基于DSP无速度传感器直接转矩控制系统的研究
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摘要
直接转矩控制是一种转矩响应快的高性能的交流调速方法。本文采用TI公司TMS320F240 DSP为控制核心，进行了基于DSP无速度传感器直接转矩控制系统的研究。
本文详细阐述了直接转矩控制的基本原理和实现方法。直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析异步电机的数学模型和控制其各物理量，直接在定子坐标系中计算和控制转矩和磁通，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优化控制，以获得转矩的高动态性能。本文采用DSP设计了直接转矩控制系统，详细推导了速度估计方法，进行了无速度传感器的速度闭环控制。针对系统存在的磁链偏差和转矩脉动问题，采取了改进的磁链计算方法和速度低通滤波、转矩滑动滤波等措施，提高了系统的性能。
在TMS320F240为核心的硬件基础上，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。实验结果表明本系统的设计是成功的，该系统转矩响应快，性能稳定，具有一定的实用价值。
Direct Torque Control (DTC) technology is a high-performance adjustable speed method with fast torque response. In this thesis, a speed sensorless DTC system is studied, which based on DSP of TI inc.-TMS320F240 .
Fundamental principle and implementation method of DTC are introduced in detail in this paper. In DTC system, the concept of space vector is introduced to analyze and control the AC motor, the electromagnetic torque and flux are caculated and controlled in the stator reference frame, and the optimal PWM gating signas are generated to control the inverter according to the output of the Bang-Bang regulator.In this paper ,the DTC system is designed based on DSP.A speed estimation method is derived detailedly and the sensorless speed close-loop control is conducted.In this system,there are some problems,such as flux drift and torque ripple.To resolve these problem,a modified flux caculation method and some measures such as speed LPF,torque slide filtering are adopted.The system performance is enhanced by these mersures.
The system control software is designed in assemble language based on the hardware fundament with using TMS320F240 as core and a speed sensorless DTC algorithm is realised. The experimental results indicate that the design of this system is successful. The system has stable performance with fast response, so to some extent it is a practical useful system
本文详细阐述了直接转矩控制的基本原理和实现方法。直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析异步电机的数学模型和控制其各物理量，直接在定子坐标系中计算和控制转矩和磁通，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优化控制，以获得转矩的高动态性能。本文采用DSP设计了直接转矩控制系统，详细推导了速度估计方法，进行了无速度传感器的速度闭环控制。针对系统存在的磁链偏差和转矩脉动问题，采取了改进的磁链计算方法和速度低通滤波、转矩滑动滤波等措施，提高了系统的性能。
在TMS320F240为核心的硬件基础上，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。实验结果表明本系统的设计是成功的，该系统转矩响应快，性能稳定，具有一定的实用价值。
Direct Torque Control (DTC) technology is a high-performance adjustable speed method with fast torque response. In this thesis, a speed sensorless DTC system is studied, which based on DSP of TI inc.-TMS320F240 .
Fundamental principle and implementation method of DTC are introduced in detail in this paper. In DTC system, the concept of space vector is introduced to analyze and control the AC motor, the electromagnetic torque and flux are caculated and controlled in the stator reference frame, and the optimal PWM gating signas are generated to control the inverter according to the output of the Bang-Bang regulator.In this paper ,the DTC system is designed based on DSP.A speed estimation method is derived detailedly and the sensorless speed close-loop control is conducted.In this system,there are some problems,such as flux drift and torque ripple.To resolve these problem,a modified flux caculation method and some measures such as speed LPF,torque slide filtering are adopted.The system performance is enhanced by these mersures.
The system control software is designed in assemble language based on the hardware fundament with using TMS320F240 as core and a speed sensorless DTC algorithm is realised. The experimental results indicate that the design of this system is successful. The system has stable performance with fast response, so to some extent it is a practical useful system
引文
[1]何耀三，唐卓，林景栋，电气传动的微机控制，重庆大学出版社，1997．2 [2]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，1999．6
[3]冯垛生，张淼，变频器的应用与维护，华南理工大学出版社 2001．9
[4]韩国荣，通用变频器及其应用，北京：机械工业出版社，2000．8
[5]孙函芳，Intel 16位单片机，北京航空航天大学出版社，1995．11
[6]李夙，异步电动机直接转矩控制，北京：机械工业出版社，1994．8
[7]Manfred Depenbrock, "Direct Self Control (DSC) of Inverter-Fed Induction Machine IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 3, No. 4, October 1992, pp. 420-429.
[8]I. Takahashi, T. Noguchi, "A New Quick-Response and High-Efficiency Control Strategy of an Induction Motor", IEEE Trans. on Industry Applications, Vol.IA-22, No. 5, September/October 1986, pp. 820-827.
[9]周友，黄立培，陈杰，李永东．异步电机转子磁场定向无速度传感器矢量控制方法，清华大学学报(自然科学版)，1999．3
[10]陈坚，交流电机数学模型及调速系统，北京：国防工业出版社，1989．8
[11]李永东，交流电机数字控制系统，北京：机械工业出版社，2002．4
[12]张崇巍，李汉强，运动控制系统，武汉理工大学出版社，2002．1
[13]陶红明等，基于DSP的全数字化异步电动机直接转矩控制系统，电气传动，1997．4
[14]胡虎，吴浩烈，李永东．基于DSP的全数字无速度传感直接转矩控制．贵州工业大学学报．2000．6
[15]Schauder, "Adaptive Speed Identification For Vector Control of Induction Motors Without Rotational Transducers", IAS'89, pp. 493-499.
