基于DSP直接转矩控制系统的研究
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摘要
在交流调速领域中，应用最广的是变频调速技术。继1971年矢量变换控制技术出现之后，交流传动技术就从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相比所存在的问题。而作为在80年代中发展起来的高性能的新型电机调速方法，直接转矩控制又在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题。因此目前该技术已成为交流调速传动中的一个热点，本文就是针对这一技术进行了一些仿真和实验的研究。
首先，本文的研究是从异步电动机的数学模型出发，然后根据传统直接转矩的控制原理，对于定子磁链的不同轨迹，分别进行了六边形和圆形磁链的理论和实验分析。在六边形磁链的研究中，本文主要是使用了施密特触发器，通过磁链自控制单元来实现的；而对于圆形磁链的直接转矩而言，则是利用了电压矢量查表的方法，通过实时判断磁链的区间和幅值、以及转矩的大小，继而从表格中选择合适的电压矢量。总之，在这两种方法中，无论是利用哪一种来实现，最终都是要实现电压矢量的合理输出。此外，本文还对这两种控制方法中性能指标的特点分别进行了说明，并且对在低速下的转矩脉动进行了分析、比较。
本文不仅进行了理论及仿真的分析，而且还着重进行了实验的研究证明。在本控制系统的具体实现上，由于直接转矩控制对实时性要求很高，因此在硬件方面，采用了目前比较流行的数字信号处理器(DSP)作为系统的控制器，其处理速度高的特点正好符合本实验的需要：在主电路中，本系统使用了集成度高的功率器件：智能功率模块(IPM)，作为逆变环节，其集成了七个IGBT，实现了高开关频率逆变以及故障诊断的功能，从而使控制系统的体积大大缩小、控制更加灵活。实验结果表明，在有速度反馈时本文提出的控制方法能取得较好的控制效果。
In the field of AC machines control, a strategy called variable frequency control is mostly used. After vector transformation control is presented, the AC machines control technology can theoretically solve the problem on the static and dynamic performance relative to the DC technology. As a high performance and new machines control strategy developed in 1980's, direct torque control solves the problems that computation in vector transformation control is complex, the control characters are easily affected by the changes in machines parameters, real results of the experiments can't achieve the level of the theoretical analysis. So now direct torque control has become an emphasis in the field of AC machines control. Some simulation and experiment researches about this strategy are presented in the paper.
Firstly, according to the mathematical model of asynchronous machines and the principle of direct torque control, the theoretical and experimental analysis about hexagon and round track of flux is proposed in the paper. In the researches about hexagon track, SMITH triggers are used, so is flux self-control. As to round track, the method of voltage vector selection is taken. We can select the proper voltage vector by the position and magnitude of stator flux as well as the magnitude of torque. In sum, both of these two algorithms are realized through selecting proper voltage vector. In addition, the performance criterion are respectively described, and the torque ripple under low-speed is analyzed and compared in this paper.
Not only the theoretical and simulating analysis is carried out, but also experimental research. Because direct torque control requires very high performance of Real-time, the popular microcomputer core DSP is used as controller in the design of hardware. Its high speed of running is suitable for the experiment. In the main circuit, there is a highly integrated power element: IPM as inverter, which includes seven IGBT, has high switch frequency and fault diagnosis function. IPM greatly decreases the bulk of system. The experimental results show that this control strategy proposed can acquire better control effect.
