完美升级版感应电机无速度传感器直接转矩控制系统的设计毕业论文设计.docx
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完美升级版感应电机无速度传感器直接转矩控制系统的设计毕业论文设计
徐州师范大学
本科生毕业论文（设计）
论文题目：
感应电机无速度传感器
直接转矩控制统的设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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指导教师签名：
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使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
摘要
1985年德国学者Depenbrock提出了异步电动机的直接转矩控制（DirectTorqueControl）变频调速思想，直接转矩控制技术作为继矢量控制之后出现的一种新型的现代交流电机控制技术，以其控制简单、鲁棒性强、动态性能好等优点日益受到更多的关注。
无速度传感器技术的优势使得它成为目前电机控制研究热点之一。
两者相结合构成的无速度传感器直接转矩控制系统也成为未来电机控制技术的发展方向之一。
本文正是针对这一技术进行了一些研究。
本文从异步电动机数学模型出发，根据传统直接转矩控制原理中电压矢量的选择方法，推导了一个优化的电压矢量选择表。
利用该电压矢量表，直接根据定子磁链的轴分量，结合当前的磁链位置查表得到磁链电压，再根据转矩误差信号得出当前的电压矢量，对逆变器的开关状态进行控制，产生适当的PWM信号，使电机的磁链沿近似六边形轨迹运动的同时获得高动态特性的转矩响应。
本文利用基于数字信号处理器（DSP）开发的硬件系统，对六边形磁链轨迹控制PWM方法和直接转矩控制方案进行了实验研究，实现了控制系统的稳定运行。
关键词:
直接转矩DSP电压矢量表
Abstract
ThestrategyofDirectTorqueControlisoneofthevariablefrequencyspeedcontrolscheme,whichwasdevelopedin1985byProf.Depenbrock.TheDirectTorqueControl（DTC）techniqueattractsmoreandmoreattentionafterVectoControltheorybecauseofitsrobustcharacteristic,simplerealizationandexcellentdynamicresponse.Theadvantagesofspeed-sensorlesstechniquehavemadeitbecomeafocusofcurrentmotorcontrolreseachworks.Withthecombinationofthesetwotechniques,speed-sensorlessDTCsystembecomeoneofthedirectionsformotorcontroltechniqueinfuture.Inthispaper,theschemeisinvestigatedthoroughly.
Onthebasisofthemathematicalmodelofinductionmachine,anoptimizedvoltagevectorselectiontablewasdeducedbasedonthetheoryofthetraditionDTC.Byutilizingthevectorselectiontable,wecangetitdirectlyfromthevoltagevectorselecttableafterweattainedthreevalues,thatis,thepfractionsofthestatorfluxandcurrentpositionofit.Accordingtothetorqueerrorsignal,wecangetthecurrentvoltagevectorunderwhichtheinverterwillproducerelevantPWMvoltagesignaltothemotorterminals.Highdynamicresponseoftorquecontroloftheinductionmotorisachievedasthestatorfluxmovesalongahexagonapproximately.WedevelopedahardwaresystembasedonDigitalSignalProcessor（DSP）andcarriedoutDTCexperimentonit,realizingthesuccessfuloperationofthesystem.