[16]纪志成，沈艳霞，范茂兴，霍迎涛，异步电机无速度传感器矢量控制系统速度辨识方法，无锡轻工大学学报，1998．4
[17]Kan Akatsu, etc. "Online Rotor Resistance Estimation Using The Transient State Under The Speed Sensorless Control of Induction Motor".IEEE Transactions on Power Electronics.
2000．15(3)：553～559
[18]王晓明，电动机的单片机控制，北京航空航天大学出版社，2002．5
[19]舒振杰等，采用零矢量调制的感应电机直接转矩控制方法及其实现，电气自动化，2002．4
[20]何昆，基于DSP的PWM变频调速系统的研究，广西大学硕士学位论文，2002．5
[21]章云等，DSP控制器及其应用，北京：机械工业出版社，2001．8
[22]杨亚玲，基于DSP的变频调速系统及其可视化的研究，广西大学硕士学位论文，2002．5
[23]唐勇奇，基于DSP和IPM的空间电压矢量法调速系统，半导体技术，2001．4
[24]Texas Instruments, "Field Orientated Control of Three Phase AC-motors", Literature number: BPRA073, December 1997
[25]王福瑞，单片微机测控系统设计大全，北京航空航天大学出版社，1999．6
[26]Trzynadlowski, A. M., Kirlin, L, and Legowski, S. F.; "Space-Vector PWM Technique With Minimum Switching Losses and a Variable Pulse Rate;" IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 44, No. 2, April 1997.
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[28]Giuseppe Guidi, etc, "A Novel Stator Resistance Estimation, Method for speed-sensorless Induction Motor Drives", IEEE Transaction on Industry Application. 2000.36(6): 1619～1625
[29]Alfio Consoli, etc, "Sensorless Torque Control of Syncrel Motor Drives", IEEE Transaction on Power Electronics, 2000,15(1): 28～35
[30]北京闻亭科技发展有限公司，TMS320F24X高速数字信号处理器原理与应用，1999．5
[31]赵金，万淑芸，杨璐，徐波．基于TMS320F240的直接转矩控制系统研究．电力电子技术．2000．10
[32]刘和平等，TMS320LF240xDSP结构、原理及应用，北京航空航天大学出版社，2002．4
[33]李刚，林明兰，基于DSP的SVPWM波实时生成方法．现代电子技术．2001．7
[34]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
[35]胡军飞，卓放，苏彦民，基于DSP的交流电机矢量变换控制，电气传动自动化，1999．5
[36]刘锋，魏青，无速度反馈矢量控制变频调速系统，微电机，1999．1
[37]刘子建，陈特放，蒋新华，丁学工，采用DSP的异步电动机直接转矩控制系统，长沙铁道学院学报，2000．1
[38]陈伯时，电力拖动自动控制系统，北京：机械工业出版社，1991．4
[39]谢运祥，王新建，薛峰．采用磁通轨迹法的直接转矩控制系统．华南理工大学学报(自然科学版)．1997．6
[40]曾锋，谢宗安．DSC变频调速系统中的无速度传感器技术．贵州工业大学学报．1997．3
[41]陈宝林，胡育文，异步电动机的无速度传感器直接转矩控制系统研究．航空学报，2000．5
[42]孙宗海，秦娟英．一种新型无速度传感器的直接转矩控制方案．武汉汽车工业大学学报，1999．10
[43]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．电工技术学报．1998．10
[44]李磊，胡育文．基于DSP的新型无速度传感器直接转矩控制系统的研究，电机与控制学报，2001．3
[45]左龙，韩如成．无速度传感器异步电动机直接转矩控制及其数字仿真．太原重型机械学院学报．2000．12
[46]孙笑辉，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
[47]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
[48]张维娜，孙强．基于DSP的高性能矢量控制系统．电力电子技术．2001．2
[49]孙韶元，王俊然，李华德．全数字化交流电机直接转矩控制系统．北京科技大学学报．1996．10
[50]龚春文，程善美，李浚源，全数字化异步电动机直接转矩控制位置伺服系统．电力电子技术，1998．2
[51]李磊，胡育文，一种新型的磁链与速度观测器在异步电机直接转矩控制系统中的应用．电气传动，2001．3
[52]冯江华，陈高华，黄松涛．异步电动机的直接转矩控制．电工技术学报．1999．3
[53]李建平，马慎兴．异步电动机直接转矩控制调速方法的研究．西北工业大学学报．1994．11
[54] 谢宝昌，任永德．异步电动机直接转矩控制新方法．微特电机．2001．2
[55] 陈汝全，电子技术常用器件应用手册，北京理工大学出版社，1991．1
[56] Anthony Purcell, "Enhanced Inverter Switching for Fast Response Direct Torque Control", IEEE Transaction on Power Electronics,2001,3:382-389
[57] TMS320C24X DSP Controllers Reference Set, Volume 1:CPU, System and Instruction Set,TI Inc. March 1997
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