永磁同步电动机直接转矩控制系统

滨州学院专科毕业（论文）I永磁同步电动机直接转矩控制系统的设计摘要直接转矩控制(DTC)，又称为转矩矢量控制(TVC)，是近年来发展起来的一种新型的异步电机控制方案，这种方案系统结构简单，转矩响应好，其控制思想已经推广用于永磁同步电动机的控制，本文介绍了永磁同步电动机的几种直接转矩控制方案，磁链转矩的估计方法等。对永磁同步电动机直接转矩控制运行机理进行了研究,在此基础上开发了一套基于TMS320LF2407的永磁同步电动机直接转矩控制交流调速系统实验验证了该策略可用于永磁同步电动机控制,实验还表明永磁同步电动机直接转矩控制具有优良的转矩快速动态响应特性和对系统参数摄动、外干扰具有很强的鲁棒性等优点。实验系统安全可靠运行表明该调速系统具有优良的故障检测和保护功能,硬件设计思想合理。关键词:永磁同步电动机直接转矩控制故障检测与保护控制方案滨州学院专科毕业（论文）IIStudyofDirectTorqueControlofPermanentMagnetSynchronousMotorAbstractDirectTorqueControl(DTC)technique,whichisalsocalledTorqueVectorControl(TVC),isanewcontrolschemeforinductionmotordrivesrecentyears.ThecontrolsystemisverysimpleofagooddynamicperformanceandthecontrolschemehasbeenextendedtoPermanentMagnetSynchronousMotors(PMSM)SeveralcontrolschemesofdirecttorquecontrolforPMSMdrivesandestimationtechniqueoffluxlinkageandtorque.Directtorquecontrol(DTC)ofpermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)wasresearch,andaPMSMDTCsystembasedonTMS320LF2407wasdeveloped,ExperimentalresultsverifiedthefeasibilityofusingDTCstrategyonPMSM,andthemeritsofPMSMDTCincludingtherapidtorqueesponse,hegoodspeed-adjustableperformance,andtherobustnesstosystemparametersuncertaintyanddisturbance.Thestempredatedwellandsuccessfully,whichshowedthespeed-adjustablesystemhadgoodcompetenceinfaultdetectionandprotection.Keywords:PSWMDTCdefaultdetectionandprotection滨州学院专科毕业（论文）i目录摘要............................................................................................................................................IAbstract..............................................................................................................................................II一、绪论............................................................................................................................................1二、系统设计...................................................................................................................................2(一)磁同步电动机DTC机理............................................................................................2(二)永磁同步电机直接转矩控制理论..........................................................................2(三)零矢量在直接转矩控制中的作用..........................................................................3(四)永磁同步电动机DTC系统设计...............................................................................41.3.3v和5v接口电路................................................................................................42.