异步电机直接转矩控制策略研究

河南理工大学毕业设计（论文）说明书I摘要继矢量控制策略之后，直接转矩控制策略是又一种高性能交流变频调速策略。然而，传统的直接转矩控制策略在转矩脉动和磁链轨迹方面存在许多不足，影响其发展和应用。针对传统的直接转矩控制策略存在转矩和磁链脉动较大，电流谐波较大，开关频率不固定等问题，本设计是在异步电动机数学模型和直接转矩控制策略理论分析的基础上，利用空间矢量脉宽调制的直接转矩控制策略，使系统性能得到有效提高。最后，以数字信号处理器TMS320LF2407为控制核心、异步电动机为控制对象，分别设计了直接转矩控制控制系统的硬件部分和软件部分。硬件部分包括整流电路、逆变电路、控制电路。整流电路通过整流桥6RI30G120把三相交流转变为直流；逆变电路由智能功率模块（IPM）PM25RSB120组成；控制电路由TMS320LF2407构成电压、电流采样电路和转速检测电路，以及实现异步电动机的直接转矩控制。关键字:异步电动机；直接转矩控制；空间矢量脉宽调制技术；数字信号处理器河南理工大学毕业设计（论文）说明书IIABSRACTFollowingthevectorcontrolstrategy,directtorquecontrolstrategyisahigh-performanceACfrequencycontrolstrategy.However,theconventionaldirecttorquecontrolstrategyhassomedeficienciesinthetorquerippleandfluxlinkagetrajectory,affectingtheirdevelopmentandapplication.Onthebasisoftheasynchronousmotormathematicalmodelsandtheoreticalanalysisofdirecttorquecontrolstrategy,thedesignmakesuseoftheresearchonthestatorfluxobservationandcontrolstrategiesfortheproblemofthelargetorqueandfluxripple,currentharmonicsandthenotfixedswitchingfrequency,anddesignspacevectorpulsewidthmodulationdirecttorquecontrolstrategyinordertoimprovethesystemperformance.Finally,digitalsignalprocessorTMS320LF2407asthecore，asynchronousmotorastheobject,respectively,designthehardwarepartandsoftwarepartoftheDirectTorqueControlSystem.Thehardwareincludesarectifiercircuit,invertercircuit,controlcircuit.Rectifiercircuitmakesthree-phaseACintoDC;invertercircuitcomposesofintelligentpowermodule(IPM)PM25RSB120;controlcircuitsincludevoltageandcurrentsamplingcircuitandspeeddetectioncircuit,inordertorealizedirecttorquecontrolofAsynchronousmotor.Keywords:asynchronousmotor;directtorquecontrol;spacevectormodulation;digitalsignalprocessor河南理工大学毕业设计（论文）说明书III目录1引言...............................................................11.1交流调速技术的发展与现状.....................................11.2直接转矩控制技术的发展与现状.................................21.3本课题研究的内容.............................................32异步电机直接转矩控制系统设计.......................................42.1异步电动机的数学模型.........................................42.1.1异步电动机的三相数学模型................................42.1.2坐标变换................................................62.1.3异步电机在静止两相正交坐标系中的动态模型................72.2直接转矩控制原理基本理论.....................................82.2.1直接转矩控制的基本思想..................................82.2.2理想逆变器的数学模型....................................92.2.3空间电压矢量与定子磁链的关系...........................102.2.4空间电压矢量与电磁转矩的关系...........................112.3直接转矩控制的系统设计......................................112.3.1磁链模型和转矩模型.....................................122.3.2磁链调节器设计.........................................132.3.3转矩调节器设计.........................................132.3.4最优开关表.............................................143基于TMS320LF2407处理器的硬件设计.................................163.1系统总结构..................................................163.2主电路设计..................................................173.3控制电路设计................................................203.3.1DSPTMS320LF2407数字信号处理器介绍.....................203.3.2电源模块...............................................213.3.3时钟电路...............................................233.3.4PWM信号电平转换和驱动电路.............................233.3.5JTAG接口电路..........................................243.3.6电压电流检测调理电路...................................25河南理工大学毕业设计（论文）说明书IV3.3.7转速信号检测...........................................264系统软件设计......................................................294.1主程序......................................................294.2电机转速测量模块............................................304.3速度PI调节模块.............................................314.4定子磁链和转矩计算模块......................................324.5电压空间矢量PWM波的产生....................................325总结与展望........................................................34参考文献............................................................35致谢................................................................36河南理工大学毕业设计（论文）说明书11引言1.1交流调速技术的发展与现状直流电气传动和交流电气传动于19世纪先后诞生，然而，在20世纪的绝大多数时期内，鉴于直流传动的优良控制特性，一般在高性能的调速的传动一般采用直流调速。自从20世纪70年代以来，随着电力电子技术和控制理论的发展，交流电动机的控制技术取得了突破性的成果，高性能的异步电动机调速系统得以广泛的推广应用。由于交流电机是强耦和，多变量的非线性系统。相对于直流电机，实现良好的转矩控制是非常困难的。交流电机的高性能调速方法一般是变频调速。它不但能实现无级调速，并且随着负载的特性不同，通过适当调节电压、频率的关系，可使电机始终高效运行以及获得良好的动态特性，比如低起动电流、高起动转矩。交流调速控制技术的发展经历了电压和频率协调控制、速度闭环转差率控制到矢量控制、直接转矩控制，控制理论的发展使调速系统性能不断提高。电压-频率协调控制是指调速时在基频以下使电压幅值与频率的比值保持恒定，实现恒转矩调速运行；在基频以上调速时，输出电压维持在额定值，使磁通与频率成反比减少，实现弱磁恒功率调速运行。其调速系统结构简单，只能满足一般的调速要求不高的场合。转速闭环转差率调速采用转速闭环控制，给定转速和检测的转速偏差经PI调节器得到转差率。转速闭环反馈，转差频率控制是基于异步电动机稳态数学模型，动态时磁通不恒定，因此将影响系统实际动态性能。20世纪70年代西门子工程师F.Blashcke首先提出异步电机矢量控制，用于解决交流电机转矩控制问题，其主要思路是基于坐标变换把三相系统简化为两相系统，再按转子磁场定向的同步旋转变换，实现定子励磁分量和转矩分量之间解耦，从而实现交流电机的磁链和转矩分别控制，并且获得与直流调速系统相似的动、静态特性。20世纪80年代，德国Depenbrock教授于提出直接转矩控制，其思想是把电机和逆变器作为一个整体，使用空间电压矢量分析方法，在定子坐标系进行磁链、转矩的计算，通过磁链跟踪型PWM逆变器的开关状态直接进行转矩控制。此控制系统不需要对定子电流进行解耦，无需矢量变换的复杂计算，并且结构简单。随着电力电子技术、微处理器以及现代控制理论的发展，交流电机控制技术的发展河南理工大学毕业设计（论文）说明书2会日新月异，新型的控制策略正在不断涌现，必将进一步推动交流调速的发展。1.2直接转矩控制技术的发展与现状直接转矩控制（DirectTorqueControl，DTC）是继矢量控制技术之后又一种新型的高效变频调速技术。直接转矩控制技术在定子坐标系下计算电动机的转矩和磁链，采用双位式控制器，并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产生输出电压，省去了旋转变换和电流