基于DSP的直接转矩控制变频器的研究

２００８年第３０卷电气传动自动化

Ｖ０１．３０，Ｎ０．６

第６期第１９页

ＥＬＥＣＴＲＩＣＤＲＩＶＥ

ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ

２００８，３０（６）：１９—２１

文章编号：１００５－－７２７７（２００８）０６—００１９＿－０３

基于ＤＳＰ的直接转矩控制变频器的研究

郑益飞’，欧阳名三１，何世明２，苏云－

（１．安徽理Ｔ大学电气与信息工程学院，安徽淮南２３２００１；

２．上海申传电气有限公司，上海２０００７２）

摘要：分析了异步电动机直接转矩控制理论．并对如何实现直接转矩控制作了深入研究和探讨。设计了以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ型ＤＳＰ为核心的直接转矩控制变频器的硬件及软件系统测试结果表明该变频器具有优良的动、静态性能。

关键词：直接转矩控制；变频器；空间电压矢量中图分类号：＇ＩＮ７７３

文献标识码：Ａ

ＳｔｕｄｙｏｆｄｉｒｅｃｔｔｏｒｑｕｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｂａｓｅｄｏｎＤＳＰＺＨＥＮＧ

Ｈ—觑’，ＤＵｙＡⅣＧＭｉｎｇ－ｓａｎｌ，ＨＥ

Ｓｈｉ－ｍｉｎ９２．ＳＵ

Ｙｕｎｌ

（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ

２３２００１，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈａｎｇｈａｉＳｈｅｎｃｈｕａｎＥｌｅｃｔｒｉｃ

Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ．２０００７２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｔｈｅｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒｄｉｒｅｃｔｔｏｒｑｕｅｃｏｎｔｒｏｌｉｓａｎａｌｙｚｅｄ。ａｎｄｈｏｗｔＯ

ａｃｈｉｅｖｅ

ａ

ｄｉｒｅｃｔ

ｔｏｒｑｕｅ

ｃｏｎｔｒｏｌｉｓａｌｓｏ

ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｄｉｒｅｃｔｔｏｒｑｕｅ

ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌ’Ｓｈａｒｄｗａｒｅ

ａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅ

ｓｙｓｔｅｍ

ｄｅｓｉｇｎｅｄｉｓ

ａｓ

ｔｈｅ

ｃｏｒｅ

ｏｆＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＡＤＳＰ．Ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗ

ｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓａｎ

ｅｘｃｅｌｌｅｎｔｄｙｎａｍｉｃａｎｄ

ｓｔａｔｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｋｅｙ

ｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔｔｏｒｑｕｅｃｏｎｔｒｏｌ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｓｐａｃｅ

ｖｅｃｔｏｒ

１

引言

不需要将交流电动机等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变化中的许多复杂计算；它不需要模１９８５年德国鲁尔大学Ｄｅｐｅｎｂｒｏｃｋ教授首次

提出了直接转矩控制的理论，是近１０年来，继矢仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交量控制调速技术之后，发展起来的一种新型具有

流电动机的模型。在直接转矩控制的分析中，一般高性能的交流变频调速技术。它在很大程度上解

采用空间矢量的数学分析方法。如图１所示为异决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电动机步电动机空间矢量的等效电路图…。