故障检测与保护........................................................................................................5（1）过流检测与保护.........................................................................................5（2）IPM保护........................................................................................................6（3）二阶Butterworth滤波电路的设计....................................................6(五)实验结果.................................................................................................................................7三、结论..........................................................................................................................................10致谢...................................................................................................................................................11参考文献:........................................................................................................................................12滨州学院专科毕业（论文）1一、绪论永磁同步电机具有调速性能好、易于控制、无换向火花、无励磁损耗、寿命长等突出优点,现在多用于要求快速转矩响应和高性能运行的场合。直接转矩控制是近年来继矢量控制技术之后的一种新方法:它采取定子磁链定向,利用离散的两点式(Bang-Bang)进行调节,产生PWM信号,并直接对电机的磁链和转矩进行控制。其省掉了复杂的矢量变换,控制思想新颖,控制结构简单,转矩响应迅速。目前,这种控制方法已成功应用于异步电机调速,近年来在永磁同步电机中的应用也在国内外有文献报道,但是相比异步电机,仍有许多问题需要解决。永磁同步电动机(以下简称PMSM)具有功率密度大、效率高、转子损耗小、可靠性高、动态性能优良等众多优点[1],有着广阔的发展前景和应用市场。作为一种高性能的控制方案,直接转矩控制(以下简称DTC)已在感应电机上得到比较成熟的应用[2],将其控制思想应用于,也同样可以得到良好的动态性能[3]。由于实验中常遇到因电机电流过流和触发脉冲状态不定等问题,处理不当就会导致逆变器桥臂直通而烧毁功率模块和电机。本文开发了一套永磁同步电动机直接转矩控制系统,在此系统上进行了实验研究。实验证明硬件设计方案可行,实验结果表明永磁同步电动机直接转矩控制同样具有优良的动态响应性能和对系统参数摄动，外干扰具有很强的鲁棒性等优点。滨州学院专科毕业（论文）2二、系统设计(一)磁同步电动机DTC机理阴极的电磁转矩方程[4]:T=3／2LS×P∣Ψs∣∣ΨPM∣sinδ(1)因此可通过保持定子磁链幅值恒定,改变定子磁链旋转速度和方向来瞬时调整功角D,实现转矩的动态直接控制。忽略定子电阻的影响,定子磁链方程可表示为│Ψs│=∫(Us-Rsis)dt+Ψo≈∫Usdt+Ψo(2)这表明可通过控制电机的输入电压u来控制定子磁链7按一定的轨迹和速度运动,从而达到控制转矩的目的。(二)永磁同步电机直接转矩控制理论永磁同步电机矢量图如图1所示,其中d-q坐标系是固定在转子上的旋转坐标系,x-y坐标系是固定在定子上的旋转坐标系,定子磁链方向为x轴的正向。d轴与x轴夹角为δ,d轴与A相夹角为θ。在恒定负载稳态运行下,d-q坐标系与x-y坐标系保持同步,δ恒定;瞬态时,δ随着定子、转子的旋转速度不同而改变。在转子旋转d-q坐标系下,永磁同步电动机定子磁链、定子电压和电磁转矩分别为滨州学院专科毕业（论文）3Ψd=Ldid+Ψf(1)Ψq=Lqiq(2)Ud=Rsid+pΨd-ωrΨq(3)Uq=Rsiq+pΨq+ωrΨd(4)Te=3/2np(Ψdiq-Ψqid)(5)式中:Ψd,Ψq分别为定子磁链d轴和q轴上的分量;id,iq分别为定子电流d轴和q轴上的分量;Ld,Lq分别为d轴和q轴电感;Ψf为永磁体磁链;Ud,Uq分别为定子电压d轴和q轴上的分量;Rs为定子电阻;ωr为转子角速度;np为电机极对数。通过坐标变换,可得定子旋转x-y坐标系下的转矩表达式为Te=3np/4LdLq|Ψs|[2ΨfLqsinδ-|Ψs|(Lq-Ld)sin2δ](6)由式(6)可知,在一定条件下,保持定子磁链幅值|Ψs|恒定,电机的电磁转矩随着定、转子磁链的夹角δ的变化而变化。因此定义δ为转矩角。通过迅速改变δ,转矩也相应迅速改变,从而得到快速的转矩效应,这与感应电机直接转矩控制理论相同。因此,可以通过改变逆变器输出的电压空间矢量来改变定子磁链Ψs的大小与旋转速度,采取“砰-砰”两点式控制,对|Ψs|与δ进行定性控制,从而达到直接控制定子磁链和转矩的效果。(三)零矢量在直接转矩控制中的作用永磁同步电机转矩角的变化量Δδ为因定子磁链旋转引起的角度变化Δδs与因转子磁链旋转引起的角度变化Δδr之差,即Δδ=Δδs-Δδr。施加零电压矢量时,永磁同步电机定子磁链静止,幅值缓慢衰减,转子磁链幅值恒定,以同步速前进。Δδs=0,Δδr=ωrΔt,