异步电机直接转矩控制系统的探讨与实践
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摘要
近20年来，异步电动机直接转矩控制以其简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能，得到了极大的发展。它直接在定子坐标系下计算和控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向控制，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制。本文对直接转矩控制算法进行了仿真实验，并利用DSP实现控制系统的全数字化软件设计。
本文对异步电机直接转矩控制变频调速方法进行了研究，采用MATHWORKS软件公司为MATLAB开发的系统模型图形输入和仿真工具Simulink对直接转矩控制的六边形和近似圆形两种定子磁链控制方法进行了仿真，实现了有速度传感器的直接转矩控制系统的构建，从理论上证明了这两种方法的可行性。在仿真中分析了转矩滞环和磁链滞环参数的变化对系统控制性能的影响，并且对两种控制方法在基速范围内的切换进行了仿真研究，同时在仿真中采用积分分离式PI调节算法对传统的PI调节器进行了改进。
以TI公司生产的电机专用数字信号处理器TMS320F240为核心，可方便的实现直接转矩控制系统的全数字化。F240内部的外设模块为电机控制提供的硬件功能，使软件编程的工作得到大大的简化，它的实时运算能力大大提高了电机的控制性能和可靠性。在本文中采用DSP汇编语言完成了有速度传感器的直接转矩控制系统的软件编写，实现了定子相电流采样、相电压的计算、定子磁链的观测、开关信号输出等功能。
通过理论分析和对控制系统的设计，作者在DSP电机控制教学实验及系统开发平台上对六边形磁链控制算法进行了初步的开环实验，完成了电机在一定频率下空载和带负载的实验，并对实验结果进行了对比分析，结果验证了系统设计方案的可行性。
During the recent 20 years, Direct Torque Control (DTC) for induction motor has been developed greatly because of its simple system scheme and excellent dynamic and static performances. In this scheme, the torque of motor is calculated and controlled in the staler reference frame. By using stator field orientation, the optimum switching mode is achieved to control the inverter. In this dissertation, the author has accomplished the simulation of the DTC system and analyzed the corresponding results. The software of the digital control system, in which the digital signal processor (DSP) is used, has also been designed in the thesis.
The Direct Torque Control scheme is studied in the paper, and the simulation models of hexagon flux control system and approximate circle flux control system are presented based on the application of MATLAB/Simulink. In the simulation system, the performances have been analyzed when the parameter of torque hysterelic comparator or the hysteretic band of stator flux is changed. The simulat ion of switching between hexagon flux control and circle flux control is also compl eted. In addition, the traditional PI regulator is improved in the paper.
The digital DTC system is implemented easily using TMS320F210, which is a fixed-point DSP and developed specially for motor&motion control by Texas Instruments Inc. It combines high-performance processing capabilities and several advanced peripherals that include the event manager module and a dual 10-bit analog-to-digital converter. The design of the control software becomes easy and the performance and reliability of the control system are greatly improved due to the application of DSP. In the thesis, the software of control system with
speed sensor is complied in DSP assembly language. This software has realized functions of the sampling of stator phase current, calculating of the phase voltage, the observing of stator flux and the output of switching signal etc.
According to the analysis of the theory of DTC scheme and the design of the control software, the author of this paper has done the primary experiments of the open-loop hexagon flux control system using the DSP test-bed for experimentation and development of motor control. The experiments of motor without and with load on a given frequency are completed in this paper. These results are compared and analyzed. The feasibility of the scheme is validated through the analysis of the results.
本文对异步电机直接转矩控制变频调速方法进行了研究，采用MATHWORKS软件公司为MATLAB开发的系统模型图形输入和仿真工具Simulink对直接转矩控制的六边形和近似圆形两种定子磁链控制方法进行了仿真，实现了有速度传感器的直接转矩控制系统的构建，从理论上证明了这两种方法的可行性。在仿真中分析了转矩滞环和磁链滞环参数的变化对系统控制性能的影响，并且对两种控制方法在基速范围内的切换进行了仿真研究，同时在仿真中采用积分分离式PI调节算法对传统的PI调节器进行了改进。
以TI公司生产的电机专用数字信号处理器TMS320F240为核心，可方便的实现直接转矩控制系统的全数字化。F240内部的外设模块为电机控制提供的硬件功能，使软件编程的工作得到大大的简化，它的实时运算能力大大提高了电机的控制性能和可靠性。在本文中采用DSP汇编语言完成了有速度传感器的直接转矩控制系统的软件编写，实现了定子相电流采样、相电压的计算、定子磁链的观测、开关信号输出等功能。
通过理论分析和对控制系统的设计，作者在DSP电机控制教学实验及系统开发平台上对六边形磁链控制算法进行了初步的开环实验，完成了电机在一定频率下空载和带负载的实验，并对实验结果进行了对比分析，结果验证了系统设计方案的可行性。
During the recent 20 years, Direct Torque Control (DTC) for induction motor has been developed greatly because of its simple system scheme and excellent dynamic and static performances. In this scheme, the torque of motor is calculated and controlled in the staler reference frame. By using stator field orientation, the optimum switching mode is achieved to control the inverter. In this dissertation, the author has accomplished the simulation of the DTC system and analyzed the corresponding results. The software of the digital control system, in which the digital signal processor (DSP) is used, has also been designed in the thesis.
