直接转矩控制变频器设计

摘要隨著電力電子技術、電腦技術和自動控制技術的飛速發展，各類電機控制技術不斷得到發展。其中直接轉矩控制技術(DTC)作為繼向量變換控制之後又一項新型的現代交流調速控制技術，其思路是把交流電機與逆變器看作一個整體對待，採用空間電壓向量分析方法進行計算，免去了向量變換的複雜計算。控制系統具有結構簡單，魯棒性強、靜動態性能好、便於實現全數位化等到優點，所以得到了越來越廣泛的重視。、本論文從非同步電機的數學模型出發，介紹了直接轉矩控制的基本原理，並且對無速度感測器技術進行了深入的研究，建立了基於磁鏈的速度辨識方案的數學模型，並將它應用到直接轉矩控制系統中進行模擬。本論文用DSP軟體進行模擬,構建了不同速度範圍的辨識方案的模擬模型，並將它們直接應用於直接轉矩控制系統，對無速度感測器的非同步電機直接轉矩控制系統進行了模擬研究。模擬結果說明了所建模型的正確性,控制系統具有滿意的辨識精度、優良的動靜態性能和較高的控制效果。為滿足交流調速系統結構的簡單化，在降低成本的同時，提高系統的整體可靠性，無速度感測器調速系統的研究成為交流傳動中一個重要的研究課題。關鍵字：非同步電機；直接轉矩控制；無速度感測器；模擬AbstractRecentlywiththedevelopmentofpowerelectronictechniques,computercontroltechniquesandautomaticcontroltechniques,manykindsofinducdionmotorcontroltechniquesareimprovedgreatly.AmongthemtheDirectTorqueControl(DTC)techniqueattractsmoreandmoreattentionaftervectorcontroltheorybecauseofitsrobustcharacteristics,simplerealizationandexcellentdynamicresponse.DirectTorqueControltakestheparameteroftorqueasitscontrolcontrolobject,anditbasedonstatorcoordinate.Asaresult,DTCsystemisafectedbyfewerparameterofthemotorandhaslesscomplexstructureandfewercalculations.Sinceitwasbroughtforward,DirectTorqueControlhasbeentakenseriousattentionbydomesticandforeignscholars.Thispaperbuildedamathematicmodelforasynchronousmotorandtelledthebasicprincipleofdirecttorquecontrol.Thispaperstudiesemphaticallyspeedsensorlesstechniques,themathematicmodelsofspeedidentificationschemesbasedonrotorfluxlinkageforceissimulationandisappliedinDTCsystem.ThepaperusesDSPtosimulateDTCsystemandconstructsdifferentsimulationmodelsinvariousspeedrangeandsimulates.Thesimulationresultsareshownanditsuggeststhatthemodelisrightandthecontrolsystemhassatisfactoryidentificationprecision,excellentdynamicandstaticperformancesandhighcontroleffect.Inordertosimplifythestructureofalternatingcurrentspeedadjustingofsystem,reducethecost,andimprovethesystemperformance,thespeedestimationwithoutspeedsensorisanimportanttrendofmodernACdrive.KeyWords:AsynchronousMotor;DirectTorqueControl;SpeedSensorless;Simulation3控制部分硬體電路設計3.1硬體系統概述同所有的電機控制系統一樣，直接轉矩控制系統也有自己的控制部分，我門可以把它分為主電路和控制電路部分。如圖3-1所示。TMS320LF2407A外部存储器JTAG仿真接口电源时钟LED显示开关信号输出光电码盘相电流，电压检测隔离电路直流电压检测整流滤波IPMM圖3-1直接轉矩系統控制硬體框圖Figure3-1DirectTorqueControlSystemhardwareblockdiagram3.2主電路設計主電路分為功率驅動電路和開關電源電路，由於開關電源不是我們設計的主要目的我在此設計中不做介紹，功率驅動電路我們選用智慧控制器件IPM。3.2.1功率驅動電路功率電路由不可控整流電路和濾波電路組成及逆變模組組成。整流電路我門採用三相全橋整流模組，內部採用不可控的整流二極體模組6RI30G,濾波電路由四個電容器(390F，450V)並聯而成。如圖3-2所示，同時整流後串聯一個電阻作為分壓器，通過霍爾電壓感測器來檢測直流電壓送到DSP作為A/D轉換，在後一節中在作為介紹。在此只說明電阻起到限制電流，防止電容被擊穿的作用。