帶“抗飽和”轉速控制器的感應電動機直接轉矩控制

嚴金云，張興華，石 萬

(1.南京科技職業學院，南京 210048; 2.南京工業大學,南京 211816)

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帶“抗飽和”轉速控制器的感應電動機直接轉矩控制

嚴金云1,2，張興華2，石 萬2

(1.南京科技職業學院，南京 210048; 2.南京工業大學,南京 211816)

提出了一種帶“抗飽和”轉速控制器的感應電動機直接轉矩控制系統及其數字實現方案，詳細闡述了電機驅動系統的工作原理、硬件配置和軟件設計方法。以數字信號處理器TMS320F2812為主控制器，二電平IGBT逆變器為功率驅動單元，組成變頻調速系統，采用“抗飽和”控制器調節電機轉速。實驗結果表明該設計的電機驅動系統具有優良的控制性能。

感應電動機；直接轉矩控制；抗飽和控制器；數字實現

0 引 言

直接轉矩控制(以下簡稱DTC)目前廣泛用于感應電動機的驅動控制，它舍棄了矢量控制的解耦控制思想，是繼矢量控制技術之后的又一種高性能電機控制技術。它根據定子磁鏈誤差、轉矩誤差及定子磁鏈的空間位置，獲得所需的電壓空間矢量，對電機輸出轉矩進行控制，具有控制結構簡單、動態響應快和魯棒性好等優點[1-2]。

典型的感應電動機DTC系統，其內環轉矩和磁鏈控制采用滯環比較器，不含PWM調制器，外環一般采用PI控制器作為轉速控制，并以電機參考轉矩給定值作為控制器輸出。轉速控制器的優劣對調速系統的動、靜態性能至關重要。外環轉速PI控制器采用線性系統理論設計，未考慮被控對象輸入限幅，而實際電機調速系統涉及逆變器的容量、電機額定功率和過流過壓保護等因素，轉速控制器的輸出都需要進行限幅。當系統轉速或負載突變時候，因輸出飽和限制，轉速控制器的輸出與被控對象的實際輸入并不相同，引起系統閉環響應的性能下降(實際表現為超調變大，調節時間變長，甚至使系統失去穩定)，這種現象稱為飽和現象[3-4]。為了克服飽和現象的影響，人們提出一些用于感應電動機矢量控制系統“抗飽和”的控制方法[5-7]，它們不同程度地改善了電機的控制性能。

本文提出了一種帶“抗飽和”轉速控制器的感應電動機直接轉矩控制方法及數字實現方案。針對感應電動機DTC系統，采用二電平IGBT逆變器為功率驅動，以TI公司的電機控制專用DSP芯片TMS320F2812為主控制器，轉速控制采用一種條件積分式“抗飽和”控制器，通過C語言與匯編語言混合編程來設計系統控制軟件，實現了感應電動機高性能驅動調速控制。

1 直接轉矩控制的基本原理

1.1 感應電動機模型

靜止坐標系下以定子和轉子磁鏈為狀態變量的電機方程：

(1)

轉矩方程：

(2)

1.2 直接轉矩控制策略

通常感應電動機在額定轉速以下運行，為充分利用電機的定額，電機的磁鏈幅值應保持不變。由式(2)可知，控制電機的輸出轉矩主要是通過改變轉矩角δ來實現。

由于電機采用二電平電壓源逆變器驅動，逆變器的輸出只有8種開關狀態(6個非零矢量V1～V6，2個零矢量V0，V7)。輸出的電壓空間矢量Vm可表示：

(3)

式中：Vdc為直流母線電壓。

圖1是定子磁鏈和電壓矢量圖。逆變器的8種開關狀態對應于8個基本的電壓矢量(6個非零矢量V1～V6，2個零矢量V0，V7)，每兩個非零電壓矢量在空間上相隔60°電角度，圖中虛線將電壓矢量空間劃分為6個區間(SectorI～SectorVI)，表示空間區間的位置變量θs(N)可寫成：

(4)

式中：N=1, 2, …,6是區間號。

圖1 定子磁鏈矢量與空間電壓矢量

定子磁鏈觀測方程可表示：

(5)

式中：is=ids+jiqs為定子電流矢量。在忽略定子電阻壓降的情況下，將上式離散化，可得：

(6)

式中：Ts為采樣周期。

由式(6)可知，通過切換非零電壓空間矢量及零電壓空間矢量，能夠實現定子磁鏈矢量走走停停的控制，而轉子磁鏈在單個采樣周期內，基本保持不變，從而改變了定子磁鏈矢量和轉子磁鏈矢量之間的夾角(即轉矩角)，輸出轉矩得以控制。

圖2 感應電動機直接轉矩控制系統結構

表1為DTC系統中采用的開關邏輯表。當電機輸出轉矩大于給定值，適當選擇電壓矢量可使得轉矩減??；反之，當電機輸出轉矩小于給定值，適當選擇電壓矢量可使得轉矩增大。

表1 開關邏輯表

2 “抗飽和”轉速控制器設計

為了提高電機轉速控制性能，本文采用了一種條件積分式“抗飽和”PI調節器作為轉速外環控制器，結構如圖3所示。該控制器根據輸出值us是否超出限幅值，決定是否加入積分環節。當輸出值超出限幅值時，則有us≠un，經過比較器判斷，斷開開關S，去掉積分環節，此時控制器相當于一個比例調節器，以使控制器快速退出飽和區，從而改善轉速動態響應性能；當輸出值未超出限幅值時，則有us=un，閉合開關S，此時控制器相當于一個比例積分調節器，以提高轉速控制器的穩態精度[8]。

