基于DSP的无速度传感器直接转矩控制的实现
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摘要
1985年德国学者Depenbrock提出了异步电动机的直接转矩控制(Direct Torque Control)变频调速思想，DTC是继矢量控制之后发展起来的一种高性能交流调速技术。DTC具有结构简单、动态转矩好、鲁棒性好和易于数字化控制等优点。近年来DTC的研究虽然已经取得了很大的进展，但是它在理论和实践上还不够成熟，如低速性能差、脉动转矩大。
针对上面提到的直接转矩控制的缺陷和未来直接转矩控制技术发展方向，本论文重点做了以下几个方面的工作，目的在于提高DTC系统的综合性能：
(1) 提出一种新型的速度磁链观测器，新型的速度磁链观测器采用自适应闭环磁链观测器代替传统的积分器从而提高磁链观测的精度，并且根据Popov超稳定性理论推导出转速ω的新型自适应收敛律；
(2) 改善系统的低速运行性能，主要从提高低速时对定子磁链的估计精度入手，提出了一种提高定子磁链观测精度的新思路——利用基于BP网络增广PIDBP学习算法来实时在线地修正定子电阻参数；
(3) 采用数字信号处理器DSP实现系统全数字化硬件控制，结合TI公司生产的TMS320LF2407芯片，设计了直接转矩控制系统的实验装置；
(4) 提出了基于SERCOS总线网络化分布式的直接转矩控制系统，SERCOS (Serial Real Time Communication System)是目前最适合同步和协调控制的串行实时通信协议；
(5) 基本勾勒出整个控制系统的硬件和软件设计基本框架，详细描述一些实验中的具体的细节问题。
The strategy of Direct Torque Control is one of the variable frequency speed control scheme, which was developed in 1985 by Prof. Depenbrock and which was one of high performance control of Induction motor drives after Vector Control. The merits of DTC lie in the simplicity of the control structure , fast torque response , better robustness and being more prone to digital control. Although DTC have made fast progress in recent year, it has disadvantage in the theory and performance that not good at low speed operation and having serious pulsating torque .
Aim at the DTC's blemish mentioned above and the direction of DTC technique development, the dissertation put great emphasis on the work as follows, with an eye to exalt DTC system function:
(1) A new speed-flux observer of an induction motor is proposed to enhance the accuracy of flux observing, which is an adaptive closed-loop flux observer and different from the traditions. A new adaptive speed-observation-way is deduced out according to the Popov's stability theories;
(2) To improve the performance of DTC at low speed operation, we have to exalt the accuracy of the stator flux estimation and a new way of BP neural network based on extended PIDBP algorithm is given to estimate and tune the stator resistance of an induction motor to increase the accuracy of the stator flux estimation;
(3) Digital signal processor is adopted to realize digital control. An device of Direct Torque Control system is designed for experiment using TMS320LF2407 chip produced by TI company ;
(4) Bring up a distributed Direct Torque Control system based on SERCOS bus, SERCOS stand for Serial Real Time Communication System agreement which is most in keeping with synchronous with moderate motor control;
(5) The basic design frame of the hardware and software of the whole control system is given here and some concrete problem in the experiments is described here in detail.
针对上面提到的直接转矩控制的缺陷和未来直接转矩控制技术发展方向，本论文重点做了以下几个方面的工作，目的在于提高DTC系统的综合性能：
(1) 提出一种新型的速度磁链观测器，新型的速度磁链观测器采用自适应闭环磁链观测器代替传统的积分器从而提高磁链观测的精度，并且根据Popov超稳定性理论推导出转速ω的新型自适应收敛律；
(2) 改善系统的低速运行性能，主要从提高低速时对定子磁链的估计精度入手，提出了一种提高定子磁链观测精度的新思路——利用基于BP网络增广PIDBP学习算法来实时在线地修正定子电阻参数；
(3) 采用数字信号处理器DSP实现系统全数字化硬件控制，结合TI公司生产的TMS320LF2407芯片，设计了直接转矩控制系统的实验装置；
(4) 提出了基于SERCOS总线网络化分布式的直接转矩控制系统，SERCOS (Serial Real Time Communication System)是目前最适合同步和协调控制的串行实时通信协议；
(5) 基本勾勒出整个控制系统的硬件和软件设计基本框架，详细描述一些实验中的具体的细节问题。
The strategy of Direct Torque Control is one of the variable frequency speed control scheme, which was developed in 1985 by Prof. Depenbrock and which was one of high performance control of Induction motor drives after Vector Control. The merits of DTC lie in the simplicity of the control structure , fast torque response , better robustness and being more prone to digital control. Although DTC have made fast progress in recent year, it has disadvantage in the theory and performance that not good at low speed operation and having serious pulsating torque .