The Direct Torque Control scheme is studied in the paper, and the simulation models of hexagon flux control system and approximate circle flux control system are presented based on the application of MATLAB/Simulink. In the simulation system, the performances have been analyzed when the parameter of torque hysterelic comparator or the hysteretic band of stator flux is changed. The simulat ion of switching between hexagon flux control and circle flux control is also compl eted. In addition, the traditional PI regulator is improved in the paper.
The digital DTC system is implemented easily using TMS320F210, which is a fixed-point DSP and developed specially for motor&motion control by Texas Instruments Inc. It combines high-performance processing capabilities and several advanced peripherals that include the event manager module and a dual 10-bit analog-to-digital converter. The design of the control software becomes easy and the performance and reliability of the control system are greatly improved due to the application of DSP. In the thesis, the software of control system with
speed sensor is complied in DSP assembly language. This software has realized functions of the sampling of stator phase current, calculating of the phase voltage, the observing of stator flux and the output of switching signal etc.
According to the analysis of the theory of DTC scheme and the design of the control software, the author of this paper has done the primary experiments of the open-loop hexagon flux control system using the DSP test-bed for experimentation and development of motor control. The experiments of motor without and with load on a given frequency are completed in this paper. These results are compared and analyzed. The feasibility of the scheme is validated through the analysis of the results.
引文
1 沈本荫主编．现代交流传动及其控制系统．北京：中国铁道出版社．1997．8
2 邵丙衡主编．电力电子技术．北京：中国铁道出版社．1997．8
3 许实章主编．电机学．北京：机械工业出版社．1995．5(第3版)
4 满永奎 韩安容 吴成东编著．通用变频器及其应用．北京：机械工业出版社．1999．5
5 李夙编．异步电动机直接转矩控制．北京：机械工业出版社．1999．8
6 胡崇岳主编．现代交流调速系统．北京：机械工业出版社．1998．9
7 李永东．交流电机数字控制系统．北京：机械工业出版社．2002．5
8 尔桂花 窦日轩．运动控制系统．北京：清华大学出版社．2002．10
9 马小亮著．大功率交—交变频调速及矢量控制技术．北京：机械工业出版社．1999．7(第2版)
10 正田英介 楠本一幸．电力电子学．耿连发 耿晓兰译．北京：科学出版社．2001．6
11 李仁定主编．电机的微机控制．北京：机械工业出版社．1999．10
12 马宝庆主编．电动机控制技术．武汉：华中理工大学出版社．1997．8
13 张卫宁编著．TMS320C2000 系列 DSPs 原理及应用．北京：国防工业出版社．2002．4
14 刘和平 严利平 张学锋 卓清锋编著．TMS320LF240xDSP 结构、原理及应用．北京：航空航天大学出版社．2002．4
15 黄济荣编著．电力牵引交流传动与控制．北京：机械工业出版社．1999．5
16 何冠英编著．电子逆变技术及交流电动机调速系统．北京：机械工业出版社．1985．12
17 范影乐 杨胜天 李轶编著．MATLAB 方针应用祥解．北京：人民邮电出版社．2001．7
18 薛定宇 陈阳泉著．基于 MATLAB／Simulink 的系统仿真技术与应用．北京：清华大学出版社．2002．4
19 曹承志 曲红梅 路战红 杨晓波．MATLAB 软件包中 SIMULINK 环境下直接转矩控制系统的仿真，电机与控制学报．2001(6)
