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1、永磁同步电动机直接转矩控制系统的设计摘 要直接转矩控制(DTC)，又称为转矩矢量控制(TVC)，是近年来发展起来的一种 新型的异步电机控制方案，这种方案系统结构简单，转矩响应好，其控制思想已 经推广用于永磁同步电动机的控制，本文介绍了永磁同步电动机的几种直接转矩 控制方案，磁链转矩的估计方法等。对永磁同步电动机直接转矩控制运行机理进行了研究，在此基础上开发了一 套基于TMS320LF2407的永磁同步电动机直接转矩控制交流调速系统实验验证了该 策略可用于永磁同步电动机控制，实验还表明永磁同步电动机直接转矩控制具有 优良的转矩快速动态响应特性和对系统参数摄动、外干扰具有很强的鲁棒性等优 点。实验
2、系统安全可靠运行表明该调速系统具有优良的故障检测和保护功能，硬件 设计思想合理。关键词:永磁同步电动机 直接转矩控制 故障检测与保护 控制方案Study of Direct Torque Control of Permanent MagnetSynchronous MotorAbstractDirect Torque Control (DTC) technique, which is also called Torque Vector Control (T VC), is a new control scheme for induction motor drives recent years.
3、 The control system is very simple of a good dynamic performance and the control scheme has been extended to Permanent Magnet Synchronous Motors(PMSM) Several control schemes of direct torque control for PMSM drives and estimation technique of flux linkage and torque.Direct torque control(DTC) of pe
4、rmanent magnet synchronous motor(PMSM) was research, and a PMSM DTC system based on TMS320LF2407 was developed ,Experimental results verified the feasibility of using DTC strategy on PMSM, and the merits of PMSM DTC including the rapid torque esponse, he good speed-adjustable performance, and the ro
5、bustness to system parameters uncertainty and disturbance. The stem predated well and successfully, which showed the speed-adjustable system had good competence in fault detection and protection.Key words: PSWM DTC default detection and protection目录摘 要IAbstractii一、绪论1二、系统设计2（一）磁同步电动机DTC机理2（二）永磁同步电机直
6、接转矩控制理论2（三）零矢量在直接转矩控制中的作用3（四）永磁同步电动机DTC系统设计41. 3.3v和5v接口电路42. 故障检测与保护5（1）过流检测与保护5（2）IPM 保护6（3）二阶Butterworth滤波电路的设计6（五）实验结果7三、结论10致谢11参考文献：12、绪论永磁同步电机具有调速性能好、易于控制、无换向火花、无励磁损耗、寿命 长等突出优点，现在多用于要求快速转矩响应和高性能运行的场合。直接转矩控制是近年来继矢量控制技术之后的一种新方法：它采取定子磁链 定向，利用离散的两点式（Bang-Bang）进行调节，产生PWM信号，并直接对电机的磁 链和转矩进行控制。其省掉了复杂
7、的矢量变换，控制思想新颖,控制结构简单，转矩 响应迅速。目前,这种控制方法已成功应用于异步电机调速，近年来在永磁同步电 机中的应用也在国内外有文献报道，但是相比异步电机，仍有许多问题需要解决。永磁同步电动机（以下简称PMSM）具有功率密度大、效率高、转子损耗小、可 靠性高、动态性能优良等众多优点，有着广阔的发展前景和应用市场。作为一种 高性能的控制方案,直接转矩控制（以下简称DTC）已在感应电机上得到比较成熟的 应用,将其控制思想应用于，也同样可以得到良好的动态性能。由于实验中常遇 到因电机电流过流和触发脉冲状态不定等问题，处理不当就会导致逆变器桥臂直 通而烧毁功率模块和电机。本文开发了一套永
8、磁同步电动机直接转矩控制系统，在 此系统上进行了实验研究。实验证明硬件设计方案可行，实验结果表明永磁同步电 动机直接转矩控制同样具有优良的动态响应性能和对系统参数摄动，外干扰具有 很强的鲁棒性等优点。二、系统设计（一）磁同步电动机DTC机理阴极的电磁转矩方程4：T=3/2LSXP | Ws | WPM I sin6（1）因此可通过保持定子磁链幅值恒定，改变定子磁链旋转速度和方向来瞬时调整功角D,实现转矩的动态直接控制。忽略定子电阻的影响，定子磁链方程可表示为I W s | = / （Us-Rsis）dt+W。5 Usdt+W o（2）这表明可通过控制电机的输入电压u来控制定子磁链7按一定的轨迹
