摘要：在建立异步电机直接转矩控制系统的数学模型基础上，介绍了一种以TMS320F2812为主控芯片和智能功率模块作为主电路，采用空间电压矢量脉宽调制技术得到逆变器的开关控制信号的全数异步电机直接转矩控制系统实现，给出了系统的硬件和软件结构。实验结果表明，采用SVPWM技术的异步电机直接转矩控制系统实现简单，性能优良，大大改善了电机的运行品质，提高了电压利用率。

关键词：TMS320F2812；直接转矩控制；智能功率模块；异步电机

中图分类号：TM343    文献标志码：A    文章编号：1001-6848(2010)06-0074-04

  异步电动机直接转矩控制是继矢量控制之后又一种新型的具有高性能的交流电机变频调速技术，不同于矢量控制技术，它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题，其原理是利用空间矢量分析直接转矩控制系统的原理是利用空间矢量分析法、采用定子磁场定向、将实时检测到的定子电流和电压进行3/2变换、从而直接在静止的α-β坐标系下计算交流电机的转矩和磁链，再分别与给定转矩和磁链进行比较、进行Bang-Bang控制，根据控制器输出结果和磁链位置查找****开关表产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行****控制01。本文给出了一种基于数字信号处理器TMS320F2812和智能功率模块的异步电机直接矩转控制的实现方案，阐述了系统的硬件组成和软件设计方法，并对系统进行了实验研究，给出了实验结果。

  采用空间矢量分析方法，通过坐标变换可得直接转矩控制系统在α-β坐标系上的数学模型为：

  其电压方程为：

定子磁链方程为：

 

转矩方程为：

    根据上述模型，可得直接转矩控制系统的原理框图如图1所示，控制系统在低速运行时采用近似圆形的磁链轨迹，以此来保证在低定子频率下维持转矩和磁链基本不变。由图l可见，通过检测定子电压Ua，Ub，Uc和定子电流ia，ib，ic，经3／2坐标变换，得到Uα，Uβ，iα，iβ，用式(1)~式(5)计算出定子磁链和电磁转矩观测值后，即可对两者进行闭环控制，由磁链所在的空间位置和查开关表输出开关状态。当逆变器处于某一工作状态时，磁链轨迹沿该状态对应的电压矢量方向运动，速度与电压矢量的幅值成比例，为了改变磁链矢量的旋转速度，需引入零电压矢量，在零电压矢量作用期间，磁链停止不动。交替使用工作矢量和零矢量，可有效控制磁链速度。这样选择合适的卒间电压矢量可使定子磁链矢量的轨迹近似圆形，并且矢量旋转的速度通过改变逆变器输出的零电压矢量和工作电压矢墨的作用时间来控制。零电压矢量是由转矩Bang-Bang控制来实现的，其控制过程是，当转矩与给定值的差值大于滞环宽度时，逆变器转入零矢量控制，磁链停转，转矩下降，直到转矩与给定值的差值小于滞环宽度时，再转人工作矢量状态，如此反复。控制过程中，如果定子磁链要求增加，dψ1=1，如果定子磁链要求减小，dψ1=0;如果转矩要求增加，dTe=l，如果转矩要求减小，d Te=o，如果转矩不变，dTe=0。根据ddψ1和dTe及定子磁链在空间的位置，按开关表选出合适的电压矢量。逆变器再将空间电压矢量在采样结束时加至电机的定子端控制电机运行。

    如图2所示，系统以TMS320F2812为控制核心，以IPM模块为逆变器来实现对异步电机直接转矩控制系统的全数字化控制框图。

   

