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1、.永磁同步电动机直接转矩控制系统的设计 摘 要 直接转矩控制(DTC)，又称为转矩矢量控制(TVC)，是近年来发展起来的一种新型的异步电机控制方案，这种方案系统结构简单，转矩响应好，其控制思想已经推广用于永磁同步电动机的控制，本文介绍了永磁同步电动机的几种直接转矩控制方案，磁链转矩的估计方法等。对永磁同步电动机直接转矩控制运行机理进行了研究,在此基础上开发了一套基于TMS320LF2407的永磁同步电动机直接转矩控制交流调速系统实验验证了该策略可用于永磁同步电动机控制,实验还表明永磁同步电动机直接转矩控制具有优良的转矩快速动态响应特性和对系统参数摄动、外干扰具有很强的鲁棒性等优点。实验系统安全
2、可靠运行表明该调速系统具有优良的故障检测和保护功能,硬件设计思想合理。关键词:永磁同步电动机 直接转矩控制 故障检测与保护 控制方案 .Study of Direct Torque Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Abstract Direct Torque Control(DTC)technique,which is also called Torque Vector Control(T VC),is a new control scheme for induction motor drives recent years.The c
3、ontrol system is very simple of a good dynamic performance and the control scheme has been extended to Permanent Magnet Synchronous Motors(PMSM)Several control schemes of direct torque control for PMSM drives and estimation technique of flux linkage and torque.Direct torque control(DTC)of permanent
4、magnet synchronous motor(PMSM)was research,and a PMSM DTC system based on TMS320LF2407 was developed,Experimental results verified the feasibility of using DTC strategy on PMSM,and the merits of PMSM DTC including the rapid torque esponse,he good speed-adjustable performance,and the robustness to sy
5、stem parameters uncertainty and disturbance.The stem predated well and successfully,which showed the speed-adjustable system had good competence in fault detection and protection.Key words:PSWM DTC default detection and protection .目录 摘 要.I Abstract.II 一、绪论.1 二、系统设计.2(一)磁同步电动机 DTC 机理.2(二)永磁同步电机直接转矩控
6、制理论.2(三)零矢量在直接转矩控制中的作用.3(四)永磁同步电动机 DTC 系统设计.4 1.3.3v 和 5v 接口电路.4 2.故障检测与保护.5（1）过流检测与保护.5（2）IPM 保护.6（3）二阶 Butterworth 滤波电路的设计.6(五)实验结果.7 三、结论.10 致谢.11 参考文献:.12 .一、绪论 永磁同步电机具有调速性能好、易于控制、无换向火花、无励磁损耗、寿命长等突出优点,现在多用于要求快速转矩响应和高性能运行的场合。直接转矩控制是近年来继矢量控制技术之后的一种新方法:它采取定子磁链定向,利用离散的两点式(Bang-Bang)进行调节,产生 PWM 信号,并直
7、接对电机的磁链和转矩进行控制。其省掉了复杂的矢量变换,控制思想新颖,控制结构简单,转矩响应迅速。目前,这种控制方法已成功应用于异步电机调速,近年来在永磁同步电机中的应用也在国内外有文献报道,但是相比异步电机,仍有许多问题需要解决。永磁同步电动机(以下简称 PMSM)具有功率密度大、效率高、转子损耗小、可靠性高、动态性能优良等众多优点1,有着广阔的发展前景和应用市场。作为一种高性能的控制方案,直接转矩控制(以下简称 DTC)已在感应电机上得到比较成熟的应用2,将其控制思想应用于,也同样可以得到良好的动态性能3。由于实验中常遇到因电机电流过流和触发脉冲状态不定等问题,处理不当就会导致逆变器桥臂直通
8、而烧毁功率模块和电机。本文开发了一套永磁同步电动机直接转矩控制系统,在此系统上进行了实验研究。实验证明硬件设计方案可行,实验结果表明永磁同步电动机直接转矩控制同样具有优良的动态响应性能和对系统参数摄动，外干扰具有很强的鲁棒性等优点。.二、系统设计(一)磁同步电动机 DTC 机理 阴极的电磁转矩方程4:T=32LSPsPMsin (1)因此可通过保持定子磁链幅值恒定,改变定子磁链旋转速度和方向来瞬时调整功角D,实现转矩的动态直接控制。忽略定子电阻的影响,定子磁链方程可表示为 s=(Us-Rsis)dt+oUsdt+o (2)这表明可通过控制电机的输入电压 u 来控制定子磁链 7 按一定的轨迹和速
