基于DSP的无速度传感器直接转矩控制系统的设计.docx
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基于DSP的无速度传感器直接转矩控制系统的设计
毕业设计论文
题目：
基于DSP的无速度传感器直接转矩控制系统的设计
（院）系电气与信息工程系
专业自动化班级03学号0101110333
学生姓名王永
导师姓名唐勇奇副教授
完成日期2005-06-13
湖南工程学院
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
基于DSP的无速度传感器直接转矩控制系统的设计
姓名王永系别电气与信息工程系专业自动化专业班级0103学号010*******
指导老师唐勇奇教研室主任唐勇奇、赵葵银
一、基本任务及要求：
本系统以异步电动机作为被控对象，研究变频调速中转速控制方法，并设计以DSP为控制核心的控制系统，软硬件设计包括：
被控对象异步电动机模型的建立、主电路设计、控制电路设计、控制系统程序设计等。
二、进度安排及完成时间：
1、第一周至第二周：
明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，掌握资料查阅方法，了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义。
2、第三周：
查阅相关资料，自学相关内容，确定课题总体方案，分配课题任务，确定个人研究重点，做好选题报告。
3、第四周至第五周：
根据自己研究的方向，确定自己的总体设计方案，根据对象特性进行各种控制方法的研究，并设计硬件总体模块图及软件模块图。
4、第六周至第十二周：
完成控制系统的软、硬件设计及调试。
第十三周：
整理资料，准备答辩。
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
基于DSP的无速度传感器直接转矩控制系统的设计
摘要：
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术己成为发展趋势。
变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
本文在全面深入总结国内外有关文献的基础上，围绕交流电机变频调速系统的全数字化和智能化进行了理论和应用的研究。
本文采用TI公司的TMS320F2407DSP为控制核心，进行了基于DSP无速度传感器直接转矩控制系统的设计。
文中详细阐述了直接转矩控制的基本原理和实现方法。
直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析异步电机的数学模型和控制其各物理量，直接在定子坐标系中计算和控制转矩和磁通，借助于离散的两点式调节（Bang-Bang控制）产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行优化控制，以获得转矩的高动态性能。
本文采用DSP设计了直接转矩控制系统，详细推导了速度估计方法，进行了无速度传感器的速度闭环控制。
针对系统存在的磁链偏差和转矩脉动问题，采取了改进的磁链计算方法和速度低通滤波、转矩滑动滤波等措施，提高了系统的性能。
在TMS320F2407为核心的硬件基础上，采用汇编语言编制了系统控制软件，实现了无速度传感器直接转矩控制算法。
关键词：
直接转矩控制；无速度传感器；数字信号处理器；速度估计
StudyonNoneSpeedSensorDirectTorqueControl
SystemBasedOnDSP
Abstract：
Namelyalongwiththerapiddevelopmentofpowerelectronicstechnology，computertechnologyandautomaticcontroltechnology，theelectrictransmissiontechnologyisbeingfacedwithahistoryrevolution，ithasbecomedevelopmenttrendthatACtransferringspeedreplacesdirectcurrentspeedandcomputerdigitalcontroltechnologyreplacesthesimulatingcontroltechnology.Frequencyconversionisgenerallyacknowledgedbythehomeandabroadthatithasagreatfuturewithexcellentspeed，extensivescopeofapplicationandothermanymerits.Basedonanoverallreviewofrelatedpaperspublishedathomeandabroad,thisdissertationisdevotedtothecontrolstrategiesandimplementationofthefullydigitalACmotordrivesystem,includingthedesignofcontrolsystemhardwareandsoftwareandintelligentcontrol.