首先，本文的研究是从异步电动机的数学模型出发，然后根据传统直接转矩的控制原理，对于定子磁链的不同轨迹，分别进行了六边形和圆形磁链的理论和实验分析。在六边形磁链的研究中，本文主要是使用了施密特触发器，通过磁链自控制单元来实现的；而对于圆形磁链的直接转矩而言，则是利用了电压矢量查表的方法，通过实时判断磁链的区间和幅值、以及转矩的大小，继而从表格中选择合适的电压矢量。总之，在这两种方法中，无论是利用哪一种来实现，最终都是要实现电压矢量的合理输出。此外，本文还对这两种控制方法中性能指标的特点分别进行了说明，并且对在低速下的转矩脉动进行了分析、比较。
本文不仅进行了理论及仿真的分析，而且还着重进行了实验的研究证明。在本控制系统的具体实现上，由于直接转矩控制对实时性要求很高，因此在硬件方面，采用了目前比较流行的数字信号处理器(DSP)作为系统的控制器，其处理速度高的特点正好符合本实验的需要：在主电路中，本系统使用了集成度高的功率器件：智能功率模块(IPM)，作为逆变环节，其集成了七个IGBT，实现了高开关频率逆变以及故障诊断的功能，从而使控制系统的体积大大缩小、控制更加灵活。实验结果表明，在有速度反馈时本文提出的控制方法能取得较好的控制效果。
In the field of AC machines control, a strategy called variable frequency control is mostly used. After vector transformation control is presented, the AC machines control technology can theoretically solve the problem on the static and dynamic performance relative to the DC technology. As a high performance and new machines control strategy developed in 1980's, direct torque control solves the problems that computation in vector transformation control is complex, the control characters are easily affected by the changes in machines parameters, real results of the experiments can't achieve the level of the theoretical analysis. So now direct torque control has become an emphasis in the field of AC machines control. Some simulation and experiment researches about this strategy are presented in the paper.
Firstly, according to the mathematical model of asynchronous machines and the principle of direct torque control, the theoretical and experimental analysis about hexagon and round track of flux is proposed in the paper. In the researches about hexagon track, SMITH triggers are used, so is flux self-control. As to round track, the method of voltage vector selection is taken. We can select the proper voltage vector by the position and magnitude of stator flux as well as the magnitude of torque. In sum, both of these two algorithms are realized through selecting proper voltage vector. In addition, the performance criterion are respectively described, and the torque ripple under low-speed is analyzed and compared in this paper.
Not only the theoretical and simulating analysis is carried out, but also experimental research. Because direct torque control requires very high performance of Real-time, the popular microcomputer core DSP is used as controller in the design of hardware. Its high speed of running is suitable for the experiment. In the main circuit, there is a highly integrated power element: IPM as inverter, which includes seven IGBT, has high switch frequency and fault diagnosis function. IPM greatly decreases the bulk of system. The experimental results show that this control strategy proposed can acquire better control effect.
引文
[01]李夙．异步电动机直接转矩控制．北京：机械工业出版社，1994．1～81
[02]陈坚．交流电机数学模型及调速系统．北京：国防工业出版社，1989．1～6
[03]陈伯时．交流调速系统．北京：机械工业出版，1999．184～220
[04]陈伯时．电力拖动自动控制系统．北京：机械工业出版社．1990．234～263
[05]马葆庆．电动机控制技术．上海：华中理工大学出版社，1997．144～155
[06]许大中．交流电机调速理论．杭州：浙江大学出版社，1991．1～10
[07]汪国梁．电机学．北京：机械工业出版社，1987．90～95
[08]王兆安，黄俊．电力电子技术．北京：机械工业出版社，2000．61～64
[09]童诗白．模拟电子技术基础．第2版．北京：高等教育出版社，1988．644～654
[10]马小亮．大功率交—交变频交流调速及矢量控制．北京：机械工业出版社，1993．143～150
[11]吴守箴，臧英杰．电气传动的脉宽调制控制技术．北京：机械工业出版社，1995．130～141
[12]程卫国，冯峰，王雪梅，等．MATLAB5.3精要编程及高级应用．北京：机械工业出版社，2000．1～3
[13]章云，谢莉萍，熊红艳．DSP控制器及其应用．北京：机械工业出版社，2001．11～110
[14]邵惠鹤．工业过程高级控制．上海：上海交通大学出版社，1997．78～112
[15]谢剑英，贾青．微型计算机控制技术．国防工业出版社，2001．133～150
[16]张立．电力电子场控器件及其应用．北京：机械工业出版社，1996
