永磁同步電機直接轉矩控制系統設計

    張嵩¹，楊霞²，肖竹²

(1．遼寧省高速公路管理局丹東管理處，遼寧丹東118000；2．沈陽工業大學，遼寧沈陽110870)

    摘要：文章介紹了永磁同步電動機模型和直接轉矩控制原理。在直接轉矩控制理論的基礎上，本文采用空間矢量調制技術，實現全數字化控制。本系統采用TI公司的數字信號處理器-TMS320F2812型做為核心控制器件，并分別從硬件和軟件流程上進行說明。實驗結果表明，該方法具有良好的動態響應和調速性能。

    關鍵詞：永磁同步電動機；直接轉矩控制；數字信號處理器

O引言

    直接轉矩控制(DTC)摒棄了傳統矢量控制的解耦思想，采用定子磁鏈定向，直接控制定子磁鏈和轉矩，使其具有控制結構簡單、動態性能好等優點。

    本文采用空間矢量脈寬調制技術(SVF·WM)，以降低電機轉矩脈動，減少電流畸變。控制器采用的DSP為TI公司的專用電機控制芯片，對永磁同步電動機進行直接轉矩控制，實現了永磁同步電動機的全數字控制。

1永磁同步電動機數學模型

    假設永磁同步電機具有正弦形的反電動勢波形，不考慮磁路飽和，忽略電機中的渦流損耗和磁滯損耗，可得到其在轉子同步旋轉坐標系出d-q軸系下的數學模型為：

 

式中，u_d、u_q、ψ_d、ψ_q分別為d-q軸上的定子電壓和磁鏈：L_d、L_q分別為d—q軸定子電感；

ψ_f為永磁體磁鏈：ω_r為轉子電角頻率；p為磁極對數；R_s為定子繞組電阻；t_e為輸出電磁轉矩；t_L為負載轉矩；J為轉動慣量；Ωr為轉子機械角速度；R_Ω為阻尼系數。

2永磁同步電動機直接轉矩控制

    直接轉矩控制采用控制定子電壓矢量來控制定子磁鏈：通過定子電壓矢量的徑向分量usr控制幅值ψ_s的變化，而利用其切向分量控制ψ_s的轉速ω_s，如式(7)所示。

  

在定子DQ中，定子磁鏈矢量Ψs的兩個分量Ψ_D，和Ψ_Q，由式(8)、(9)估計出來，以求出幅值估計值Ψs和轉矩估計值te。

   

空間矢量調制技術(SVPWM)就是使電機獲得一個恒定的圓形磁場。其不同開關組合電壓向量表如表l所示。其扇區分布圖如圖l所示，共6個扇區，8個電壓矢量。

3永磁同步電動機直接轉矩控制硬件設計

    硬件設計上，采用TI公司的DSP的2000系列TMS320F2812，采用IPM智能功率模塊作為整流和逆變單元，即DSP+IPM的模式。其中DSP  TMS320F2812實現的功能主要有：I/O處理(包括控制信號：起、停，正反轉等)；位置、速度、電流檢測計算；Park反變換和Clark變換；轉矩和磁鏈估計算法；速度、轉矩、磁鏈調節器；電壓空間矢量SVPWM控制。電壓型逆變器由智能功率模塊(IPM)來完成。。IPM主要接收DSP發送的SVPWM信號，控制IPM內部的6個IGBT功率開關管組成的逆變電路的通斷，產生電壓空間矢量。電動機的檢測電路由相電流檢測和速度(或位置)檢測組成。電流檢測電路由霍爾傳感器將檢測到的A、B、C相電流經過隔離放大后轉換為電壓信號，輸入DSP，內的A／D模塊進行處理，等待Clark程序模塊處理。速度(或位置)檢測電路選用多摩川2500線的增量式光電編碼器來完成。從編碼器輸出的兩路正交信號直接與TMS320F2812的正交編碼脈沖(QEP)相連接。從而計算出轉子角位置及轉速。圖2為永磁同步電

機直接轉矩控制系統框圖。

    SVM-DTC控制系統原理框圖如圖2所示，其中參考電壓矢量計算單元和空間電壓矢量調制單SVM替代了常規DTC中的磁鏈、轉矩滯環比較器和開關表。

    在圖2中，參考角速度ω_r^x與反饋角速度ω_r之差經轉速調節器輸出參考轉矩指令t_e^x，