Keywords:
DTCDSPvoltagevectorselectiontable
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
1绪论1
1.1概述1
1.2交流异步电机的控制策略分类1
2异步电机数学模型和电压空间矢量4
2.1异步电动机的数学模型4
2.2电压空间矢量11
3DSP芯片概述13
3.1DSP芯片的定义及分类13
3.2DSP芯片的发展历程15
3.3DSP芯片的应用16
4控制系统硬件设计17
4.1主电路的设计18
4.2控制回路设计22
4.2.1DSP控制板23
5系统软件设计25
5.1直接转矩控制的原理26
5.1.1定子磁链观测器27
5.1.2磁链和转矩的控制29
5.1.3磁链位置的判断31
5.1.4电压矢量选择表32
5.2主程序设计34
5.3子程序设计34
结束语37
[参考文献]38
1绪论
1.1概述
现代电气传动技术以电机为控制对象、微处理器为控制核心、电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成电气传动控制系统以达到控制电机转速或位置的目的。
直流电机存在结构复杂，使用机械换向器和电刷，使它具有难以克服的固有的缺点，如造价高、维护难、寿命短、存在换}句火花和电磁干扰，电机的最高转速、单机容量和最高电压都受到一定的限制。
所以交流电机得以进入更多的领域并得到迅猛发展。
交流变频调速以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，被国内外公认为最有前途的调速方式，成为当今节电、改善工艺流程以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
随着电力电子技术、微电子学、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电力传动领域正在发生着交流调速代替直流调速和计算机数字控制技术代替模拟控制技术的革命。
1.2交流异步电机的控制策略分类
V/F控制
当前异步电机调速总体控制方案中，V/F控制方式是最早实现的调速方式。
该控制方案结构简单，通过调节逆变器输出电压实现电机的速度调节，根据电机参数，设定V/F曲线，其可靠性高。
但是，由于其属于速度开环控制方式，调速精度和动态响应特性并不是十分理想。
尤其是在低速区域由于定子电阻的压降不容忽视而使电压调整比较困难，不能得到较大的调速范围和较高的调速精度。
异步电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以实现0.5%的精度，所以采用这种V/F控制的通用变频器异步电机开环变频调速适用于一般要求不高的场合，如风机、水泵等机械。
若开发高性能专用变频控制系统，此种控制方式不能满足系统要求。
矢量控制
矢量控制是当前工业系统变频系统应用的主流，它是通过分析电机数学模型对电压、电流等变量进行解藕而实现的。
针对不同的应用场合，矢量控制系统可以分为带速度反馈的控制系统和不带速度反馈的控制系统。
矢量控制变频器可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测和控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了变频调速，大大提高了电机控制静态精度和动态品质。
转速精度约等于0.5%，转速响应也较快。
但其需要进行复杂的数学计算以及速度传感器的安装，使得其稳定性大大的降低。
直接转矩控制
除以上两种调速方式之外，国际学术界比较流行的电机控制方案研究还有致力于直接控制电机输出转矩的直接转矩控制（DTC）。
将电机输出转矩作为直接拄制对象，通过控制定子磁场向量控制电机转速。
将直接转矩控制和矢量控制进行对比，单从原理上分析，直接转矩控制和矢量控制没有太大的区别。
直接转矩控制的特征是控制定子磁链，是直接在定子静止坐标系下，以空间矢量概念，通过检测到的定子电压、电流，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链和转矩，获得转矩的高动态性能。
它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量变换中的许多复杂计算，它也不需要模仿直流电动机的控制，从而也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，而只需关心电磁转矩的大小，因此控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易得到磁链模型，并方便地估算出同步速度信息，同时也很容易得到转矩模型，磁链模型和转矩模型就构成了完整的电动机模型，因而能方便地实现无速度传感器控制。