[17]郑琼林．电力电子电路精选．北京：机械工业出版社，1996
[18]王云波．全数字化异步电机直接转矩控制系统的研究．硕士，1996：7～58
[19]赵伟峰，朱承高．自接转矩控制的发展现状及前景．电气传动，1999，3：3～6
[20]马宪民．感应电动机直接转矩控制技术的现状和发展趋势．煤矿自动化，1998，S1：12～14
[21]邓启文，尹力明，余龙华，等，直接转矩控制的发展与展望．微特电机，2002，01：36～38
[22]唐敏．变频器技术的现状与发展．机电产品开发与创新，2000，05：4～5
[23]孙冠先，熊恋学，张峰．DSP数字交流调速系统的硬件设计，2002，1：10～13
[24]陶红明，龚春文，程善美．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，1997，4：3～6
[25]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，1994，1：33～38
[26]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，1999，03：29～33
[27]程善美，高峡，邓忠华 笼型异步电动机新型直接转矩控制研究．电气自动化，1997，1：7～10
[28]龚春文．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，1998，1，：23～25
[29]孙笑辉，韩曾晋．异步电动机直接转矩控制启动方法仿真研究．电气传动，2000，4：13～17
[30]陈廷成，王霜，黎亚元．异步电机DTC的仿真．机械，2000，27：12～13
[31]林景栋，乔博，印勇．圆形磁链轨迹异步机直接转矩控制系统的仿真研究．1999，22(5)：21～26
[32]吴忠智，吴加林．GTR和IGBT吸收电路参数设计．电力电子技术，1994，4：41～42
[33]徐晓峰，连级三，李风秀．IGBT逆变器吸收电路的研究．电力电子技术，1998，3：43～47
[34]章进法，姚凯卫．IGBT智能功率模块的驱动控制电路．电力电子技术，1995，4：1～5
[35]韦榕，许镇林，王秀芝 电气传动系统仿真的新工具-MATLAB5.2电气系统模块库 电气传动，2000，1，57～59
[36]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．2001，1：8～10
[37]李可，邵日明，臧英杰．利用零矢量减小转矩脉动的一种改进的控制方法．上海铁道大学学报．1999，12(12)：45～49
[38]姚光中．无刷直流电动机的转矩脉动．电机技术．1999，4：6～10
[39]Lee K, Song J, Choy I, et al. Improvement of Low-Speed Operation Performance of DTC for Three-Level Inverter-Fed Induction Motors. IEEE, 2001,48(5): 1006～1014
[40]CasadeJ D, Serra G, Tani A. The Use of Matrix Converters in Direct Torque Control of Induction Machines. IEEE, 2001,48(6): 1057～1064
[41]Escalante M, Vannier J, Arzands A. Flying Capacitor Multilevel Inverters and DTC Motor Drive Applications. IEEE, 2002, 49(4): 809～815
[42]Kang J, Sul S. Analysis and Prediction of Inverter Switching Frequency in Direct Torque Control of Induction Machine Based on Hysteresis Bands and Machine Parameters. IEEE, 2001,48(3): 545～553
[43]James N, Direct Torque Control Induction Motor Vector Without an Encoder. IEEE Transaction on In. Appl., 1998, 2(33).
[44]Steimel A et al. Further development of direct self control for application in electric traction. IEEE ISIE'96, 1996
[45]T. G. Habetle et al. Direct Torque Control of Induction Machine Using Space Vector Modulation. IEEE-IA,1992, 28:1045～1052
[46]H. Y. Zhong et al. A New Microcomputer-Based Direct Torque Control System for Three-Phase Inducton Motor. IEEE-IA, 1991, 27(2): 294～298
[47]Uwe Baader et al., Direct Self-Control (DSC) of Inverter-Fed Induction Machine: A Basis for Speed Control Without Speed Measurement. IEEE-IA, 1992, 28(3): 581～588
[48]M. Nillesen et al. The Application of Direct Torque Control Using the DC-Link Voltage for Flux-Observation, Symposium on Power Electronics Electrical Drive Advanced Machines Power Quality, Proceedings. Sorrento Italy, 1998, 211～216
[49]Rahul S. Chokhawala. Gate Drive Consideration for IGBT Module. IEEE Trans. on Ind. Appl.,1996, 31(3): 603～611
[02]陈坚．交流电机数学模型及调速系统．北京：国防工业出版社，1989．1～6
[03]陈伯时．交流调速系统．北京：机械工业出版，1999．184～220
[04]陈伯时．电力拖动自动控制系统．北京：机械工业出版社．1990．234～263
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[42]Kang J, Sul S. Analysis and Prediction of Inverter Switching Frequency in Direct Torque Control of Induction Machine Based on Hysteresis Bands and Machine Parameters. IEEE, 2001,48(3): 545～553
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[49]Rahul S. Chokhawala. Gate Drive Consideration for IGBT Module. IEEE Trans. on Ind. Appl.,1996, 31(3): 603～611