20 贾建强 韩如城 左龙．基于MATLAB／SIMULINK的交流电机调速系统建模与仿真．电机与控制学报．2000(6)
21 桂武鸣 刘子建 冯江华 刘连根．异步电动机直接转矩控制系统的仿真．电力机车技术．2002(3)
22 高金源．计算机控制系统——理论、设计与实现．北京：航空航天大学出版社．2001．2
23 李磊 胡育文．一种新型的磁链与速度观测器在异步电动机直接转矩控制系统中的应用．电器传动．2001(3)
24 李磊 胡育文．基于速度自适应磁链状态观测器的感应电机直接转矩控制系统的研究．电工技术学报．2001(8)
25 黎亚元 唐浦华 宋昌林．直接转矩控制中一种磁链估计新方法．中国电机工程学报．2000(5)
26 孙笑辉 韩曾晋．减小感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法．电气传动．2001(1)
27 李永东 曹江涛 邵剑文．异步电机直接转矩控制系统低速转矩特性研究及其全数字化控制．电气传动．1999(6)
28 王妍 杜军红 陶伟宜 陈永校．基于 DSP 的空间电压矢量法 PWM 的研究．电机与控制学报．2000(6)
29 王满堂 马志源．80C196MC 单片机控制的双 PWM 变频调速系统．电力电子技术．1999(4)
30 尹泉 余高明 罗慧．基于 DSP 的全数字交流调速系统．电气传动．2001(4)
31 孙文焕 程善美 董玮 秦忆．基于 MATLAB 的交流变频调速系统的仿真．电气自动化．2001(3)
32 TMS320C24X DSP 控制器参考手册，第一卷：CPU、系统和指令集武汉力源电子股份有限公司 1998．9
33 TMS320C24X DSP控制器参考手册，第二卷：外设模块武汉力源电子股份有限公司 1998．10
34 TMS320Clx／C2x／C2xx／C5x汇编语言工具用户指南武汉力源电子股份有限公司 1998．11
35 TMS320C240／F240 数字信号处理数据手册武汉力源股份有限公司 1998．6
36 马宪民 桂佑林．基于 DSP 的直接转矩控制系统的设计与实现．自动化与仪器仪表．2002(2)
37 刘瑞友 林忠岳．基于 DSP 异步机直接转矩控制系统的设计．三峡大学学报(自然科学版)．2002(6)
38 Zhenyu Yu, David Figoli. AC Induction Motor Control Using Constant V/Hz Principle and Space Vector PWM Technique with TMS320C240. TI Company. 1998.4
39 David Alter. Using the Capture Units for Low Speed Velocity Estimation on a TMS320C240. TI Company. 1997.7
40 Mohammed S Arefeen. Configuring PWM Outputs of TMS320F240 with Dead Band for Different Power Devices. TI Company. 1997.11
41 Dead-Time Generation on the TMS320C24x. TI Company. 1997
42 TMS320F/C240 DSP Controllers Reference Guide. TI Company. 1999.6
43 David Figoli. Generating a PWM Signal Modulated by an Analog Input Using the TMS320F20 EVM. TI Company. 1999.1
44 Hareesh Jankiraman. Power Drive Protection Interrupt on the TMS320C24x. 2000.5
45 David Figoli. Creating a Pulse Width Modulated Singal with a Fixed Duty Cycle Using the TMS320F240 EVM. TI Company. 1999.1
46 TMS320 DSP Algorithm Standard Rules and Guidelines. TI Company. 2001.1
47 Zhenyu Yu. Space-Vector PWM With TMS320C24x/F24x Using Hardware and Software Determined Switching Patterns. TI Company. 1999.3
48 M.P. Kazmierkowski etc. Improved Direct Torque and Flux Vector Control of PWM Inverted-fed Induction Motor Drives. IEEE Trans. Ind.Electron. 1995.42(2)
49 Habetler TG, Profumo F, Pastorelli M, et al. Direct Torque Control of Induction Machines Using Space Vector Modulation[J].IASAM' 91. 1991(1)
50 X. Xu, R.W. De Donker, D.W. Novotny. A stator flux oriented inducton
motor drive. Conf. Rec. IEEE-PESC, 1988
51 M.P. Kazmierkowski, A. Kasprowicz. Improved direct torque and flux vector control of PWM inverter-fed induction motro drives. IEEE Trans. Ind. Electron. vol. 45, Aug. 1995
52 Jlh-ShengLai. Power electronics system modeling and simulation [A]. In: IEEE. Workshop on Computers in Power Electronics[C], 1994