参数变化的影响、实际性能难于达到理论分析结异步电机在定子坐标系下的特征可用下列方果等一些重大问题，并以新颖的控制思想、简洁明程式表示：

了的系统结构、优良的动静态性能得到迅速发展。

矗硪ｉ。＋警

（１）

２异步电动机直接转矩控制（ＤＴＣ）理论

０＝Ｒ，ｉ，却，＿柚，砂，

（２）直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，

砂，＝厶ｉ。

（３）吵，：＝以一五，ｉ，

（４）

电机的电磁转矩可表示为定子磁链矢量和转子磁链矢量之间的交叉乘积形式：

Ｅ＝了＿Ｉ丁３垃慨ｌｓｉｎＯ

（５）

其中，远为定子电压空间矢量，ｉ。为定子电流空

图１异步电动机空间矢量等效电路图

间矢量，ｉ，为转子电流空间矢量，尺，为异步电机定

万方数据

・２０・

电气传动自动化２００８年第６期

子电阻，尼为转子电阻，Ｚ。为定子电感，ｋ为漏电感，莎，为定子磁链矢量，沙，为转子磁链矢量，臼为磁

通角。

在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以充分利用电动机的效率，而转子磁链幅值由负载决定。根据式（５），如果要改变异步电动机的转矩，可以通过改变磁通角０来实现。其方法是：通过空间电压矢量五来控制定子磁链的旋转速度，使定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度。当定子磁链旋转速度大于转子磁链旋转速度时，磁通角口加大，转矩增大；反之，ｐ减小，转矩减小，从而实现转矩控制【２］。

逆变器３组桥臂共有８组状态（６个为非零向量，２个为零向量），通过逐步合理地选择８个空间电压矢量，可以使定子磁链矢量的运动轨近似一个圆形。即定子磁链的幅值保持为常数，并且快速改变其相位。另一方面，由于异步电动机转子的时间常数很大（通常＞０．１ｓ），因此转子磁链的变化相对于定子磁链慢很多，在很短的时间内可认为转子磁链不动，就造成了转矩角口快速改变。也就是说，电磁转矩得到了快速改变。

３异步电机直接转矩控制实现的策略

如图２所示是三相异步电动机直接转矩控制系统的结构图［３】，图中上部分是主电路，它根据直接转矩策略输出空间电压矢量（ＰｗＭ信号）驱动异步电动机；图中下部分是直接转矩控制的算法。异步电动机中定子电流信号经过ｉ相／二相变换后得到静止两相坐标系表示的值，电压信号可用直流母线电压和前一控制周期产生的ＰＷＭ信号合成得到。通过计算出来的定子磁链和转矩值分别与其参考值比较，得到各自比较误差值，然后根据误差决定是否要对磁链和转矩进行调整。最后经过电压矢

图２电动机直接转矩控制基本结构

万方数据

量选择产生相应的ＰＷＭ信号，以驱动异步电动

机，得到所需要的转速和转矩。

为了控制电动机的转速，要在控制系统的外环

使用一个ＰＩ速度控制器。该ＰＩ速度控制器的输入

是给定甜，，及由电动机检测出的实际转速竹输出作为参考电磁转矩值Ｚ’。这样，当电动机的实际转速与给定转速不相符时，就产生相应的参考矩阵值，进而使得实际转速稳定在给定转速上。

４变频器系统软硬件设计

４．１硬件设计

变频器主要包括主电路和控制电路两部分。主电路由整流电路、直流中间电路、逆变电路及一些辅助电路组成。逆变器采用了ＩＧＢＴ模块，控制电路采用了ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ型ＤＳＰ进行控制。该控

制系统的功能如图３所示。

图３ＤＴＣ变频器硬件电路

（１）采样电路

本系统是有速度反馈的直接转矩控制系统，采样信号有：电机定子侧电流信号、速度反馈信号和主电路侧电压信号。这４路信号分别经过ＤＳＰ上４个数模转换通道进入ＤＳＰ的。

ａ、ｂ相电流信号的采样由两个电流传感器完成，输入为０—５Ａ、输出为０—２．５ｍＡ。两路信号电路是完全对称的，都由信号的放大和电平提升电路组成（因为本系统ＤＳＰ中模，数转换模块的参考电源设定为０—５Ｖ，而采样信号为近似正弦的交流信号，故需要首先把采样信号变换到一２．５Ｖ至＋２．５ｖ之

间），其电流采样信号转换原理如图４所示。其中的

２００８年第６期郑益飞．欧阳名三。何世明等图４电流采样信号转换原理图

放大作用由集成的四运放ＬＭ３２４完成。

（２）键盘和显示电路

采用一个４＊４的薄模键盘作为系统各给定信

号和控制信号的输入端口。本系统中键盘与ＤＳＰ

的数据交换是通过数字输入／输出端口Ｂ来完成的。通过键盘可以完成系统参数如转矩给定、速度给定等的设定，还可以在系统运行中实时地改变速度给定的大小等操作。显示电路主要由四位八段数码管和硬件译码电路７４ＩＳ４７Ｎ组成，主要用于电机转速的实时显示。这部分的控制信号由ＤＳＰ上的数字ＶＯ口Ａ和ｃ输出，结构如图５所示。

