永磁同步电机直接转矩控制系统设计

    张嵩¹，杨霞²，肖竹²

(1．辽宁省高速公路管理局丹东管理处，辽宁丹东118000；2．沈阳工业大学，辽宁沈阳110870)

    摘要：文章介绍了永磁同步电动机模型和直接转矩控制原理。在直接转矩控制理论的基础上，本文采用空间矢量调制技术，实现全数字化控制。本系统采用TI公司的数字信号处理器-TMS320F2812型做为核心控制器件，并分别从硬件和软件流程上进行说明。实验结果表明，该方法具有良好的动态响应和调速性能。

    关键词：永磁同步电动机；直接转矩控制；数字信号处理器

O引言

    直接转矩控制(DTC)摒弃了传统矢量控制的解耦思想，采用定子磁链定向，直接控制定子磁链和转矩，使其具有控制结构简单、动态性能好等优点。

    本文采用空间矢量脉宽调制技术(SVF·WM)，以降低电机转矩脉动，减少电流畸变。控制器采用的DSP为TI公司的专用电机控制芯片，对永磁同步电动机进行直接转矩控制，实现了永磁同步电动机的全数字控制。

1永磁同步电动机数学模型

    假设永磁同步电机具有正弦形的反电动势波形，不考虑磁路饱和，忽略电机中的涡流损耗和磁滞损耗，可得到其在转子同步旋转坐标系出d-q轴系下的数学模型为：

 

式中，u_d、u_q、ψ_d、ψ_q分别为d-q轴上的定子电压和磁链：L_d、L_q分别为d—q轴定子电感；

ψ_f为永磁体磁链：ω_r为转子电角频率；p为磁极对数；R_s为定子绕组电阻；t_e为输出电磁转矩；t_L为负载转矩；J为转动惯量；Ωr为转子机械角速度；R_Ω为阻尼系数。

2永磁同步电动机直接转矩控制

    直接转矩控制采用控制定子电压矢量来控制定子磁链：通过定子电压矢量的径向分量usr控制幅值ψ_s的变化，而利用其切向分量控制ψ_s的转速ω_s，如式(7)所示。

  

在定子DQ中，定子磁链矢量Ψs的两个分量Ψ_D，和Ψ_Q，由式(8)、(9)估计出来，以求出幅值估计值Ψs和转矩估计值te。

   

空间矢量调制技术(SVPWM)就是使电机获得一个恒定的圆形磁场。其不同开关组合电压向量表如表l所示。其扇区分布图如图l所示，共6个扇区，8个电压矢量。

3永磁同步电动机直接转矩控制硬件设计

    硬件设计上，采用TI公司的DSP的2000系列TMS320F2812，采用IPM智能功率模块作为整流和逆变单元，即DSP+IPM的模式。其中DSP  TMS320F2812实现的功能主要有：I/O处理(包括控制信号：起、停，正反转等)；位置、速度、电流检测计算；Park反变换和Clark变换；转矩和磁链估计算法；速度、转矩、磁链调节器；电压空间矢量SVPWM控制。电压型逆变器由智能功率模块(IPM)来完成。。IPM主要接收DSP发送的SVPWM信号，控制IPM内部的6个IGBT功率开关管组成的逆变电路的通断，产生电压空间矢量。电动机的检测电路由相电流检测和速度(或位置)检测组成。电流检测电路由霍尔传感器将检测到的A、B、C相电流经过隔离放大后转换为电压信号，输入DSP，内的A／D模块进行处理，等待Clark程序模块处理。速度(或位置)检测电路选用多摩川2500线的增量式光电编码器来完成。从编码器输出的两路正交信号直接与TMS320F2812的正交编码脉冲(QEP)相连接。从而计算出转子角位置及转速。图2为永磁同步电

机直接转矩控制系统框图。

    SVM-DTC控制系统原理框图如图2所示，其中参考电压矢量计算单元和空间电压矢量调制单SVM替代了常规DTC中的磁链、转矩滞环比较器和开关表。

    在图2中，参考角速度ω_r^x与反馈角速度ω_r之差经转速调节器输出参考转矩指令t_e^x，