基于DSP的直接转矩控制----在电动汽车驱动控制器中的应用

哈尔滨理工大学学士学位论文-I-基于DSP的直接转矩控制在电动汽车驱动控制器中的应用摘要随着科学技术的发展，近几十年来异步电动机的控制技术取得了突破性进展。其中，直接转矩控制技术很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电动机参数变化影响等难题；同时，由于是对转矩进行直接控制，又可以获得优良的静、动态性能。另一方面，新一代微处理机---DSP应用于控制系统。数字信号处理器(DSP)采用特殊的硬件结构，有着很高的处理速度，这就为采用先进的控制算法提供了物质基础。本文介绍了运用于电动汽车驱动控制系统的TMS320F240数字信号处理器进行的直接转矩调速系统研究，并对其结构和性能进行了初步探讨和分析。论文的主要工作包括以下三个方面：1．直接转矩理论分析研究：介绍直接转矩控制在定子坐标系内推导异步电动机的数学模型，引出电压空间矢量的概念，以及如何正确选择电压空间矢量。在此基础上，建立了异步机直接转矩控制系统基本架构。2．直接转矩交流调速控制系统硬件设计：采用TMS320F240芯片为控制核心，结合智能控制功率模块（IPM）进行控制系统硬件电路设计。3．直接转矩交流调速控制系统软件设计：包括主程序流程，直接转矩控制算法、A/D采样和电机转速检测流程等。本文通过对基于DSP的电动汽车驱动控制系统的研究，将直接转矩控制方案与DSP控制技术有机的结合，具有较大的实际应用价值。关键词数字信号处理器；直接转矩控制系统；异步电动机TurnthecontroloftorquedirectlyaccordingtotheDSPtheapplicationinthecontrollerofthedynamoelectricautomobileAbstractWithdevelopmentofscience,thecontroltechnologyofasynchronousmotorshasmadeabigprogressinrecentyears.ComparedwithTransvectorControl,DSCresolvessomeproblemssuchascomplexcalculationandefectsoncapabilitiescomingfrommotorparameters.Meantime,duetothedirectcontrolontorque,motorshaveagoodstaticanddynamicperformance.Ontheotherside,thenewgenerationmicroprocessorofDSPisusedincontrolsystem.DigitalSignalProcessoradoptsspecialstructureandhashigherprocessingspeedthanSCM.Soitcanrunadvancedandcomplexarithmetic.ThispaperintroducesthemethodofDirectTorqueControl(DTC)forEVdrivesystembasedonDSP,andcarriesonpreliminaryresearchofitstheoryandstructure.哈尔滨理工大学学士学位论文-II-Theresearchworkinthispaperisdescribedasfollows:1.AnalyzingoftheDTCtheory:IntroducetheDTCtodeducethemathematicsmodelofanelectricmotorofdifferenceinsettlesonsitthemarkdepartment,andfetchtheconceptoftheelectricvoltagespacevector,andhowtheexactitudechoosestheelectricvoltagevector.Onthisfoundation,builtuptheasynchronismelectromotorbasicstructureoftheDTCsystem.2.DesigningthehardwareoftheDTCsystem:ThehardwarecircuitdesigniscompletedusingTI'TMS320F240andIPM(IntelligentPowerModel).3.DesigningthesoftwareoftheDTCsystem:Includethemainprocedureprocess,theDTCcalculateway,theA/Dsampleandtheelectricalengineeringturnstoexamineprocessetc.ThispapercombinescontroltheoryandparticalfeatureofEVandcombinesDTCsystemwithcontroltechnologywithDSPDriveControlSystemofEV,itwillhavebigpracticalvalue.keywordsDigitalSignalProcessor(DSP);DirectTorqueControl(DTC);Asynchronousmotor不要删除行尾的分节符，此行不会被打印哈尔滨理工大学学士学位论文-III-目录摘要……IAbstractII第1章绪论11.1交流电机变频调速系统的现状和发展11.2数字信号处理器(DSP)的特点21.3直接转矩控制的主要特点31.4电动汽车电机驱动系统特点41.5国内外研究概况41.6本文的目的及意义5第2章直接转矩控制系统组成及原理52.1直接转矩控制的基本概念52.1.1逆变器的8种开关状态和逆变器的电压状态52.1.2电压空间矢量的概念72.1.3定子磁链的运动轨迹82.1.4电压空间矢量的正确选择102.2直接转矩控制系统的构成122.2.1磁链控制器132.2.2转矩调节器142.2.3异步电动机的磁链模型142.2.4异步电动机和逆变器的数学模型172.3本章小结19第3章控制系统硬件设计193.1中央处理器---DSP203.2外围硬件电路设计213.2.1智能功率模块223.2.2电流采样电路223.2.3电压采样电路233.2.4转速检测电路233.3本章小节24第4章控制系统软件设计244.1主程序模块244.2直接转矩控制算法程序254.2.1初始定子磁通建立264.2.2磁链自控制274.2.3转矩调节器274.2.4查表得开关状态284.3A/D采样功能程序29哈尔滨理工大学学士学位论文-IV-4.4测速功能程序294.5本章小节31结论33致谢33参考文献33附录A34附录B38附录C41千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行哈尔滨理工大学学士学位论文-1-绪论交流电机变频调速系统的现状和发展长期以来，由于直流电机的电枢磁势与电机的励磁正交，进而电枢电流和磁通可以分别控制，因而直流电机转速的调节性能和转矩的控制性能比较理想。