圖3 抗飽和轉速控制器

3 系統實現

3.1 硬件組成

本控制系統是以TI公司的高性能電機專用控制芯片TMS320F2812型DSP為核心構建的實驗平臺，具體硬件結構如圖4所示，包括控制電路和功率驅動電路。

圖4 控制系統結構框圖

圖4中，控制電路主要由TMS320F2812芯片、仿真器接口JTAG、256k字外部SRAM、30 MHz晶振等構成，其核心為TMS320F2812型DSP，它是一種高性能電機專用控制芯片，運算能力強，最高工作頻率可達150 MHz[9]。主要進行直接轉矩控制的實時計算、電機轉速檢測、故障診斷、模/數轉換、PWM波輸出、與上位機通信及顯示、以及硬件保護(過壓、過電流、短路和過熱保護)等工作。

圖4中，功率驅動電路主要由電源模塊、光耦隔離電路、整流器、電容濾波電路和IGBT逆變器、電壓電流檢測電路(1個電壓傳感器和2個電流傳感器)等構成。電源模塊為控制系統及相關保護單元提供+15 V、+5 V和+3.3 V的直流電源；光耦隔離電路可防止低壓控制電路與高壓驅動電路因電的連接而引起干擾。通過有序控制逆變器功率管通斷，實現直流電到交流電的逆變。鑒于同一橋臂上下兩個開關管不允許同時導通，因此需要對PWM波進行死區設置；系統采用電阻分壓檢測直流母線電壓，采用2個霍爾傳感器分別來檢測a、b相電流。

3.2 軟件設計

系統控制軟件主要包括主程序和PWM中斷服務子程序。主程序主要實現DSP各功能模塊的初始化，包括PIE控制寄存器、中斷向量表、CPU定時器、EVA事件管理器、I/O口和A/D采樣初始化等。為了減少中斷服務子程序的運行時間，保證中斷的及時響應，將一些常量的賦值也放在主程序中完成，軟件流程圖如圖5所示。PWM中斷服務子程序是DTC實現的核心程序，它首先讀取電機的當前轉速、直流母線電壓和相電流檢測值，其次計算出在靜止兩相坐標系垂直軸上的電壓和電流分量，計算定子磁鏈幅值，并判斷出定子磁鏈所在扇區號，然后由“抗飽和”轉速控制器得到轉矩給定值，再將磁鏈和轉矩誤差送入滯環比較器，最后查詢開關表，確定下一個控制周期所需的電壓空間矢量(對應于逆變器的一種開關狀態)，驅動電機運行。

(a) 主程序

4 實驗結果

實驗中PWM采樣周期Ts=100 μs，電機給定轉速70 rad/s，定子磁鏈給定值λs=0.65 Wb。轉矩滯環寬度εT=0.2 N·m，定子磁鏈滯環寬度εψ=0.02 Wb。轉速控制器參數Kp=0.28，Ki=0.07，輸出轉矩限幅Temax=±3.5 N·m，轉速控制周期取為10Ts。選用的感應電動機參數如下：額定功率PN=0.55 kW，額定電壓UN=220/380 V，額定轉速為nN=1 390r/min，額定轉矩TN=3.5N·m，定、轉子電阻為Rs=12.8，Rr=4.66，互感Lm=0.73H，定、轉子電感為Ls=0.785H，Lr=0.785H，粘滯摩擦系數b=0.001N·m·s，電機轉子慣量J=0.035kg·m2(實驗時電機的等效總轉動慣量J因連接了加載磁粉制動器變大了)。電機起動采用先建立磁鏈，然后切入直接轉矩控制的方法。本實驗利用TMS320F2812的串行通信口，實時將采集到的數據傳送至上位機。

圖6為帶抗飽和轉速調節器的感應電動機直接轉矩控制系統的實驗結果。其中圖6(a)為感應電動機的轉速與轉矩響應曲線，從中可見電機加速上升時，轉速響應無超調，大約經過0.8s達到穩態，電機起動時直接轉矩控制系統的轉矩動態響應很快，轉速上升平穩，轉速控制的穩態誤差較??；圖6(b)為定子磁鏈軌跡，其形狀接近于圓形。實驗結果表明調速系統的控制性能優良。

(a)速度與轉矩響應曲線(b)定子磁鏈軌跡

圖6 實驗結果

5 結 語

本文從電機的離散數學模型入手，分析了感應電動機的DTC原理及控制系統構成，給出了一種帶“抗飽和”轉速調節器的感應電動機DTC系統的數字實現方案。這種帶“抗飽和”轉速控制器的DTC系統具有控制結構簡單，轉矩動態響應快，轉速調節無超調的特點。實驗結果驗證了本文控制方法的有效性。

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A Novel Direct Torque Control System of Induction Motors with Anti-Windup Speed Controller

YANJin-yun1,2,ZHANGXing-hua2,SHIWan2

(1.Nanjing Polytechnic Institute,Nanjing 210048,China; 2.Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)

A novel direct torque controlled induction motor system with anti-windup speed controller and its digital implementation scheme were proposed in this paper. The work principle, hardware structure and software design were described in detail. The variable frequency driving system was composed with TMS320F2812 DSP and two-level IGBT inverter unit. And the anti-windup PI controller was employed to regulate the motor speed. The experimental results show that the proposed driving system possesses the good dynamic and steady performance.

induction motor; direct torque control; anti-windup controller; digital implementation

2014-12-11

TM346

A

1004-7018(2016)01-0055-04

嚴金云(1972-), 副教授, 研究方向為電機節能控制。