Inthisthesis,nonespeedsensorDTCsystemisstudied,whichbasedonDSPofTIinc.-TMS320F2407.FundamentalprincipleandimplementationmethodofDTCareintroducedindetailinthispaper.InDTCsystem,theconceptofspacevectorisintroducedtoanalyzeandcontroltheACmotor,theelectromagnetictorqueandfluxarecalculatedandcontrolledinthestatorreferenceframe,andtheoptimalPWMgatingsignalsaregeneratedtocontroltheinverteraccordingtotheoutputoftheBang-BangregulatorInthispapertheDTCsystemisdesignedbasedonDSP.Aspeedestimationmethodisderiveddetailandthenoaspeedclose-loopcontrolisconducted.Inthissystem,therearesomeproblems,suchasfluxdriftandtorqueripple.Toresolvetheseproblem,amodifiedfluxcalculationmethodandsomemeasuressuchasspeedLPF,torqueslidefilteringareadopted.Thesystemperformanceisenhancedbythesemethod.
ThesystemcontrolsoftwareisdesignedinassemblelanguagebasedonthehardwarefundamentwithusingTMS320F2407ascoreandnoaspeedsensorDTCalgorithmisrealized.Theexperimentalresultsindicatethatthedesignofthissystemissuccessful.Thesystemhasstableperformancewithfastresponse,sotosomeextentitisapracticalusefulsystem.
KeyWords：
directtorquecontrol；none-speed-sensor；digitalsignalprocessor；
speedestimate
第1章绪论
1.1引言
电动机是电能向机械能转换的能量载体。
在工业、农业、交通运输以及日常生活中广泛地应用着电机传动。
其中对很多机械有调速的要求，一方面是为了满足运行、生产和工艺的要求，从而提高生产效率，保证产品质量；另一方面是为了减少运行损耗、节约能量。
由此产生了电机调速技术即电气传动技术，它可分为直流电气传动和交流电气传动两大类。
与直流电动机相比交流电动机尤其是鼠笼异步电动机具有结构简单、制造方便、价格低廉、运行可靠和效率较高等优点，但很长一段时期内其调速性能却无法和直接调速系统相媲美，其根本原因是交流电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
因此在20世纪的大部分年代里，由于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电动机。
20世纪70年矢量控制技术的提出及实用化，使得交流调速系统的性能和直流系统调速相媲美，从而使交流调速技术发生了质的飞跃。
在矢量控制之后又提出了磁场定向控制、自适应控制、非线性控制、直接转矩控制和智能控制等先进控制策略，推动了交流电气传动技术不断地向前发展。
随着科学技术的不断进步，电力电子学、专用集成电路（ASIC）、数字信号处理（DSP）、传感器技术、计算机技术和网络技术等技术的发展为交流电气传动技术发展提供硬件保障；仿真软件（如MATLAB）和计算机辅助设计（CAD）的出现使高效、快捷地仿真和分析成为可能；控制理论的发展是先进交流调速控制策略的涌现提供了理论依据。
今天，交流电气传动技术已发展成为多门新技术、多门新学科相交叉的新兴学科[1]。
1.2 异步电机调速系统的发展概况
交流变频调速的优越性早在20年代就已被人们所认识，但受到器件的限制，投资大、效率低、体积大而未能推广。
50年代中期，晶闸管的研制成功，使交流电机调速技术有了飞跃发展。