53 Takahashi I, Ohmori Y. High-performancedirect torque control of an induction motor[J].IEEE trans on IA. 1989,25(2)
54 Depenbrok M. Direct self-control(DSC) of inverter-fed induction machine[J].IEEE Trans Power Electron. 1988, (3)
55 Takahashi I, Naguchi T.A New Quick-Response and High-Efficiency Control Strategy of an Induction Motor. IEEE Trans Ind Appl. 1988
56 Y.A Chapuis, D. Roye, J. Davoine. Principles and implementation of direct torque control by stator flux orientation of an induction motor. IEEE Applied Power Electronic Conference and Exposition-Dallas, march 1995
57 JUN-Koo Kang, Seung—ki Sul. 感应电动机直接转矩控制的新方法．樊俊杰译．电气牵引．2001(1)
58 徐坚翔 余明杨．异步电动机低速及弱磁环节直接转矩控制系统的建模和实现．电力机车技术．2002(2)
59 姬志艳 李永东 司保军 郑逢时．无速度传感器异步电动机直接转矩控制系统的研究．电工技术学报．1997(4)
60 张晓利 陶生桂 沈祥林．交流异步电机直接转矩控制理论的研究．机车电传动．1997(4)
61 刘燕．交流感应电机 SVPWM 磁场定向控制系统研究．西南交通大学硕士学位论文．2001
62 姜仲文．基于双 CPU 控制的交流调速系统的研究．西南交通大学硕士学位论文．2001
2 邵丙衡主编．电力电子技术．北京：中国铁道出版社．1997．8
3 许实章主编．电机学．北京：机械工业出版社．1995．5(第3版)
4 满永奎 韩安容 吴成东编著．通用变频器及其应用．北京：机械工业出版社．1999．5
5 李夙编．异步电动机直接转矩控制．北京：机械工业出版社．1999．8
6 胡崇岳主编．现代交流调速系统．北京：机械工业出版社．1998．9
7 李永东．交流电机数字控制系统．北京：机械工业出版社．2002．5
8 尔桂花 窦日轩．运动控制系统．北京：清华大学出版社．2002．10
9 马小亮著．大功率交—交变频调速及矢量控制技术．北京：机械工业出版社．1999．7(第2版)
10 正田英介 楠本一幸．电力电子学．耿连发 耿晓兰译．北京：科学出版社．2001．6
11 李仁定主编．电机的微机控制．北京：机械工业出版社．1999．10
12 马宝庆主编．电动机控制技术．武汉：华中理工大学出版社．1997．8
13 张卫宁编著．TMS320C2000 系列 DSPs 原理及应用．北京：国防工业出版社．2002．4
14 刘和平 严利平 张学锋 卓清锋编著．TMS320LF240xDSP 结构、原理及应用．北京：航空航天大学出版社．2002．4
15 黄济荣编著．电力牵引交流传动与控制．北京：机械工业出版社．1999．5
16 何冠英编著．电子逆变技术及交流电动机调速系统．北京：机械工业出版社．1985．12
17 范影乐 杨胜天 李轶编著．MATLAB 方针应用祥解．北京：人民邮电出版社．2001．7
18 薛定宇 陈阳泉著．基于 MATLAB／Simulink 的系统仿真技术与应用．北京：清华大学出版社．2002．4
19 曹承志 曲红梅 路战红 杨晓波．MATLAB 软件包中 SIMULINK 环境下直接转矩控制系统的仿真，电机与控制学报．2001(6)
20 贾建强 韩如城 左龙．基于MATLAB／SIMULINK的交流电机调速系统建模与仿真．电机与控制学报．2000(6)
21 桂武鸣 刘子建 冯江华 刘连根．异步电动机直接转矩控制系统的仿真．电力机车技术．2002(3)
22 高金源．计算机控制系统——理论、设计与实现．北京：航空航天大学出版社．2001．2
23 李磊 胡育文．一种新型的磁链与速度观测器在异步电动机直接转矩控制系统中的应用．电器传动．2001(3)
24 李磊 胡育文．基于速度自适应磁链状态观测器的感应电机直接转矩控制系统的研究．电工技术学报．2001(8)
25 黎亚元 唐浦华 宋昌林．直接转矩控制中一种磁链估计新方法．中国电机工程学报．2000(5)
26 孙笑辉 韩曾晋．减小感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法．电气传动．2001(1)
27 李永东 曹江涛 邵剑文．异步电机直接转矩控制系统低速转矩特性研究及其全数字化控制．电气传动．1999(6)
28 王妍 杜军红 陶伟宜 陈永校．基于 DSP 的空间电压矢量法 PWM 的研究．电机与控制学报．2000(6)
29 王满堂 马志源．80C196MC 单片机控制的双 PWM 变频调速系统．电力电子技术．1999(4)
30 尹泉 余高明 罗慧．基于 DSP 的全数字交流调速系统．电气传动．2001(4)
31 孙文焕 程善美 董玮 秦忆．基于 MATLAB 的交流变频调速系统的仿真．电气自动化．2001(3)
32 TMS320C24X DSP 控制器参考手册，第一卷：CPU、系统和指令集武汉力源电子股份有限公司 1998．9
33 TMS320C24X DSP控制器参考手册，第二卷：外设模块武汉力源电子股份有限公司 1998．10
34 TMS320Clx／C2x／C2xx／C5x汇编语言工具用户指南武汉力源电子股份有限公司 1998．11
35 TMS320C240／F240 数字信号处理数据手册武汉力源股份有限公司 1998．6
36 马宪民 桂佑林．基于 DSP 的直接转矩控制系统的设计与实现．自动化与仪器仪表．2002(2)