9、度运动,从而达到控制转矩的目的。(二)永磁同步电机直接转矩控制理论 永磁同步电机矢量图如图1 所示,其中 d-q 坐标系是固定在转子上的旋转坐标系,x-y 坐标系是固定在定子上的旋转坐标系,定子磁链方向为 x 轴的正向。d 轴与x 轴夹角为,d 轴与 A 相夹角为。在恒定负载稳态运行下,d-q 坐标系与 x-y 坐标系保持同步,恒定;瞬态时,随着定子、转子的旋转速度不同而改变。在转子旋转 d-q 坐标系下,永磁同步电动机定子磁链、定子电压和电磁转矩分别为.d=Ldid+f (1)q=Lqiq (2)Ud=Rsid+pd-rq (3)Uq=Rsiq+pq+rd (4)Te=3/2np(diq-q
10、id)(5)式中:d,q分别为定子磁链 d 轴和 q 轴上的分量;id,iq分别为定子电流 d轴和 q 轴上的分量;Ld,Lq分别为 d 轴和 q 轴电感;f 为永磁体磁链;Ud,Uq分别为定子电压 d轴和q轴上的分量;Rs为定子电阻;r为转子角速度;np为电机极对数。通过坐标变换,可得定子旋转 x-y 坐标系下的转矩表达式为 Te=3np/4LdLq|s|2fLqsin-|s|(Lq-Ld)sin 2 (6)由式(6)可知,在一定条件下,保持定子磁链幅值|s|恒定,电机的电磁转矩随着定、转子磁链的夹角的变化而变化。因此定义为转矩角。通过迅速改变,转矩也相应迅速改变,从而得到快速的转矩效应,这
11、与感应电机直接转矩控制理论相同。因此,可以通过改变逆变器输出的电压空间矢量来改变定子磁链s的大小与旋转速度,采取“砰-砰”两点式控制,对|s|与进行定性控制,从而达到直接控制定子磁链和转矩的效果。(三)零矢量在直接转矩控制中的作用 永磁同步电机转矩角的变化量为因定子磁链旋转引起的角度变化s与因转子磁链旋转引起的角度变化r之差,即=s-r。施加零电压矢量时,永磁同步电机定子磁链静止,幅值缓慢衰减,转子磁链幅值恒定,以同步速前进。s=0,r=rt,可得=s-r=-rt。为了简化分析,现设永磁同步电机为隐极机,没有因凸极效应引起的磁阻转矩。当逆变器供电频率为50 Hz 时,在控制周期t=100s 内
12、,因转子磁链旋转引起的角度变化r=1.8,当转矩角=90时,因r引起的转矩变化率可得.Te/Te=sin 90-sin(90-1.8)/sin 900.05%当转矩角=60时,Te/Te1.86%;当转矩角=30时,Te/Te5.49%。可见,在供电频率等于50 Hz 时,在30,90范围内,零电压矢量在 100s 的控制周期内引起的转矩落差非常小。(四)永磁同步电动机 DTC 系统设计 1.3.3v 和 5v 接口电路 因实验系统使用的是 TMS320LF2407 处理器,其高电平电压是 3.3v。因此其与外电路的接口需进行电平电压转换。电路中有以下几个部分需进行 3.3v 和 5v 电平电
13、压转换:第一,TMS320LF2407 输出 FWM 信号和 IPM 输入信号之间的电平电压转换。图 2中的 74LS244 是具有三态输出的带有 8 个缓冲器的线性驱动器,只要其供电电源为5v,就可实现 3.3v 到 5v 电平电压转换。图 2 输出 3.3 到 5 电平电压转换 第二,光电编码器输出的脉冲信号与 TMS320LS2407 的正交编码脉冲信号电路的输入信号、以及外围故障信号与 TMS320LS2407 的 PDPINTA/B 信号的电平电压转换,都用 74HC14 实现 5v 到 3.3v 电平电压转换。.2.故障检测与保护 本实验系统的保护分为三个层次,依次是 IPM 自身
14、保护、硬件保护和软件保护,如图 3 所示。图 3 系统故障检测与保护框图（1）过流检测与保护 过流保护原理是检测三相电流,与事先设定好的参考值相比较,如图 4 所示,一旦出现过流情况,就锁定过流信号,并输出报警信号给系统,一路送给电源设备保护中断PDPINTA/B,从软件上封锁PWM信号;一路给C_PWM,如图 2 所示,使其为高 图 4 过流检测原理图 电平,封锁74LS244的输出,从而封锁PWM输出;另一路给PDP1,如图 5 所示,把光耦TLP559的供电电源 Vcc_c 彻底封锁 PWM 信号。.图 5 IFM 保护电路（2）IPM 保护 IPM 自身有欠压保护、过热保护、过流保护、
15、短路保护等故障保护功能,但是其输出报警信号具有非保持性,因此,仅靠 IPM 自身保护功能不能完全满足实验系统的要求,要保证系统安全可靠可行,必须增加辅助保护电路。IPM故障信号FO经光耦后送给74HC74锁存,然后,一路送给如图5所示的PDP1,把光耦 TLP559 的供电电源 Vcc_c 拉低,从而彻底封锁 PWM 输出;一路送给图 1 的C_PWM,使其为高电平,从而使 74LS244 输出为高阻抗,封锁 PWM 输出;另一路送给电源设备保护中断 PDPINTA/B,从软件上封锁信号输出。（3）二阶 Butterworth 滤波电路的设计 TMS320LF2407 的 A/D 转换是单极性
16、的,因此采样电流、电压信号不能直接接入DSP 的 A/D 口,需加直流偏置,然后滤除 1000Hz 以上高频干扰信号后方能进行 A/D转换。硬件滤波电路采用二阶 Butterworth 低通滤波器,如图 6 所示,其传递函数.为：图 6 二阶 Butterworth 低通滤波器 根据实验要求取 20lg|A(j)/A)|=0dB,滤除 1000Hz 以上的频率,从而可确定(3)中相应的电阻和电容参数。(五)实验结果 本实验电机参数为:额定电压 EN=128v,额定电流 IN=15.8A,额定转矩TN=10N m,额定转速 nN=2000r/min,额定功率 PN=2kw,极对数 p=3,交、直