早期交流调压调速系统的主回路基本上都采用SCR开关器件，输出的电压或电流波形中含有较多的谐波，造成电机转矩脉动大，功率因数较差。
虽然实现了交流电机在一定范围内的调速，但还不能与直流调速系统相媲美，只能应用于一些调速要求不高的场合，如风机、泵类等负载的拖动。
随后发展的滑差频率速度闭环控制系统基本上解决了异步电机平滑调速的问题，同时也基本上具备了直流电机双闭环控制系统的优点，结构也不算太复杂，已能满足许多工业应用的要求，具有较广泛的应用价值。
然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略差一些。
原因在于，其控制规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出的平均值控制，完全不考虑过渡过程，因而在系统设计时，不得不做出较强的假设，忽略较多的因素，才能得出一个近似的传递函数，这就使得设计结果与实际相差较大，系统在稳定性、起动及动态响应等方面的性能尚不能令人满意.后来在国内外学者的努力研究下，不断探索新的交流电机控制方案，交流调速的应用日益广泛。
尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交流电力拖动系统的发展创造了有利条件。
目前交流调速系统已具备了较高的稳速精度、较宽的调速范围、较快的动态响应等性能，大有取代直流调速系统的势头。
总之，高性能变频调速系统的发展除取决于电力电子技术、微电子技术以及异步电机控制理论的发展，当然还有一个巨大的推动力就是市场。
变频调速技术的发展，大体可以从如下三个方面进行分析和综述[2]。
1.2.1电力电子器件的发展
交流调速技术的重大变革是以电力电子器件的发展为先导的。
电力半导体器件是以美国1958年生产硅整流管（SR）、1958年生产晶闸管（SCR）为起始点逐渐发展起来的。
经过了40多年的发展，在器件制造技术上不断提高，已经历了以晶闸管（SCR）为代表的分立器件，以可关断晶闸管（GTO）、巨型晶体管（GTR）、功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的功率集成器件（PID），以智能化功率集成电路（SPIC）、高压功率集成电路（HVIC）为代表的功率集成电路（PIC）等三个发展时期。
从晶闸管靠换相电流过零关断的半控器件发展到PID,PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。
在器件的控制模式上，从电流型控制模式发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极（栅极）的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率由工频、中频、高频不断提高。
GTR的工作频率一般在2KHz以下，而IGBT可工作10-20KHz之间。
在器件结构上，从分立器件，发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在-起的复杂模块。
近年来，功率器件的发展更趋向于智能化和集成化，集驱动、保护、逻辑等单元为一体的智能功率模块IPM也己经进入实用化阶段。
可以说，这些新型电力电子器件的发展给高性能交流调速技术的研究奠定了坚实的物质基础。
1.2.2微处理器的发展
20世纪70年代出现的微处理器（Micro-processor）使得计算机在自动控制系统中发挥了极为重要的作用，微处理器即计算机的中央处理单元（CPU）和控制单元的集成，它配上一定的存储器、I/O接口和其它外设，就可构成自动控制系统的通用控制器。
正是由于单片机的出现，计算机在控制领域的应用得到了一次突破，单片机不但小巧、成本低，而且由于众多设备集成到了一块芯片上带来了功耗小和抗干扰能力强的优点。
另外它可以方便地组成各种智能式控制设备和仪器，做到机电仪一体化:
也可以方便地实现多机和分布式控制，使得整个控制系统的效率和可靠性大为提高。
单片机有许多类型，其中Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的68系列和Zilog公司的Z8系列为大家所知。
单片机自问世以来，得到了飞速的发展，以Intel公司为例，早期推出MCS-48系列单片机，该单片机功能简单，寻址范围有限，性能较差，随之被稍后推出的MCS-51系列所取代。
MCS-51系列单片机功能较强，寻址范围达到64K,有多级中断处理系统，片内带有串行1/O口，16位定时计数器，这些性能基本能够满足一般控制系统的需要，故这类单片机仍是目前应用最为广泛的一种单片机。
