基于DSP+IPM的异步电机直接转矩调速系统设计

苗俭威，王英

(大连交通大学，电气信息学院，辽宁 大连 116023)

0 引言

直接转矩控制技术凭借着其控制既直接又简单的特性，已经在工业生产领域得到了广泛的应用。直接转矩控制(DTC)是继矢量控制之后发展起来的一种高性能交流调速方法，具有系统结构简单、转矩动态响应快、参数鲁棒性好等优点［1］。

TMS320F2812是TI公司推出的32位定点DSP芯片，该芯片采用高性能的CMOS技术，具有150 MHz的高速计算速度和面向电机控制的专用外围设备，模数转换能力强，成本低，可靠性高，因此被广泛应用于工业控制［2］。

本文在分析异步电机直接转矩控制的原理基础上，选用DSPTMS320F2812作为主控芯片设计了异步电机直接转矩控制调速系统，并介绍了设计系统的主电路及各部分电路。仿真结果表明，该调速系统启动时间短，转矩脉动较小，稳态时转速平稳，获得转矩的高品质动态性能。

1 异步电机直接转矩控制原理

直接转矩控制的基本原理简单概括来说就是根据外部输入的电磁转矩与实际电磁转矩观测值做一个滞环比较，然后得到转矩误差，从而确定转矩调节方向，根据定子磁链的大小和相位确定合适的定子电压空间矢量，借助于离散的两点式调节(Bang-Bang控制)产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，使交流电机的电磁转矩快速跟踪外部给定的电磁转矩指令值。其控制原理框图如图1所示［3］。

图1 异步电机直接转矩控制框图

1.1 转矩调节

转矩调节顾名思义就是实现对转矩的直接控，通过Bang-Bang控制把转矩观测值与实际的转矩给定值做一个滞环比较，使转矩的波动限制在一定容差范围内，转矩容差大小由滞环调节器的滞环宽度来控制。表1给出了转矩控制规律［4］。

表1 转矩控制规律

1.2 开关状态选择

根据选择不同的电压矢量从而来控制不同的逆变器开关状态，本文最终得到的开关状态选择表2。

表2 开关状态选择表

2 系统设计

本文调速系统输入转速指令、电机转速、定子两相电流和直流母线电压，通过A/D转换 口 进 入 DSPTMS320F2812控制芯片。

图2 异步电机直接转矩控制系统的硬件结构框图

2.1 系统硬件构成［5-6］

系统的硬件结构框图如图2所示，包括主电路和控制电路两个部分。主电路为交流-直流-交流电源供电回路，三相电压源逆变器采用三菱公司的智能功率模块(IPM)PS21265。

(1)隔离驱动电路

本系统选用Avago公司生产的高速驱动光耦合芯片HCPL4504，该驱动芯片包含 GaAsP LED，并通过光学耦合到高增益光检测器。为了系统的可靠性，在电路中加入了光耦隔离驱动电路。采用反相器和HCPL4504构成光耦驱动电路。

(2)检测电路

电流检测电路是本文重要组成，本系统选用ACS706系列电流传感器，它基于霍尔效应的原理，为双向线性电流传感器。定子电流由传感器芯片检测，输入到TMS320F2812的 A/D转换器，检测到其中两相的电流，从而能够获得电动机定子三相电流的信息。

本文采用M法测速原理，选用欧姆龙(OMRON)公司生产的型号为E6BZ一CWZ6C的光电编码器，供电电压为5 V～24 V，有A、B、Z三路输出，A、B测量电机转速，相位差为90度。控制系统中利用事件管理器的正交脉冲编码单元，对信号进行四倍频，并利用通用定时器进行计数从而获得转速信息。