17、轴电感Ld=Lq=15.3mH,定子电阻 Rs=0.56,永磁体磁链pm=0.1663Wb。图 7 为给定转速1000r/min 电机空载运行时定子电流波形。图 8 是负载转矩为 3Nm 转速给定1000r/min时定子电流波形。从图 7、8 对比看出:电机空载运行时,定子电流很小,叠加干扰分量,致使电流波形发生畸变,而电机在给定转矩3Nm 运行时,测量电流值为 5A,远大于干扰,故电流波形比较光滑。图9 是电机在给定转速 1000r/min 突加负载时定子电流波形,可看出系统在突加负载时,系统能可靠工作。图 10 为负载转矩从 3Nm 突变到 1Nm 时转矩响应局部放大图,可看出转矩动态响应
18、时间约 1,.图 7 给定转速 1000r/min 电机空载运行时定子电流 图 8 给定转速 1000r/min 负载转矩 3Nm 时定子电流 图 9 给定转速 1000r/min 电机突加负载定子电流.图 10 负载转矩响应局部放大图 这表明直接转矩控制具有优良的转矩快速动态响应性能。图 11 为电机在1000r/min稳定运行时定子磁链矢量轨迹,具有圆形特征,说明磁链中直流分量很小,系统可靠运行。负载给定为 3Nm 时,起动过程的转速和转矩响应波形,转速上升迅速,说明系统具有快速的起动能力和良好的起动特性,体现了直接转矩控制特点响应迅速特点。图 11 定子磁链轨迹 .三、结论(一)DTC
19、策略可用于永磁同步电动机控制,永磁同步电动机直接转矩控制同样具有快速的动态转矩响应特性(1m/s),系统对参数摄动、外干扰具有很强的鲁棒性。PSWM DTC可用于对转矩响应要求快速的传动系统。(二)实验系统安全可靠运行表明本文提出的系统软、硬件设计思想是有效可行的。(三)直接转矩控制具有良好的动态和静态调速性能,转矩响应速度快,并且转矩波动比较小,系统对速度阶跃响应迅速。所以这种控制方法具有良好的控制性能。（四）永磁同步电动机直接转矩控制方法直接控制定子磁链和电磁转矩，间接控制定子电流和电压，转矩响应较好，但是起动和低速运行时转矩波动较大。.致谢 经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声
20、，作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的导师高联学。他平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是高联学老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩高联学老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。然后还要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下机械专业知识的基础；同时还要感谢所有
21、的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。最后感谢滨州学院三年来对我的大力栽培。.参考文献:1 Zhong L,Rahmam MF.A direct controller for permanent magnet synchronous motor drives J.IEEE Trans.on Energy Conversion.1999.14(3):3742.2 Takahashi L,NoguehiT.A new quick-response and high-efficiency control strategy of an induction motor J.I
22、EEE Trans.on Industry Application.1986.IA-22(5):2027.3 Tang L,Zhong L,Rahman M F.et al A novel direct torque control scheme for interior perm anent magnet synchronous machine drive system with low ripple in torque and flux,and fixed switching frequencyJ.PESC 02.2002 IEEE 33rd Annual.2002.2(23-27):29
23、34.4 Rah man MF.Analysis of Direct Torque Control in Permanent Magnet Synchronous Motor Drives J.IEEE Trans on P.E.1997.12(3):2836.5 田淳,胡育文.永磁同步电机直接转矩控制系统理论及控制方案的研究 J.电工技术学报,2002.17(1):7-11.6 袁登科,陶生桂,刘友梅.新型永磁同步电动机直接转矩控制系统J.同济大学学报(自然科学版).2004.23(11):12-15.7 陶生桂,袁登科,毛明平.永磁同步电动机直接转矩控制系统仿真J.同济大学学报.2002.30(8):91-95.8 谢成祥.永磁同步电机直接转矩控制系统的分析与仿真研究J.华东船舶工业学院学报(自然科学版).2004.18(3):39-43.