无速度传感器直接转矩控制系统的研究
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摘要
直接转矩控制采用电压空间矢量的概念来分析异步电机的数学模型和控制其物理量，直接在定子坐标系下计算和控制其各物理量，借助于离散的调节器产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得转矩的高动态性能。
直接转矩控制作为一种转矩响应快高性能的交流调速系统，低速时仍然存在磁通偏差和转矩脉动现象。针对上述问题，本文采用SVPWM空间电压矢量细分、三点式调节器对系统低速性能进行改进，并对磁链进行低通滤波和转矩滑动滤波等措施，以提高系统的性能。
利用波波夫超稳定性理论设计自适应系统的基本思想，设计模型参考自适应的速度估算算法。运用转子磁场下的反电势计算模型，将不含转速信息的反电势模型作为参考模型，含有转速信息的反电势模型作为受控模型，在系统中采用该方法进行了无速度传感器的速度闭环控制。
以TMS320F240 DSP芯片为主控核心，采用汇编语言编制了系统控制软件，实现了无速度传感器直接转矩控制算法。实验结果表明系统性能稳定，具有一定的使用价值。
In direct torque control (DTC) system, the concept of space vector is used to analyze the mathematic model of AC motor, the electromagnetic torque and flux are caculated and controlled in the stator reference frame, and the optimal PWM gating signals are generated to control the inverter according to the output of the dispersing regulator.
The DTC technology is a high-performance speed method with fast torque response, while there are some questions, such as flux drift and torque ripple. To resolve these trouble, SVPWM subdividing voltage space-vector and tri-nod regulator and some measures such as stator' flux LPF, torque slide filtering are adopted. By these controls, the performance of system is improved
Using Popov's criteria for hyperstability for designing a self-adaptive system, we devise a method to estimate the rotor speed based on MARS. The counter-electromotive force's observer with no speed's information can be regarded as a reference model of induction motor, while the counter-electromotive force's observer with speed's information is taken as an adjustable model. Taking into account the good convergence property and implementation in real system, we choose the MRAS as the close-loop of speed's measure to continue our experiment
in real control system.
The system software is designed in assemble language based on the TMS320F240 to implement the no sensor DTC algorithm. The experimental results indicate that the system has stable performance , so to some extent it is practical useful system.
直接转矩控制作为一种转矩响应快高性能的交流调速系统，低速时仍然存在磁通偏差和转矩脉动现象。针对上述问题，本文采用SVPWM空间电压矢量细分、三点式调节器对系统低速性能进行改进，并对磁链进行低通滤波和转矩滑动滤波等措施，以提高系统的性能。
利用波波夫超稳定性理论设计自适应系统的基本思想，设计模型参考自适应的速度估算算法。运用转子磁场下的反电势计算模型，将不含转速信息的反电势模型作为参考模型，含有转速信息的反电势模型作为受控模型，在系统中采用该方法进行了无速度传感器的速度闭环控制。
以TMS320F240 DSP芯片为主控核心，采用汇编语言编制了系统控制软件，实现了无速度传感器直接转矩控制算法。实验结果表明系统性能稳定，具有一定的使用价值。
In direct torque control (DTC) system, the concept of space vector is used to analyze the mathematic model of AC motor, the electromagnetic torque and flux are caculated and controlled in the stator reference frame, and the optimal PWM gating signals are generated to control the inverter according to the output of the dispersing regulator.
The DTC technology is a high-performance speed method with fast torque response, while there are some questions, such as flux drift and torque ripple. To resolve these trouble, SVPWM subdividing voltage space-vector and tri-nod regulator and some measures such as stator' flux LPF, torque slide filtering are adopted. By these controls, the performance of system is improved
Using Popov's criteria for hyperstability for designing a self-adaptive system, we devise a method to estimate the rotor speed based on MARS. The counter-electromotive force's observer with no speed's information can be regarded as a reference model of induction motor, while the counter-electromotive force's observer with speed's information is taken as an adjustable model. Taking into account the good convergence property and implementation in real system, we choose the MRAS as the close-loop of speed's measure to continue our experiment
in real control system.
The system software is designed in assemble language based on the TMS320F240 to implement the no sensor DTC algorithm. The experimental results indicate that the system has stable performance , so to some extent it is practical useful system.