图５显示电路原理图

其中１、２、３、４表示四位数码管的位码，由ＤＳＰ的ＰＣ口直接控制。本系统中数码管采用共负极的ＬＭＦ一５４６ＩＢＸ型，故当ＰＣ的相应位给出高电平时即可表示选中该位。７４１５４７Ｎ的采用简化了系统的软件编程，节省了软件的执行时间。要显示数据以十进制形式由ＤＳＰ的端口Ａ输出送给７４ＬＳ４７Ｎ，后者经内部电路转换后输出所要显示数据的７位段码到８位段数码管。

４．２软件设计

系统程序的编制采用了以功能块为基础的程序组件模块化的设计方法。这种方法便于按功能自由组合，且编写调试都比较方便。主程序的结构简单，它只建立整个程序的一个运行框架，完成ＤＳＰ

万方数据

基于ＤＳＰ的直接转矩控制变频器的研究

初始化、ＤＳＰ运行环境的定义等工作。主程序在上电开始时对系统进行自检。初始化实现对程序中用到ＤＳＰ的寄存器，常量、变量的定义，ＡＤ、ＥＶＡ模块等的初始化。ＡＤ中断程序流程如图６所示。

ＡＤ巾断入口保护现场

二二［查表选择矢量起动ＡＤ采样电流电压等

二二［

输出ＰＷＭ波

计算定子磁链、电磁转矩——１一

磁链、转矩滞环调节

扁

恢复现场

图６ＡＤ中断子程序

５结束语

本变频器进行了性能测试，测试结果表明，该变频器具有动态转矩响应快、调速范围高、可靠性高等特点，具有良好的动、静态性能。

自从矢量控制提出以来，交流调速取得了与直流调速相媲美的静、动态性能，但由于矢量旋转的复杂性，实际控制效果难以达到理论分析的水平。而直接转矩控制（ＤＴＣ）系统的结构简明，控制效果直接，有着优良的静、动态性能，是顺应变频器发展的潮流。当然，传统的直接转矩控制技术也存在不足，如在实际应用中存在低速转矩脉动的缺点，国内外的专家学者也提出了很多的改进措施。随着ＤＴＣ理论和硬件性能的进一步发展提高，一定会使ＤＴＣ技术更加成熟。

参考文献：

［１］李发海，王岩．电机与拖动基础［Ｍ］．北京：清华大学出

版社，２００５：２３３—２３４．

［２］李崇坚．交流同步电机调速系统［Ｍ］．北京：科学出版社，

２００５：２４７—２４８．

［３］成国呈．ＰＷＭ逆变技术及应用［Ｍ］．北京：中国电力出版

社，２００７：９２—９７

［４】刘和平．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ＸＤＳＰ结构，原理及应用［Ｍ］．北

京：北京航空航天大学出版社，２００２：１－－４．［５］Ｔａｎｇｋ

Ｚｈｏｎｇ

Ｌ，ＲａｈｍａｎＭＦ＇ｅｔａ１．Ａｎｏｖｅｌｄｉｒｅｃｔｔｏｒｑｕｅ

ｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｆｏｒｉｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ

ｍａｃｈｉｎｅｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍ

ｗｉｔｈｌｏｗｒｉｐｐｌｅｉｎｔｏｒｑｕｅａｎｄｆｌｕｘ，ａｎｄ

ｆｉｘｅｄｓｗｉｔｃｈｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙ［Ａ］ＩＥＥＥＰＥＳＣ．［Ｃ］２００２１５２９－５３４．

作者简介：

郑益飞（１９８２一）．男，江西上饶人，安徽理工大学硕士研究生。研究方向为电力电子及其应用。

收稿日期：２００８－０３—１６