9、和速度 运动，从而达到控制转矩的目的。（二）永磁同步电机直接转矩控制理论永磁同步电机矢量图如图1所示，其中d-q坐标系是固定在转子上的旋转坐标 系,x-y坐标系是固定在定子上的旋转坐标系，定子磁链方向为x轴的正向。d轴与 x轴夹角为6 ,d轴与A相夹角为。在恒定负载稳态运行下,d-q坐标系与x-y坐 标系保持同步代恒定;瞬态时,6随着定子、转子的旋转速度不同而改变。在转子旋转d-q坐标系下，永磁同步电动机定子磁链、定子电压和电磁转矩分别为W d=Ldid+W fWq二LqiqUd=Rsid+pW dP rW qUq=Rsiq+pW q+3 * dTe=3/2np (W diq-W qid)式中
10、：W d，W q分别为定子磁链d轴和q轴上的分量；id，iq分别为定子电流d 轴和q轴上的分量；Ld，Lq分别为d轴和q轴电感;W f为永磁体磁链;Ud，Uq分别为 定子电压d轴和q轴上的分量;Rs为定子电阻;3 r为转子角速度;np为电机极对数。通过坐标变换，可得定子旋转x-y坐标系下的转矩表达式为Te=3np/4LdLq| Ws|2WfLqsin6 -| W s|(Lq-Ld)sin 26 (6)由式(6)可知,在一定条件下，保持定子磁链幅值| W s|恒定，电机的电磁转矩随 着定、转子磁链的夹角6的变化而变化。因此定义6为转矩角。通过迅速改变6 , 转矩也相应迅速改变，从而得到快速的转矩
11、效应，这与感应电机直接转矩控制理论 相同。因此，可以通过改变逆变器输出的电压空间矢量来改变定子磁链Ws的大小 与旋转速度，采取“砰-砰”两点式控制，对| W s|与6进行定性控制，从而达到直接 控制定子磁链和转矩的效果。(三) 零矢量在直接转矩控制中的作用永磁同步电机转矩角的变化量6为因定子磁链旋转引起的角度变化 6 s 与因转子磁链旋转引起的角度变化 6 r之差，即 6二 6 s-A 6 r。施加零电压矢 量时，永磁同步电机定子磁链静止，幅值缓慢衰减，转子磁链幅值恒定，以同步速前 进。 6 s=0, A 6 r=3 rA t,可得A 6 =A 6 s-A 6 r=-3 rA t。为 了简化分
12、析，现设 永磁同步电机为隐极机，没有因凸极效应引起的磁阻转矩。当逆变器供电频率为50 Hz时，在控制周期A t=100p s内，因转子磁链旋转引起的角度变化A 6广1.8,当转 矩角6 =90时,因A 6 r引起的转矩变化率可得 Te/Te=sin 90 -sin （90 -1.8 ）/sin 900.05%当转矩角6 =60 时, Te/TeQ1.86%;当转矩角6 =30 时, Te/Te5.49%o 可见，在供电频率等于50 Hz时,6在30 ,90 范围内，零电压矢量在100. s的 控制周期内引起的转矩落差非常小。（四）永磁同步电动机DTC系统设计1. 3.3v和5v接口电路因实验系
13、统使用的是TMS320LF2407处理器，其高电平电压是3.3v。因此其与 外电路的接口需进行电平电压转换。电路中有以下几个部分需进行3.3v和5v电 平电压转换：第一,TMS320LF2407输出FWM信号和IPM输入信号之间的电平电压转换。图2 中的74LS244是具有三态输出的带有8个缓冲器的线性驱动器，只要其供电电源为 5v,就可实现3.3v到5v电平电压转换。7心244用+做 电 U60图2输出3.3到5电平电压转换第二，光电编码器输出的脉冲信号与TMS320LS2407的正交编码脉冲信号电路的 输入信号、以及外围故障信号与TMS320LS2407的PDPINTA/B信号的电平电压转
14、换, 都用74HC14实现5v到3.3v电平电压转换。2.故障检测与保护本实验系统的保护分为三个层次,依次是IPM自身保护、硬件保护和软件保护, 如图3所示。图3系统故障检测与保护框图（1）过流检测与保护过流保护原理是检测三相电流，与事先设定好的参考值相比较，如图4所示,一 旦出现过流情况，就锁定过流信号，并输出报警信号给系统，一路送给电源设备保 护中断PDPINTA/B,从软件上封锁PWM信号;一路给C_PWM,如图2所示，使其为高图4过流检测原理图电平，封锁74LS244的输出，从而封锁PWM输出;另一路给PDP1,如图5所示,把光耦TLP559的供电电源Vcc_c彻底封锁PWM信号。图5
15、 IFM保护电路(2) IPM保护IPM自身有欠压保护、过热保护、过流保护、短路保护等故障保护功能，但是 其输出报警信号具有非保持性，因此，仅靠IPM自身保护功能不能完全满足实验系 统的要求，要保证系统安全可靠可行，必须增加辅助保护电路。IPM故障信号FO经光耦后送给74HC74锁存，然后，一路送给如图5所示的PDP1, 把光耦TLP559的供电电源Vcc_c拉低,从而彻底封锁PWM输出；一路送给图1的 C_PWM，使其为高电平,从而使74LS244输出为高阻抗，封锁PWM输出;另一路送给电 源设备保护中断PDPINTA/B,从软件上封锁信号输出。（3）二阶Butterworth滤波电路的设计TMS320LF2407的A/D转换是单极性的，因此采样电流、电压信号不能直接接入 DSP的A/D 口，需加直流偏置，然后滤除1000Hz以上高频干扰信号后方能进行A/D 转换。硬件滤波电路采用二阶Butterworth低通滤波器，如图6所示，其传递函数为:C| CR: （尺：M RrR： + 此 + R| R-1 + R| f R： + Rq C 此 / + z：图6二阶Butterworth低通滤波器根据实验要求取20lg|A(j3 )/Ao)|=0