引文
[1]陈坚，电力电子学—电力电子变换和控制技术，高等教育出版社，2002，1
[2]聂海亮，黄竼，2003年电机节能展望，变频器世界，2003，1
[3]李夙，异步电机直接转矩控制，机械工业出版社，2001
[4]陈伯时，电力拖动自动控制系统，机械工业出版社，1991
[5]张春梅，尔桂花，直接转矩控制研究现状与前景，微电机，2000，6
[6]林忠岳，电压型变频器供电的恒M_m调速，广西大学学报(自然科学版)，1983，1
[7]冯垛生，曾岳南，无速度传感器矢量控制原理与实践，机械工业出版社，1994
[8]李永东，交流电机数字控制系统，机械工业出版社，2002
[9]李剑飞，电机转速辨识理论与应用的研究，华中科技大学博士学位论文，2003，8
[10]Geng Yang, Adaptive-Speed Identification Scheme for a Vector-Controlled Speed Sensorless Inverter Motor Drive, IEEE Transaction on Industry Applications, 1993, No, 4, pp, 820-825
[11]孙晓鹏，无速度传感器交流调速系统得研究和开发，华中理工大学博士学位论文，1997
[12]刘瑞友，基于DSP无速度传感器直接转矩控制系统的研究，广西大学硕士学位论文，2003，5
[13]谢新锋，基于DSP直接转矩控制系统的研究，广西大学硕士学位论文，2003，5
[14]李磊，胡育文，基于DSP的新型无速度传感器直接转矩系统的研究，电机与控制学报，2001，3
[15]赵金，万淑云，杨路，徐波，基于TMS320F240的直接转矩控制系统研究，电力电子技术，2000，10
[16]周炼，谢运祥，交流调速系统及相应电力电子技术的发展综述，微电机，1999，5
[17]曲瀛，窦日轩，采用模糊自适应速度调节器的模糊直接转矩控制系统，自动化与仪表，2001，1
[18]吴峻，潘孟春，李圣怡，直接转矩控制系统低速性能的分析与控制，电气传动，2001，5
[19]熊健，张凯，康勇，陈坚，空间矢量脉宽调制的调制波分析，电气自动化，2002，3，
[20]Ciro Attaianess, Aldo Perfetto and Giuseppe Tommasso, "A Space Vector Modulation Algorithm for Torque Control of Inverter Fed Induction Motor Drive", IEEE, TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL, 17, NO, 5, PP 222-228, 2002
[21]Myoung-Ho Shin, Dong-Seok Hyun, Soon-Bong Cho and Song-Yul Choe, "An Improved Stator Flux Estimation for Speed Sensorless Stator Flux Orientation Control of Induction Motors", IEEE, TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL, 15, NO, 2, PP 312-318, MAR, 2000
[22]Eng Kian Kenneth Sng, hh-Choy Liew and Thomas A, Lipo, "New Observer-Based DFO Scheme for Speed Sensorless Field-Oriented Drives for Low-Zero-Speed Operation", IEEE, TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL, 13, NO, 5, pp, 312-318, SEP, 1998
[23]Zhenyu yu, "Space—Vector PWM With TMS320C24x Using Hardwave and Software Determined Switching Patterns", Texas Instruments, Application Report
[24]Sayeed Mir, Malik E Elbuluk, Donald S Zinger, "PI—Fuzzy Estimations for Tuning the Stator Resistance in DTC", IEEE, TRANSACTIONS ON PE, VOL, 13, pp, 279—287, 1998
[25]Luis Acabrea, Malik E Elbuluk, Iqbal Husain, "Tuning the Stator Resistance of Induction Motors Using Artificial Neural Network", Trans on Power Electronics 1997, 5
[26]陈其工，模糊神经网络在电机调速中的应用，中国矿业大学学报，1999，5
[27]Jacobina, Cursino Brandao, Joao Edgar Chaves, "On Line Estimation of Stator Resistance of Induction Motor Based on Zero Sequence Mode," IEEE Trans on PE, 15(2), pp, 346—353, 2000
[28]邓智泉，严阳光，异步机直接转矩控制定子磁链的自适应观测器的研究，航空工业大学学报，1999，2