智能控制
在经典和各种近代的控制理论基础之上提出的控制策略都有一个共同点即控制算法都依赖于电机的数学模型，但当模型受到参数变化和扰动作用影响时，如何进行有效的控制，使系统仍能保持优良的动静态性能，便是人们需要研究的一个大课题。
智能控制就随之产生。
智能控制被认为是自动控制理论、运筹学、人工智能理论的综合，是主要根据人工智能理论更加精确的模拟电机的非线性性，以此确定智能控制输出模型的输出量大小，进而确定功率控制器开关模式。
得到实际应用的智能控制有专家系统、模糊控制、神经网络等，这将是电机控制的发展方向。
2异步电机数学模型和电压空间矢量
2.1异步电动机的数学模型
异步电动机的数学模型和直流电动机相比有着根本的的区别。
异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
其原因有：
第一，异步电动机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再加上机械系统的机电惯性，即使不考虑变频装置中的滞后因素，它至少也是一个七阶的系统；第二，在异步电动机中，磁通乘以电流产生转矩，转速乘以磁通得到旋转感应电动势。
由于这些因素都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项，这样一来，即使不考虑磁路饱和等因素，数学模型也是非线性的；第三，异步电动机只有一个三相电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，为了获得良好的动态性能，还希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能发挥出较大的转矩。
在异步电机调速系统中，一般采用的数学模型都是基于理想的电机模型。
该模型对异步电机作如下的几个基本假设：
1.异步电机的磁路是对称的，不计磁饱和的影响。
2.电机定转子三相绕组在结构上完全对称，在空间上互差120度，不计边缘效应。
3.定转子表面光滑，无齿槽效应，定转子每相气隙磁势在空间上呈正弦分布。
4.磁饱和、涡流及铁芯损耗均忽略不计。
图2.1恒转矩负载下异步电动机在三相静止坐标系上的多变量数学模型
电压方程
定子三相绕组的电压平衡方程为：
式（2-1）
转子三相绕组折算到定子侧的电压平衡方程为：
式（2-3）
把上面两个式子写成矩阵形式，并用p代替微分算子得到：
式（2-3）
向量表示为：
式中为三相定子电压；为三相转子电压；为三相定子电流；为三相转子电流；分别为定转子电阻；为三相定子磁链；为三相转子磁链。
磁链方程
每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和与六个绕组的磁链方程可以矩阵表达
式为：
式（2-4）
向量表示为：
上式中L是6×6电感矩阵，现对矩阵元素分析如下：
对角线元素
为各绕组的自感；与电机绕组相交链的磁通有两类：
一类是只与某一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通；另一类是穿过气隙的主磁通。
设为两相绕组平行时的互感，绕组漏感为。
由于定转子折算后绕组匝数相等，认为，则：
定子三相绕组的自感
；转子三相绕组的自感；
（2）非对角线元素为定子绕组、转子绕组之间的互感和定转子绕组之间的互感。
定子绕组位置固定相差120°，所以定子绕组之间的互感为：
式（2-5）
同理三相转子绕组之间互感为：
式（2-6）
定子和转子绕组之间互感由于定转子绕组之间的夹角是变化的，所以该互感参数是角位移的函数。
定转子之间的互感表达式为：
式（2-7）
由以上的讨论将式（2-5）写成分块矩阵为：
其中：
系数矩阵L中为对称常数矩阵；但是之间的关系为：
是三角函数矩阵，比较复杂，但是和互为转置关系，这是值得利用的特点。
系统的强耦合非线性特性就是由余弦函数矩阵表达出来的。
这就是异步电机控制非线性的根源所在。
将式（2-4）代入到式（2-3）中并展开成得到向量形式为：
式（2-8）
因为L阵是角位移的函数，故上式可进一步写成：
式（2-9）
式中，为电动机的旋转角速度（用电角度表示）。
3．运动方程
电动机的机械运动方程为：
式（2-10）
式中，为电机额定输出转矩；为负载转矩；为电动机转轴上总的转动惯量；为电机极对数。
4．转矩方程
根据机电能量转换原理，在多绕组电机中，在线性电感的条件下，磁场的储
能和磁共能为：
式（2-11）
