3.1 系统仿真模块的建立
• 3.2 CLARKE 变换仿真模型
• 3.3 转速PI 调节器仿真模型
• 3.4 定子磁链及电磁转矩计算仿真模型
• 3.5 滞环比较环节的仿真模型
• 3.6 空间磁链位置判断仿真模型
• 3.7 小结
• 4 直接转矩控制系统的硬件设计
• 4.1 系统的硬件设计
• 4.2 DSP 控制电路的介绍
• 4.2.1 TMS320LF2407A 的性能特点
• 4.2.2 DSP 控制板介绍
• 4.3 功率板电路设计
• 4.3.1 整流滤波电路设计
• 4.3.2 IPM 的设计及驱动
• 4.3.3 电流检测电路
• 4.3.4 电压检测与保护电路
• 4.3.5 转速测量电路
• 4.4 小结
• 5 直接转矩控制系统的DSP 软件设计
• 5.1 TMS320LF2407A 中的数据运算格式
• 5.3.2 PWMSYNC 中断服务子程序
• 5.3.3 电压信号采集模块
• 5.3.4 磁链区间判断模块
• 5.3.5 定子磁链计算模块
• 5.3.6 故障中断处理子程序
• 5.4 软件抗干扰措施
• 5.5 小结
• 6 实验仿真结果与分析
• 6.1 负载恒定启动
• 6.2 给定转速下负载突变情况
• 6.3 实验结果分析
• 6.4 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A：测量及保护电路
• 附录B：DSP 控制板电路
• 附录C: 直接转矩控制系统实验平台
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文