    整个系统由DSP作为主要控制元件的控制电路、用增量式光电编码器、霍尔传感器等组成的信号检测电路、驱动隔离和保护电路等几大部分组成；系统主电路采用交一直交电压型变频器，主电路分为不控整流和IPM模块两部分，其中智能功率模块IPM集成了驱动电路、逆变部分、制动部分、保护电路等，IPM足将功率器件及其驱动电路集成在一起封装的模块，其开关频率高，通态损耗和开关损耗较低，可靠性也高。本设计选用智能IPM模块PM30CSJ060，该模块包含了由六个IGBT、六个续流二极管、栅极驱动电路、逻辑控制电路以及欠压、过流、短路、过热等保护电路。模块的主电路共有5个端子，P和N为直流电源输入正端和负端，U，v，W为三相逆变器输出端。控制部分包括PWM信号输入，过流、欠压、过压等故障信号以及驱动电源等，其中DSP生成的PWM信号需通过光耦合器隔离后输入。上臂三个单管分别使用三个独立的电源进行控制，三个下管则共用一个电源，光耦输入有驱动电流时，光耦隔离器件导通，这时IPM控制输入为低电平，其控制的IGBT导通，当光耦输入无驱动电流或驱动电流不够大时，光耦隔离器件不导通，这时IPM控制的输入为高电平，其控制的ICBT不导通。Up、vp、Wp是与变频器直流输入正端P相接的各开关管控制输入端，Ufo，Vfo，Wfo是模块内部各个开关管的保护输出端，Un、Vn、Wn则是与变频器直流输入负端N相接的各管的控制输入端，FO是它们共同的保护输出端。PM30CSJ060的自保护电路中，任何一相保护电路动作，将产生一低电平，而且各相保护电路的故障信号（如过流、过压、欠压等）输出相与，所得信号送人DSP的PDPINT中断口（低电平有效），当DSP收到低电平信号时，作出中断处理，封锁PWM输出。电路中电感和电解电容构成低通滤波器对三相不控整流的输出进行滤波，为后级的逆变环节提供稳定的直流母线电压。滤波电感和滤波电容的值都取得较大以减小电压纹波。

    Vupl - Vupc,  Vvpl - Vvpc.  Vwpl - Vwpc, Vnl- Vnc所加的电压范围为13.5 V~16. 5 V，本系统采用典型的电压值15 V；加在PN端子土的电压范围为0～380 V。

    定子电流检测采用霍尔电流传感器，采集A，B两相即可，根据三相电流之和等于零可得出第三相电流。将得到的信号进行调理转换成DSP的A/D口所能接受的O—3.3 V值。

    控制系统中的空间电压矢量发生器采用空间电压矢量调制方式生成逆变器开关信号，其输入信号是磁链和转矩控制器的输出信号，在任意时刻，定子电压矢量应落在基本电压矢量所区分的六个区的其中之一，在任意PWM周期T内，通过两个相邻的基本矢量可以合成指定的定子电压矢量，如图3所示，电压矢量Uref落在第一扇区，它由两个基本的电压矢量U1，U2和两个零矢量U7，U8合成，其之间的关系为：

式中，T1，T2，T7，T8分别为Ul，U2，U7，U8矢量作用的时间，n= Uref/Udc，而Udc为直流母线电压。

    利用TMS320F2812产生SVPWM波形是很方便的，因为每个EV模块中都具有对称空间矢量PWM波产生的内置硬件电路。只要确定墓本空间矢量开关时间，零矢量会根据每个周期始终有一个桥臂关断或导通的原则自动添加到PWM周期中。

    控制软件分为两部分，即主程序和中断服务程序。主程序完成初始化后进入循环。系统的所有控制过程都在中断服序中完成，中断服务程序主要完全成电机定子电流和电压采样，完成电流、电压的A/D转换；利用QEP单元处理速度反馈信号；根据直接转矩控制算法输出6路PWM信号对转矩进行控制。系统采用通用定时器T3的下溢中断，保证系统每隔一个采样周期，发出六路PWM脉冲，其中断流程图如图4示。

   

    在前面分析的基础上，利用TMS320F2812作为主控芯片搭建了实验系统，实验用电机为异步电机，电机的主要参数为：PN=1.1 kW，nN=1 410 r/min，，IN=2. 67 A，UN =380 V，定子电阻R1=1.76 Ω。电机空载从零速全压起动至800 r/min，实验结果如图5～图8所示，从实验波形可以看出电机过度过程时间短，电机转速在不到Is的时间内从静止加速到800 r/min，且无超调，这充分体现了直接转矩控制优良的加速性能。从图6和图7可见，电机定子磁链为圆形磁链，且磁链的波动性较小。由图8可见，在稳态时电流波形为较好质量的正弦波。

  本文提出了直接转矩控制系统数学模型，研究了基于SVPWM的异步电机直接转矩控制系统的实现，利用TMS320F2812作为主控芯片，搭建了实验系统，由于充分利用了TMS320F2812芯片的高速计算功能和丰富的片内外设单元，系统结构简单，可靠性高。从实验结果可知，系统具有调速性能良好。本文提出的基TMS320F2812的直接转矩控制系统实现方案具有较好的应用前景。