而电磁转矩等于机械角位移变化时磁共能的变化率（电流不变），且机械角位移，则：
将和的代入上式并整理得：
式（2-12）
从以上的推导得出三相异步电机的数学模型，由式（2-8）、（2-9）、（2-10）组成。
式（2-13）
由式（2一13）可知异步电动机的数学模型比较复杂，本质上因为异步电动机是高阶、非线性、多变量和强祸合的系统，我们希望通过坐标变换使之简化。
式（2一13）的异步电动机的数学模型是建立在三相静止A、B、C坐标系上的，现在把它变换到任意二相旋转d、q坐标系上，比原来的模型简单。
图2.2异步电机坐标模型
该电机模型已经由实践所证实，图2.2显示了它的坐标模型。
其中A、B、C为三相定子绕组轴线，d、q为等效两相电机模型轴线。
由此物理模型，可推导得到任意速度旋转坐标系下异步电机的状态方程为：
电压方程式（2一14）:
式（2-14）
磁链方程式（2一15）：
式（2-15）
电磁转矩方程式（2一16）：
式（2-16）
机电运动方程式（2一17）：
式（2-17）
将式（2-15）代入（2-14）式中，得：
式（2-18）
式中d、q系统的旋转速度
当时为同步旋转d、q系统；当时为定子静止坐标系统。
转子旋转角速度
同步旋转角速度，即定子角频率
转差角速度
定子电阻定子电感
转子电阻转子电感
极对数定转子互感
转动惯量电磁转矩
负载转矩微分算子
下标s、r分别表示定子、转子侧的物理量。
从电机统一理论可知，在静止坐标系上的异步电动机的等值电路如图2.3所示。
图2.3异步电机空间矢量等效电路
对于鼠笼式异步电机而言，Ur=0，为了方便下面对直接转矩控制的理论分析，现将α-β定子坐标系下的鼠笼式异步电机数学模型改用复数空间向量的形式表示如下：
式（2-19）
式（2-20）
式（2-21）
式（2-22）
2.2电压空间矢量
直接转矩控制一般采用三相二点式电压逆变器供电，如图2.4用表示上桥臂3个功率器件的开关状态，=1表示A桥臂上边闭合，下边断开,=O则相反。
表示法与月相似。
因在任意时刻同一桥臂只能有一个开关元件导通，这就决定A、B、C三相共有8个开关状态，分别对应8个电压空间矢量。
，其中6个非零电压矢量，和两个零电压矢量。
8个电压矢量在复平面的空间分布如图2.5所示。
利用电压逆变器的开关特点，正确地选择电压空间矢量不断切换电压状态，使定子磁链逼近圆形，并通过零电压矢量的穿插调节来改变转差频率，从而控制电机的转矩，实现电机的磁链和转矩同时按要求快速变化。
图2.4电压型逆变器理想模型
图2.5电压空间矢量表示法
3DSP芯片概述
3.1DSP芯片的定义及分类？
数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴科学。
20世纪60年代至今，随着信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到了迅速的发展。
数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩识别等处理以得到符合人们需要的数字形式。
图3.1所示的是一个典型的数字信号处理系统框图。
图3.1数字信号处理系统框图
图3.1中，输入信号可以是语音信号、传真信号，也可以是视频信号，还可以是传感器（如温度传感器）的输出信号。
输入信号经过带限滤波后，通过A\D转换器将模拟信号转换成数字信号。
根据采样定理，采样频率至少是输入带限信号最高频率的2倍，在实际应用中一般为4倍以上。
数字信号处理一般是用DSP芯片和在其上运行的实时处理软件对输入数字信号按照一定的算法进行处理，然后将处理后的信号输出给D\A转换器，经D\A转换、内插和平滑滤波后得到连续的模拟信号。
DSP是指用于进行数字信号处理的可编程微处理器，人们常用DSP一词来指通用数字信号处理器。
DSP芯片的结构特点
※改进的哈弗结构
※多总线结构
※流水线技术
※多处理单元
※特殊的DSP指令
※指令周期短
※运算精度高
※丰富的外设
※功耗低
DSP特殊的内部结构、强大的信息处理能力、及较高的运行速度，是DSP最重要的特点。
DSP是高性能系统的核心，它接收模拟信号（如光和声），将它们转化成数字信号，实时地对大量数据进行数字技术处理。
这种实时能力使DSP在声音处理、图像处理等不允许时间延迟的领域的应用十分理想，成为全球70%数字电话的“心脏”，同时DSP在网络领域也有广泛的应用。
DSP芯片的分类
图3.2DSP芯片的分类
3.2DSP芯片的发展历程
在DSP芯片出现之前，数字信号处理只能依靠通用微处理器（MPU）完成，但MPU较低的处理速度却无法满足系统高速实时的要求。
直到20世纪70年代，才有人提出了DSP理论和算法基础。