37 刘瑞友 林忠岳．基于 DSP 异步机直接转矩控制系统的设计．三峡大学学报(自然科学版)．2002(6)
38 Zhenyu Yu, David Figoli. AC Induction Motor Control Using Constant V/Hz Principle and Space Vector PWM Technique with TMS320C240. TI Company. 1998.4
39 David Alter. Using the Capture Units for Low Speed Velocity Estimation on a TMS320C240. TI Company. 1997.7
40 Mohammed S Arefeen. Configuring PWM Outputs of TMS320F240 with Dead Band for Different Power Devices. TI Company. 1997.11
41 Dead-Time Generation on the TMS320C24x. TI Company. 1997
42 TMS320F/C240 DSP Controllers Reference Guide. TI Company. 1999.6
43 David Figoli. Generating a PWM Signal Modulated by an Analog Input Using the TMS320F20 EVM. TI Company. 1999.1
44 Hareesh Jankiraman. Power Drive Protection Interrupt on the TMS320C24x. 2000.5
45 David Figoli. Creating a Pulse Width Modulated Singal with a Fixed Duty Cycle Using the TMS320F240 EVM. TI Company. 1999.1
46 TMS320 DSP Algorithm Standard Rules and Guidelines. TI Company. 2001.1
47 Zhenyu Yu. Space-Vector PWM With TMS320C24x/F24x Using Hardware and Software Determined Switching Patterns. TI Company. 1999.3
48 M.P. Kazmierkowski etc. Improved Direct Torque and Flux Vector Control of PWM Inverted-fed Induction Motor Drives. IEEE Trans. Ind.Electron. 1995.42(2)
49 Habetler TG, Profumo F, Pastorelli M, et al. Direct Torque Control of Induction Machines Using Space Vector Modulation[J].IASAM' 91. 1991(1)
50 X. Xu, R.W. De Donker, D.W. Novotny. A stator flux oriented inducton
motor drive. Conf. Rec. IEEE-PESC, 1988
51 M.P. Kazmierkowski, A. Kasprowicz. Improved direct torque and flux vector control of PWM inverter-fed induction motro drives. IEEE Trans. Ind. Electron. vol. 45, Aug. 1995
52 Jlh-ShengLai. Power electronics system modeling and simulation [A]. In: IEEE. Workshop on Computers in Power Electronics[C], 1994
53 Takahashi I, Ohmori Y. High-performancedirect torque control of an induction motor[J].IEEE trans on IA. 1989,25(2)
54 Depenbrok M. Direct self-control(DSC) of inverter-fed induction machine[J].IEEE Trans Power Electron. 1988, (3)
55 Takahashi I, Naguchi T.A New Quick-Response and High-Efficiency Control Strategy of an Induction Motor. IEEE Trans Ind Appl. 1988
56 Y.A Chapuis, D. Roye, J. Davoine. Principles and implementation of direct torque control by stator flux orientation of an induction motor. IEEE Applied Power Electronic Conference and Exposition-Dallas, march 1995
57 JUN-Koo Kang, Seung—ki Sul. 感应电动机直接转矩控制的新方法．樊俊杰译．电气牵引．2001(1)
58 徐坚翔 余明杨．异步电动机低速及弱磁环节直接转矩控制系统的建模和实现．电力机车技术．2002(2)
59 姬志艳 李永东 司保军 郑逢时．无速度传感器异步电动机直接转矩控制系统的研究．电工技术学报．1997(4)
60 张晓利 陶生桂 沈祥林．交流异步电机直接转矩控制理论的研究．机车电传动．1997(4)
61 刘燕．交流感应电机 SVPWM 磁场定向控制系统研究．西南交通大学硕士学位论文．2001
62 姜仲文．基于双 CPU 控制的交流调速系统的研究．西南交通大学硕士学位论文．2001