[29]谢鸿鸣，陈伯时，异步电机定子磁链的间接观测方法，电气传动，1999，1
[30]薛峰，谢运祥，吴捷，直接转矩控制系统的转速估算模型及其参数补偿方法，电技术学报，1998，10
[31]Emil Levi, Mingyu Wang, "A Speed Estimator for High Performance Sensorless Control of Induction Motors in the Field Weakening Region," IEEE Trans on Power Electronics, vol, 17, pp, 365—378, 2002
[32]章云等，DSP控制器及其应用，机械工业出版社，北京，2001，8
[33]李磊，胡育文，新型的速度自适应观测器在直接转矩控制系统中的应用，南京航空航天大学学报，2001，4
[34]梁中华，马励勤，胡庆，基于卡尔曼滤波的无速度传感器矢量控制系统，沈阳工业大学学报，2002，10
[35]廖庆华，徐小增，基于神经网络的感应电机模型参考自适应速度控制研究，电机电器技术，2002，4
[36]Texas Instruments, Space—Vector PWM With TMS320C24x Using Hardwave and Software Determined Switching Patterns"
[37]Texas Instruments, Power Drive Protection Interrupt on the TMS320C24x, 2003, 3
[38]Texas Instruments, TMS320F240 DSP Controllers Evaluation Module Technical Reference, 1997, 7
[39]Texas Instruments, Clarke & Park Transforms on the TMS320C2Cxx, 1997
[40]孙德保，自适应控制原理，华中理工大学出版社，1991
[41]夏超英，交直流传动系统的自适应控制，机械工业出版社，1998
[42]北京闻亭科技发展有限公司，TMS320F240高速数字信号处理器原理与应用，1999
[43]刘和平，严利平，张学锋，卓清锋，TMS320LF240xDSP结构、原理及应用，北京航空航天大学出版社，2002．4
[44]胡寿松，自动控制原理，国防工业出版社，1994．5
[45]程佩清，数字信号处理教程，清华大学出版社，2001．8
[46]北京闻亭科技发展有限公司，TMS320C2XX高速数字信号处理器原理与应用，1998．4
[47]陈健，陈伟，汪书宁，DSP算法、应用与设计，机械工业出版社，2003．7
[48]朱铭锆，赵勇，甘泉，DSP应用系统设计，电子工业出版社，2002．10
[49]王念旭，DSP基础与应用系统设计，北京航空航天工业大学出版社，2002．7
[50]李哲英，骆丽，刘元盛，DSP基础理论与应用技术，北京航空航天工业大学出版社，2002．6
[51]赵伟峰，朱承高，直接转矩控制的发展现状及前景，电气传动，1999．3
[52]张雄伟，DSP芯片的原理与开发应用，电子工业出版社，1997．9
[2]聂海亮，黄竼，2003年电机节能展望，变频器世界，2003，1
[3]李夙，异步电机直接转矩控制，机械工业出版社，2001
[4]陈伯时，电力拖动自动控制系统，机械工业出版社，1991
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[11]孙晓鹏，无速度传感器交流调速系统得研究和开发，华中理工大学博士学位论文，1997
[12]刘瑞友，基于DSP无速度传感器直接转矩控制系统的研究，广西大学硕士学位论文，2003，5
[13]谢新锋，基于DSP直接转矩控制系统的研究，广西大学硕士学位论文，2003，5
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[15]赵金，万淑云，杨路，徐波，基于TMS320F240的直接转矩控制系统研究，电力电子技术，2000，10
[16]周炼，谢运祥，交流调速系统及相应电力电子技术的发展综述，微电机，1999，5
[17]曲瀛，窦日轩，采用模糊自适应速度调节器的模糊直接转矩控制系统，自动化与仪表，2001，1
[18]吴峻，潘孟春，李圣怡，直接转矩控制系统低速性能的分析与控制，电气传动，2001，5
[19]熊健，张凯，康勇，陈坚，空间矢量脉宽调制的调制波分析，电气自动化，2002，3，
[20]Ciro Attaianess, Aldo Perfetto and Giuseppe Tommasso, "A Space Vector Modulation Algorithm for Torque Control of Inverter Fed Induction Motor Drive", IEEE, TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL, 17, NO, 5, PP 222-228, 2002
[21]Myoung-Ho Shin, Dong-Seok Hyun, Soon-Bong Cho and Song-Yul Choe, "An Improved Stator Flux Estimation for Speed Sensorless Stator Flux Orientation Control of Induction Motors", IEEE, TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL, 15, NO, 2, PP 312-318, MAR, 2000