虽然MCS-5I单片机目前应用得最为广泛，但在一些比较复杂的控制系统中，它就显得有些力不从心，不得不让位于16位单片机。
MCS系列16位单片机具有丰富的硬件资源和软件资源，特别是在其CPU中不采用常规的累加器结构，改用寄存器一寄存器结构，CPU操作直接面向256字节寄存器，消除一般CPU结构中存在的累加器瓶颈效应；尤其是80C196MC型内置的波形发生器可直接输出三相脉宽调制波形，特别适用于变频调速电机控制系统。
虽然此类单片机性能优越，但当用于进行大量数据处理或浮点运算时则略有逊色。
DSP则是近年来出现的一种高速专用的微处理器，其主要特点是采用哈佛结构，将程序存储空间与数据存储空间分开，并各自拥有自己的数据总线和地址总线；采用流水线技术，使得指令处理的平均速度大大提高；内部增设专门的硬件乘法器；并将硬件乘法器与累加器以流水线方式连接，从而可以高速连续进行乘法和累加运算。
片内还集成了越来越多的外围接口，从而大大提高其功能，并且它有完整的开发和调试工具，开发周期短，使得DSP在控制领域的应用倍受关注。
二十世纪九十年代后期，国外公司推出了专用于电机控制的DSP控制器，如TI公司的TMS320C/F24x系列、AnalogDevices公司的ADMC4xx系列，在高速DSP内核基础上，增加了带死区功能的三相PWM发生器、光电编码器输入接口、丰富的I/O和中断资源，为全数字化交流电机控制系统提供了功能强大的控制器。
随着大规模集成电路技术和微处理器技术的飞速发展，这些高性能的微处理器和控制器，尤其是高速信号处理器的出现，使得研制全数字化的高性能交流传动系统成为现实。
目前，电气传动领域正在由模拟系统向数字化系统发展。
1.2.3控制策略的发展
控制策略和方式是决定变频器使用性能的关键所在。
目前通用变频器输出电压在380-650V,输出功率在0.75-400kW，工作频率在0-400Hz，它的主电路采用交一直一交电路。
变频器控制方式主要经历以下几种方式。
[1]
1恒定压频比控制方式：
它根据异步电机等效电路确定的线性
进行变频调速。
其特点是:
控制电路结构简单、成本较低。
电压是指基波的有效值，改变U/f只能调节电动机的稳态磁通和转矩，而不能进行动态控制。
控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高。
2矢量控制方式：
（VC控制）交流传动控制理论及实践终于在70年代取得了突破性的进展，即出现了矢量控制技术。
其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。
通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。
这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可以等效为一台直流电动机。
矢量控制的控制方法实现了异步电机磁通和转矩的解耦控制，使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，开创了交流传动的新纪元。
然而，在实际系统中，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果不如理论分析的好。
这是矢量控制技术在实践上的不足之处。
交流传动领域的专家学者也都针对矢量控制上的缺陷做过许多研究，诸如进行参数辨识（或补偿）以及使用状态观测器等现代控制理论，但是这些方案的引入使系统更加复杂，控制的实时性和可靠性降低了。
3直接转矩控制方式：
（DTC控制）其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。
其优点是:
对转矩直接控制，动态性能好。
直接转矩控制技术是继矢量控制技术（1974年）之后发展起来的又一种高性能的新型交流变频调速技术01985年，德国学者M.Depenbrock教授首次提出直接转矩控制的理论，随后日本学者I.Takahashi教授也提出了类似控制方案，并取得了令人振奋的控制效果。
尽管推导的方法和实现的手段有所不同，但他们的基本思想是一致的。
即跳出了交流传动技术研究的传统思维模式，不去考虑如何去解耦，将定子电流分解成为励磁电流分量和转矩电流分流量。
而是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型。
通过检测得到的定子电压和电流，采用定子磁场定向，直接控制电动机的磁链和转矩，着眼于转矩的快速响应，以获得高效的控制性能。