D5D4D6D3D2D1RJQXC1390ufC2390ufC3390uf圖3-2整流和濾波電路Figure3-2rectifierandfiltercircuit逆變模組我門採用PS21865A的晶片，內部集成了功率晶片IGBT，檢測電路，驅動電路不僅把功率開關器件(IGBT)和驅動電路集成在一起，而且還具有過流、過壓、欠壓、溫度等保護功能，因而簡化了片外的驅動電路，減少了系統的故障率。IPM的故障輸出信號F。通過光電耦合器接到DSP的PDPINTA埠，在IPM發生故障時，DSP能把所有事件管理器輸出引腳都置成高阻狀態，禁止PWM信號輸出，對系統進行保護。如圖3-3所示為PS21865A的晶片的功能框圖：IPM內置的驅動和保護電路使系統硬體電路簡單、可靠，縮短了系統開發時間，也提高了故障下的自保護能力。與普通的IGBT模組相比，IPM在系統性能及可靠性方面都有進一步的提高。IPM要有單獨的供電電源+15V提供裡面的IGBT，六個IGBT需要四個+15V直流電源才能相互沒有干擾，能正常關斷。而在硬體設計中直接給出電源，沒有對開關電源進行設計。隔离功率输入隔离接口电路隔离接口电路门极控制驱动欠压保护短路保护圖3-3IPM功能模組Figure3-3IPMfunctionmodulesIPM逆變器要求同一橋臂上下開關管始終有一個導通，另一個截止，而且必須互鎖。因此PWM信號必須有足夠的死區時間，否則將會造成同一橋臂上下開關管同時導通，導致IGBT模組燒壞。TMS320LF2407A內集成了死區調節電路，死區時間可在0-120s內變化。具體死區時間由軟體來設定。起逆變作用的是六個功率IGBT管，其開關觸發控制信號受TMS320LF2407ADSP晶片所輸出的六路PWM波的控制，通過功率管有規律的通斷將直流電逆變為交流電，提供給非同步電動機的三相定子繞組。但是從TMS320LF2407ADSP晶片直接輸出的PWM觸發控制信號不足以驅動功率管的通斷，因此在觸發控制信號和功率管柵極之間設置了功率驅動電路。IPM結構原理如圖3-4所示：驱动电路驱动电路保护电路CINVINCNL-sideIGBTH-sideIGBTPUVW圖3-4IPM結構原理圖Figure3-4IPMschematicstructure其中PS21865A內部是一個三相的功率橋和相應驅動電路，用於實現SVPWM信號的功率放大功能；輸出變壓器和輸出濾波電路則主要用於將PS21865A輸出功率SVPWM信號變換為正弦輸出，並濾除其高次諧波，保證輸出波形的純正。PS1865A保護電路外部接RC電路，RC時間常數在範圍1.5-2.0us,短路電流保護功能（簡稱SC），它是由L-sideIGBT來完成的，當PS21865A出現工作異常（如過壓、欠壓、過流）和系統超載，對應的所受到的電流值大於SC的電流值，所有L-sideIGBT都關閉，同時輸出錯誤信號FO，IPM功能被截止。直到檢測出錯誤的原因，才能恢復IPM的功能。我們可以用圖3-5表示出來。ISc值當前電流波形Tw(us)圖3-5短路電流保護電路電流波形Figure3-5Short-circuitcurrentprotectioncircuitcurrentwaveform3.2.2隔離電路為了避免各開關信號的干擾，保證系統的可靠性，我門採用拉U8HCPL4504的光電耦合器對開關信號進行隔離，提高拉系統的穩定性。U8HCPL4504的供電電源由+5V的開關電源提供。如圖3-6所示光電耦合電路圖。圖3-6所示只介紹兩路PWM的隔離電路，當U8HCPL4504光耦工作時，6腳變為低電平，相反變為高電平。晶片SN74HCT14N為一反相器。4，6引腳接IPM電路以觸發IGBT。由於PWM是由DSP產生的，所以光電耦合電路接+3.3V電源，當PWM為高電平時CPL4504內二極體截止，CPL4504不工作。引腳6輸出為高電平。。相反，PWM輸入為底電平時，CPL4504內二極體導通，CPL4504工作。內部三極管接通，引腳6輸出為低電平。有於IPM內部是反向控制，所以輸出信號接反向器以便控制IPM功率器件。R14C15R1587651234U5HCPL4504R17R10C14R1187651234U6HCPL4504R121312U11FSN74HCT14N1110U11ESN74HCT14NPWM3PPWM2P+3.3V+3.3V5V5V圖3-6光電耦合電路圖Figure3-6optocouplercircuit3.3控制電路設計控制回路是所有控制軟體的硬體載體，本論文中即為直接轉矩控制軟體的硬體載體。本論文中的微處理器採用美國TI公司的TMS320LF2407A，硬體電路的設計也是基於該DSP晶片開展的。圖3-1為控制回路的硬體框圖。3.3.1TMS320LF2407A晶片介紹TMS320系列DSP是美國TI公司的產品。該系列DSP的體系結構專為即時信號處理而設計。目前TI公司主推的DSP有:定點系列TMS320C2000,MS320C5000;浮點系列TMS320C6000，其中TMS320C6000系列中也有部分定點DSP。TMS320LF2407A屬於TMS320C2000系列的產品。事實上，TMS320C2000系列產品均是針對電動機控制專門用設計的。在TMS320LF2407A之前，TMS320LF240一直佔據著C2000系列的主導地位，它們的內核是相同的，只是TMS320LF2407A在處理速度、片內外設等方面有著自己的優勢，更勝於TMS320L240晶片。TMS320LF2407A晶片是為了滿足控制應用而設計的。通過把一個高性能的DSP內核和微處理器的片內外設集成為一個晶片的方案，LF2407A成為傳統的微處理器和昂貴的多片設計的一種替代產品。每秒4000萬條指令(40MIPS)的處理速度，使LF2407A可以提供遠遠超過傳統的16位元微處理器和控制器的性能。概括起來，LF2407A具有以下一些特點和資源：（1）採用高性能靜態CMOS技術，使得供電電壓降為3.3V，減小了處理器的功耗；40M