2.2 软件实现

图3给出了异步电机直接转矩控制算法软件流程图。其中包括数据采样、定子磁链计算、电磁转矩计算、电压空间矢量选择和PWM脉冲形成等环节［7］。

由以上分析构建DSP控制实验系统，采用型号DQ10的三相鼠笼式异步电机，接线方式Y/A，上位机采用装有CCS3.1软件的计算机，通过仿真器XDS520与DSP控制面板相连接，通过RS232总线进行通信。

3 仿真实验

采用MATLAB/Simulink对三相异步电机直接转矩控制系统进行仿真验证。仿真中采用的三相鼠笼式异步电机，其主要参数为:额定电压UN=380 V，额定功率PN=4 kW，额定频率为fN=50 Hz，定子电阻为 RS=1.405 Ω ，定子电感 LS=0.005 84 H，转子电阻 Rr=1.395 Ω，转子电感 Lr=0.005 84 H，互感 Lm=0.172 2 H，极对数 np=2，转动惯量 J=0.013 1 kg·m2，磁链给定值 0.7 Wb，仿真算法采用ode23tb，仿真时间4 s。

由上述仿真模型参数进行仿真运算，得到相关仿真波形，图4为定子磁链轨迹观测结果，可以看到，磁链的幅值变化波动较小，且逼近圆形磁链的效果好，能够快速达到磁链给定值。

给定电机额定转速 120 rad/s，电机空载1 s时加载负载转矩为40 N·m，在 3 s时给定为20 N·m，观察得到转子转速、电磁转矩、定子磁链、定子侧相电压和电流波形如图5所示。

图3 异步电机直接转矩控制算法软件流程框图

(a)和(b)分别为转速波形和转速误差信号波形，可以看到转速随着负载变化而相应变化，能够快速达到额定值且误差值在负载变化期间很小，基本接近为0。

其中(c)和(d)分别为给定电磁转矩和调节后电磁转矩波形，可以看出，转矩脉动显著减小，幅值波动较小，获得了转矩的高动态性能。

图4 圆形定子磁链逼近结果

图5 负载变化仿真波形

系统给定磁链值为0.7 Wb，测量单元输出定子磁链波形如图(e)，直接转矩控制调节后的定子磁链波形如图(f)，可以看出磁链值均能够快速达到给定值，图(e)中磁链幅值明显波动较大，而调节后的磁链值幅值基本无波动。

由图4可见，磁链很好的逼近了圆形磁链轨迹，幅值只在容差范围以内波动变化。由图5可见，启动时转子转速快速达到额定转速;电流值也随着负载的变化而相应增大和减小。电磁转矩在容差范围以内波动变化，直接转矩控制效果明显。

4 结束语

本文在分析异步电机直接转矩控制原理基础上，选用DSPTMS320F2812作为主控芯片设计了异步电机直接转矩控制调速系统，仿真结果表明，该调速系统启动时间短，转矩脉动较小，稳态时转速平稳，能够获得转矩的高品质动态性能。

［1］TAKAHASHI ISAO.A new quick-reaponse and high-efficiency control strategy of an induction motor［J］.IEEE Trans.Industry Applications，1986，22(5):820-827.

［2］顾卫钢.手把手教你学DSP-基于TMS320X281X［M］.1版.北京:北京航空航天大学出版社，2011.

［3］谢宝昌，任永德.电机的DSP控制技术及其应用［M］.1版.北京:北京航空航天大学出版社，2005.

［4］陶红明，龚春文，程善美，等.基于DSP的全数字化异步电动机直接转矩控制系统［J］.电气传动，1997，39(4):3-6.

［5］赵振，李红梅，王晓晨.基于TMS320F2812及IPM的异步电动机变频调速系统硬件设计［J］.微电机，2008，41(8):42-45.

［6］陶伟宜，杜军红，王妍，等.智能功率模块和DSP在变频调速系统中的应用［J］.电机与控制学报，1999，38(3):188-191.

［7］张林宝，张兴华，孙振兴.感应电机DSVM直接转矩控制的DSP实现［J］.微电机，2012，45(5):31-35.