Aim at the DTC's blemish mentioned above and the direction of DTC technique development, the dissertation put great emphasis on the work as follows, with an eye to exalt DTC system function:
(1) A new speed-flux observer of an induction motor is proposed to enhance the accuracy of flux observing, which is an adaptive closed-loop flux observer and different from the traditions. A new adaptive speed-observation-way is deduced out according to the Popov's stability theories;
(2) To improve the performance of DTC at low speed operation, we have to exalt the accuracy of the stator flux estimation and a new way of BP neural network based on extended PIDBP algorithm is given to estimate and tune the stator resistance of an induction motor to increase the accuracy of the stator flux estimation;
(3) Digital signal processor is adopted to realize digital control. An device of Direct Torque Control system is designed for experiment using TMS320LF2407 chip produced by TI company ;
(4) Bring up a distributed Direct Torque Control system based on SERCOS bus, SERCOS stand for Serial Real Time Communication System agreement which is most in keeping with synchronous with moderate motor control;
(5) The basic design frame of the hardware and software of the whole control system is given here and some concrete problem in the experiments is described here in detail.
引文
[1] 陈伯时．电力拖动自动控制系统，机械工业出版社，1999。
[2] Bimal K. Bose. High Performance Control of Induction Motor Drives, IEEE Press, 1999.
[3] 陈伯时．面向新世纪的电气传动控制技术，中国电工技术学会第六届学术大会论文集，1999．
[4] 廖晓钟．电力电子技术与电气传动，北京理工大学出版社，2000．
[5] 吴乃优等．SERCOS协议和同步控制方法，电气传动，1999，NO．6．
[6] 董振兴．交流驱动系统无传感器矢量控制及故障诊断研究，上海交通大学博士学位论文2001．
[7] 李磊．基于DSP的高性能直接转矩控制系统，同济大学博士学位论文，1998．
[8] 谢鸿鸣．交流异步电动机按定子磁链定向的电流矢量控制，上海大学博士学位论文，1999．
[9] 夏超英．交直流传动系统的自适应控制，机械工业出版社，1998。
[10] 黎亚元等．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，Vol．20．NO．5．
[11] A.Ba-Razzouk, etal. Field-oriented control of induction motors using neutral-network decouplers, IEEE Trans. Power Electronics, 1997, PE-12(4): 752～763.
[12] 姚玮．直接转矩控制系统中两种新技术的应用研究，浙江工业大学硕士学位论文，2001．
[13] 高金凤．智能方法在直接转矩控制中的应用，浙江工业大学硕士学位论文，2002．
[14] Luis A.Cabrera. Tuning the stator resistance of induction motors using artificial neutral network, IEEE Trans. Power Electronics, 1997, Vol.12, NO.5.
[15] 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．
[16] Bimal K. Bose. Qausi-fuzzy estimation of stator resistance of induction motor. IEEE Trans. Power Electronics, 1998, Vol.13.
[17] 邓智泉．异步电机直接力矩控制定子磁链的自适应观测器的研究，航空学报，1999，1．
[18] 谢鸿鸣等．异步电机定子磁链的间接观测方法，电气传动，1999，2．
[19] YOSHIHISA TTO. A digital current controller for a PWM inverter using a neural network and its stability[J], 1st Ann IEEE PESC, 1990, 219～224.
[20] Sayeed Mir. PI-fuzzy estimations for tuning the stator resistance in DTC.IEEETrans. Power Electronics, 1998, 13(2):279～287.
[21] 施保华等．神经网络模糊PID控制器在直接转矩控制中的应用，武汉理工大学学报，2001，Vol．23，NO．2
[22] 窦曰轩等．模糊直接转矩控制系统的MATLAB／SIMULINK仿真，计算机仿真，Vol．18，NO．2．
[23] 孙健等．利用人工神经网络进行感应电机转子磁链估计，清华大学学报，
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[38] 康存锋等．基于SERCOS技术实现高速高精度运动控制，制造技术与机床，2002，第6期．
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[48] 张玉彬等．基于RTLinux的串行实时通信系统SERCOS的设计，计算机工程与应用，2002，第19期．
[49] 周文华等．SERCOS总线及其在机器人系统中的应用．电子技术应用，2001，
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[60] 王念旭．DSP基础与应用系统设计，北京航空航天出版社，2001．
[61] 孙宗瀛．TMS320C5XDSP原理设计与应用，清华大学出版社，2002．
[62] 刘益成．TMS320C54XDSP应用程序设计与开发，北京航空航天出版社，2002．
[63] 吴湘淇．信号、系统与信号处理的软硬件实现，电子工业出版社，2002．
[63] Texas Instruments .TMS320FC24x DSP Controllers CPU and Instruction Set Reference, 1999, 7.
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[73] 张燕宾．变频调速应用实践，机械工业出版社，2001，7．
[74] 盛祖权．IGBT模块驱动及保护技术，电焊机，2000，Vol．30．
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[76] 丁浩华．带电流和短路保护的IGBT驱动电路研究，电力电子技术，1997，Vol．30，NO．1．
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