那时的DSP仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的DSP系统也是用分立元件组成的，其应用领域仅限于军事、航空航天部门。
世界上第一片单片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811，在这之后，最成功的DSP芯片当数TI公司1982年推出的DSP芯片。
这种DSP器件采用微米工艺、NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快几十倍，尤其在语音合成，编解码器中得到了广泛应用。
DSP芯片的问世，使DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步至20世纪80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP应运而生，其运算速度和存储容量都得到了成倍的提高，成为语音处理和图像处理技术的基础。
20世纪80年达后期，第三代DSP芯片问世，运算速度进一步提高，应用范围逐步扩大到通信和计算机领域。
20世纪90年代DSP发展最快，相继出现了第四代和第五代DSP。
第五代产品与第四代产品相比，系统集成度更高，将DSP芯核及外围元件综合集成在单一芯片上，这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透生活的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定性因素。
目前对DSP爆炸性需求的时代已经来临，前景十分广阔。
现在世界上的DSP芯片有300多种，生产DSP的公司有80多家，主要厂家有TI公司、AD公司、Lucent公司、Motorola公司和LSILogic公司。
TI公司作为DSP生产商的代表，生产的品种很多，大约占市场份额的60%。
3.3DSP芯片的应用
DSP芯片的应用几乎已遍及电子与信息的每一个领域，常见的典型应用如下：
※通用数字信号处理：
数字滤波、卷积、相关、FFT、希尔伯特变换、自适应滤波、窗函数和谱分析等。
※语音识别与处理：
语音识别、合成、矢量编码、语音鉴别和语音信箱等。
※图纸/图像处理：
二维/三维图形变换处理、模式识别、图像鉴别、图像增强、动画、电子地图和机器人视觉等。
※仪器仪表：
暂态分析、函数发生、波形产生、数据采集、石油/地质勘探，地震预测与处理等。
※自动控制：
磁盘/光盘伺服控制、机器人控制、发动机控制和引擎控制等。
※医学工程：
助听器、X射线扫描、心电图/脑电图、病员监护和超声设备等。
※家用电器：
数字电视、高清晰度电视（HDTV）、高保真音箱、电子玩具、数字电话等。
※通信：
纠错/译码、自适应均衡、回波抵消、同步、分散接收、数字调制/解调软件无线电和扩频通信等。
※计算机：
阵列处理器、图形加速器、工作站和多媒体计算机等。
※军事：
雷达与声纳信号处理、导航、导弹制造、保密通信、全球定位、电子对抗、情报收集与处理等。
4控制系统硬件设计
无速度传感器直接转矩控制系统各部分的结构和计算方法己经确定，这些方法将在以TI公司的DSP（TMS320F2407A）为主体构成的系统中得以实现。
所有控制算法的实现和实用化均不能离开硬件系统，本节主要介绍系统硬件电路的设计与实现。
基于DSP的无速度传感器直接转矩控制系统硬件结构如图4.1所示。
图4.1系统硬件结构框图
4.1主电路的设计
直接转矩控制系统的主电路采用交一直一交电压型变频器结构，由整流电路、限流电路、滤波电路、能耗制动电路和逆变电路这几个部分组成的。
图4.2主电路
整流及滤波电路
整流电路的任务是把三相交流电变换成直流电。
本系统属于中、小容量变频器，整流器可采用不可控整流二极管成的桥式全波整流，再经大容量电解电容C，构成的滤波环节进行滤波，为逆变器提供恒定的直流电压。
中间电容C的作用主要有两点：
（1）消除二极管整流器的输出电压的波纹，尽量保持直流电压的输出的恒定波形；
（2）电机属于感性负载，故中间直流环节总和电机之间存在能量转换，而逆变器的电力电子器件无法储能，因此电容的另一个作用就是作为储能元件实现能量的缓冲。
限流电路及安全保护电路
当变频器通电时瞬时冲击电流较大，为了保护电路元件并减小通电瞬间电路对电网的冲击，在电路中加入了限流电阻，通过限流电阻（即图中的充电电阻）减小通电瞬间电流对元件的冲击，并通过延时控制，在通电一段时间后触发继电器，切除限流电阻，这样既不影响电路正常工作时的电路整体性能，又可提高电路的启动瞬时性能
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