但是，直流电机结构中存在着换向器、电刷等器件，使其在电机容量、转动惯量、以及维护等方面受到了限制，不能向大型化发展，更不可能在快速性、可靠性、免维护及节能等方面进一步提更高的要求。交流鼠笼型异步电动机由于结构简单、坚固耐用、惯量小、运行可靠、很少维护、原材料消耗小、制造成本低、可以用于恶劣环境等优点，因而得到了广泛的应用。但是，由于异步电动机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，磁通和转矩耦合在一起，不像直流电机那样，磁通和转矩可以分别控制，所以一直没有获得高性能交流调速系统，只是到了七十年代，交流调速才有了突破性发展。1971年，P.C.Custman和A.A.Clark申请了美国专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”，同年，德国西门子公司的F.Blashke和W.Flotor提出了“感应电机磁场定向的控制原理”，即用矢量变换的方法研究交流电机动态控制过程，实现了以转子磁通定向为基础的磁通和转矩的解耦控制，使交流传动系统的动态特性有了显著的改善，开创了交流传动的新纪元。随后又提出了许多改进的方法，如转差矢量控制、标量解耦控制等。其中，转子磁通的大小及位置能否精确的测量是矢量变换解耦的关键，一般可用直接法或间接法获得磁通，较常用的是间接法，但是其较多地用到了随温度而变的转子电阻及随工况发生变化的电感参数，控制精度及系统的动静态特性受参数变化的影响，许多文献已报告了有关这类参数的实时辨识(或补偿)问题，但各种补偿方案的引入使系统更为复杂，可靠性降低，并且系统本身也需要大量复杂的计算，如：坐标变换，相位变换等。1985年，德国M.Depenbrock教授提出了一种新的方法——直接转矩控制法，该控制方法跳出了交流传动技术研究的传统思维框框，不去考虑如何通过解耦，将定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量，而是取消坐标变换，简单的通过检测到的定子电流和电压，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得的差值，实现磁链和转矩的直接控制，从而使得直接转矩控制异步电机调速系统线路简单，并可望得到很好的动态性能。可以说交流电机调速理论从恒压频比控制法到矢量控制法是一个飞跃，直接转矩控制理论的诞生使调速技术进入了一个新的发展阶段，所以近几年国内外对异步电机直接控制的研究比较活跃。随着超大规模集成电路技术和微处理器技术的飞速发展，出现了各种高性能高速微处理器和控制器，特别是高速数字信号处理器(DigitalSignalProcessing简称DSP)的出现，使研制全数字化的高性能交流传动系统成为现实。与模拟系统相比，数字化系统具有明显的优点：1.能明显降低控制器硬件成本。随着新一代微处理器的出现，硬件会越来越便宜。同时体积小、重量轻、耗能小是它们的共同特点。哈尔滨理工大学学士学位论文-2-2.可显著改善控制的可靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时间远大于分立电子元件。3.数字电路温度漂移小、稳定性能好。可以避免电力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题。4.采用微机的数字控制，大大加强了数据的交换能力，容易和上位机建立联系，形成友好的用户界面，便于用户使用和实时修改参数，加强对系统的控制。5.可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化，灵活的应用多种场合，满足不同的控制系统，提高编程效率。6.随着微机芯片运算速度和存储容量的不断提高，性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础。所以，交流传动系统的数字化将成为电气传动领域发展的必然趋势，也将是未来电气传动技术发展的新方向。数字信号处理器(DSP)的特点适用于交流传动系统控制的微机可分为微处理器(Microprocessor)、单片机(Microcontroller)、和数字信号处理器(DSP)三种。本文中用于实现直接转矩控制系统的微机是数字信号处理器。现简要介绍一下该处理器的特点。DSP芯片，是一种具有特殊结构的微处理器。它的内部采用程序和数据分开的哈佛总线结构，具有专门的硬件乘法器，辅助算术逻辑单元以及广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，这些特性都使大大加快了DSP芯片的运行速度，成为实现各种复杂算法首选的微处理器。同时，它还具有以下优点：1.接口方便，DSP系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，便于相互间通信和交换数据。2.编程方便。DSP系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便的对软件进行修改和升级。3.稳定性好。DSP系统以数字处理为基础，首环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高。4.精度高。16为数字系统可以达到510的精度。5.集成方便。DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模生产。DSP可分为通用型和专用型两大类。通用型