直接转矩控制技术一诞生，就以新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的动、静态性能受到了普遍的关注。
与矢量控制技术相比，对电机参数不敏感，简单易行，在很大程度上克服了矢量控制技术的缺点。
为了得到高性能交流传动，需要对交流调速控制系统进行闭环控制。
但是速度传感器的安装带来了系统成本增加、体积增大、可靠性降低、易受工作环境影响等缺陷，因此无速度传感器交流调速控制系统的研究就显得极为迫切。
无速度传感器的一般方法是:
从电机定子边较易测量的量中（如定子电压、定子电流）计算出与速度有关的量，然后得到转子速度或转矩并将其应用到速度闭环控制系统中。
到目前为止已研究出多种速度估算的方法，大体上可分为:
（1）模型参考自适应法；
（2）卡尔曼滤波法；（3）滑模变结构法；（4）速度观测器法；（5）转子齿轮谐波法；（5）基于人工神经元网络的方法。
以上方法各有优点，但也有各自的缺陷，它们要么计算方法极为复杂，要么对参数有极强的依赖性，因此有必要对无速度传感器进行进一步的深入的研究。
1.3本课题的主要研究工作
（1）对直接转矩控制基本原理及方法进行研究，建立基于DSP的直接转矩控制系统。
（2）在直接转矩控制系统中进行无速度传感器技术的研究，寻求适合于DTC系统的速度估计方法，构建速度闭环控制系统。
（3）研究TI公司的电机控制专用数字信号处理器TMS32OLF2407，设计出以此种DSP为控制核心，以IPM作为功率器件的变频调速系统。
（4）采用TMS32OF2407汇编指令编写系统控制软件，实现无速度传感器直接转矩控制算法。
第2章异步电动机的数学模型
无论是经典还是现代控制理论，在研究工作中控制对象的具体物理特性用抽象化的数学语言来描述成相应的数学模型，该数学模型表征了实际控制对象的本质特征。
控制理论告诉我们:
同一具体物理对象的数学模型并不唯一，不同的等效方法可得到控制对象不同形式的数学描述，而且可以在不改变控制对象物理特性的前提下，采取诸如坐标变换和状态变换，来获得相对简单的数学模型，从而可以简化研究和控制。
这为我们研究交流异步电动机的数学模型提供了理论指导。
矢量控制思想正是基于这种理论指导将异步电动机高阶、非线性、多变量和强耦合的数学模型在按定子磁场定向的两相同步旋转坐标系上等效为一台他励直流电动机模型，尽管该等效模型并不是完全意义上的他励直流电动机模型，但从控制的角度来看两个模型是等效的。
这是一个研究异步电动机的数学模型非常成功的例子，也是我们研究异步电动机的等效模型的目的所在。
本章首先介绍分析异步电动机模型的数学基础，然后导出异步电动机的动态数学模型和等效模型，这是我们研究各种先进的交流传动控制策略的基础所在。
2.1异步电动机模型分析的数学基础
分析异步电动机模型的主要的数学基础是坐标变换，它能使变换后数学模型容易处理些。
下面简要介绍一下坐标变换的基本原则和各种变换及变换阵[4]:
2.1.1坐标变换的原则和基本思想
坐标变换的基本原则:
在不同的坐标系下产生的磁动势应该相同，功率应该保持不变。
设在某坐标系下系统电压和电流矢量为u和i，在新坐标系下系统电压和电流矢量为
和
，其中
u=
i=
=
=
定义
其中
分别为电压和电流的变换阵。
由功率保持不变原则得
（2.1）
式中
为单位阵
在一般情况下，为了使变换阵简单好记，把电压变换阵和电流变换阵取成同一矩阵,即令
则式（2.1）变成
（2.2）
因此有以下结论:
在变换前后功率保持不变，且电压和电流变换阵取为同一矩阵的条件下，这种变换是正交变换。
2.1.2三相/二相变换（3/2变换）
从三相静止坐标系A,B,C到二相静止坐标系
之间的变换，简称3/2变换。
取A轴与
轴重合，设
为三相/二相变换阵，其逆阵
为二相/三相变换阵，按照变换前后功率保持不变原则，可推得:
[4]
（2.3）
可以证明（2.3）同时是电压、电流、磁链的变换阵
2.1.3二相/二相旋转变换（2s/2r变换）
从二相静止坐标系
到二相旋转坐标系M,T之间的旋转变换，简称2s/2r变换。
设
为二相静止坐标系/二相旋转坐标系的变换阵，其逆阵
为二相旋转坐标系/二相静止坐标系的变换阵，按照变换前后功率保持不变原则,可推得[4]:
（2.4）
其中
为M轴与轴
之间的逆时针夹角。
可以证明（2.4）同时是电压、电流、磁链的变换阵。
2.1.4三相静止坐标系/任意二相旋转坐标系的变换（3s/2r变换）
从三相静止坐标系A,B,C到任意二相旋转坐标系d,q之间的旋转变换，简称3s/
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