[22]Eng Kian Kenneth Sng, hh-Choy Liew and Thomas A, Lipo, "New Observer-Based DFO Scheme for Speed Sensorless Field-Oriented Drives for Low-Zero-Speed Operation", IEEE, TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL, 13, NO, 5, pp, 312-318, SEP, 1998
[23]Zhenyu yu, "Space—Vector PWM With TMS320C24x Using Hardwave and Software Determined Switching Patterns", Texas Instruments, Application Report
[24]Sayeed Mir, Malik E Elbuluk, Donald S Zinger, "PI—Fuzzy Estimations for Tuning the Stator Resistance in DTC", IEEE, TRANSACTIONS ON PE, VOL, 13, pp, 279—287, 1998
[25]Luis Acabrea, Malik E Elbuluk, Iqbal Husain, "Tuning the Stator Resistance of Induction Motors Using Artificial Neural Network", Trans on Power Electronics 1997, 5
[26]陈其工，模糊神经网络在电机调速中的应用，中国矿业大学学报，1999，5
[27]Jacobina, Cursino Brandao, Joao Edgar Chaves, "On Line Estimation of Stator Resistance of Induction Motor Based on Zero Sequence Mode," IEEE Trans on PE, 15(2), pp, 346—353, 2000
[28]邓智泉，严阳光，异步机直接转矩控制定子磁链的自适应观测器的研究，航空工业大学学报，1999，2
[29]谢鸿鸣，陈伯时，异步电机定子磁链的间接观测方法，电气传动，1999，1
[30]薛峰，谢运祥，吴捷，直接转矩控制系统的转速估算模型及其参数补偿方法，电技术学报，1998，10
[31]Emil Levi, Mingyu Wang, "A Speed Estimator for High Performance Sensorless Control of Induction Motors in the Field Weakening Region," IEEE Trans on Power Electronics, vol, 17, pp, 365—378, 2002
[32]章云等，DSP控制器及其应用，机械工业出版社，北京，2001，8
[33]李磊，胡育文，新型的速度自适应观测器在直接转矩控制系统中的应用，南京航空航天大学学报，2001，4
[34]梁中华，马励勤，胡庆，基于卡尔曼滤波的无速度传感器矢量控制系统，沈阳工业大学学报，2002，10
[35]廖庆华，徐小增，基于神经网络的感应电机模型参考自适应速度控制研究，电机电器技术，2002，4
[36]Texas Instruments, Space—Vector PWM With TMS320C24x Using Hardwave and Software Determined Switching Patterns"
[37]Texas Instruments, Power Drive Protection Interrupt on the TMS320C24x, 2003, 3
[38]Texas Instruments, TMS320F240 DSP Controllers Evaluation Module Technical Reference, 1997, 7
[39]Texas Instruments, Clarke & Park Transforms on the TMS320C2Cxx, 1997
[40]孙德保，自适应控制原理，华中理工大学出版社，1991
[41]夏超英，交直流传动系统的自适应控制，机械工业出版社，1998
[42]北京闻亭科技发展有限公司，TMS320F240高速数字信号处理器原理与应用，1999
[43]刘和平，严利平，张学锋，卓清锋，TMS320LF240xDSP结构、原理及应用，北京航空航天大学出版社，2002．4
[44]胡寿松，自动控制原理，国防工业出版社，1994．5
[45]程佩清，数字信号处理教程，清华大学出版社，2001．8
[46]北京闻亭科技发展有限公司，TMS320C2XX高速数字信号处理器原理与应用，1998．4
[47]陈健，陈伟，汪书宁，DSP算法、应用与设计，机械工业出版社，2003．7
[48]朱铭锆，赵勇，甘泉，DSP应用系统设计，电子工业出版社，2002．10
[49]王念旭，DSP基础与应用系统设计，北京航空航天工业大学出版社，2002．7
[50]李哲英，骆丽，刘元盛，DSP基础理论与应用技术，北京航空航天工业大学出版社，2002．6
[51]赵伟峰，朱承高，直接转矩控制的发展现状及前景，电气传动，1999．3
[52]张雄伟，DSP芯片的原理与开发应用，电子工业出版社，1997．9