无速度传感器直接转矩控制系统设计
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T 2 t
t0 # 0 , & 0 为一任意有限实数。
2
则有 0 li m e( t) = 0 , 即模型参考自适应系统是渐进 ∃ 稳定的。 对任意的 k 1、 k2 # 0 , 若取 : % 1 ( v, t , ∃) = k 1 e % 2 ( v, t) = k 2 e
T T
图 3 硬件系统结构图
2
记为: ! W = (A - A )
^ ^ r
, v = D e,
取 D = I, 则 v = Ie = e。 取自适应律为:
t ^ r
=
0
% ( v, t , ∃) d ∃ + % ∀
1 - 1
( v, t) +
^
( 0)
根据 Popov 超稳定性定理, 如果满足: ( 1)H ( s) = D ( sI - A ) 为严格正实矩阵 ; ( 2) ∀ v Wd t# - & 0, 0
北京航空航天 大学出版社 , 2003. 11
作者简介: 肖海荣 ( 1969 - ), 女 , 副教授 , 主要从 事智能机器人的研究 、 开发及计算机控制系统的设计。 周风余 ( 1969- ) , 男, 博士, 副 教授, 主要 从事特 种机器人的研究 、 开发及应用。
( 上接第 58页 )
[ 2] 郁汉琪 . 电气控 制与可 编程控制 器应用 技术 [ M ] . 南 京 : 东南大学出版 社 , 2003
r ^ ^ = k1 ( ! r# ! r∀ - ! r∀ ! r# )
0 - 1 1 0 0 - 1 1 0
^
^
IPM 电路 : 功率模块采 用 PM 200DSA060 的智能 IPM 模块。它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在 一起, 而且还具有过流、 过压、 欠压和温度等保护电路。 不但可以保护 IPM 模 块, 而 且简化 了片外 的驱动 电
1 直接转矩控制原理
根据电机的统一理论 , 电机转矩公式为: Te = K m |
s r
| sin
rs
图 1 直 接转矩控制原理图
s
从公式可以看 出, 转矩 的大小与定子磁 链 值、 转子磁链
r 幅值和磁通角 s
幅
2 模型参考自适应的速度辨识
在静止坐标系下 , 将含有真实速度
^ r
rs的乘积成正比。在实
^ ! r∀
- 1 /∃ r
Lm is∀ + ^ ∃r is# ! r#
Lr d d ! ( Us# - is# ) - L ∋ is# r# = dt Lm dt 整个辨识算法的运算框图如图 2 所示。 ( 2)
记为: d dt
^ r
= A
r
^
^ r
+ bis
假设并联可调模型中转速 参数不变化。 广义状态误差为 : e= 自适应律, 假设转速
^ d !r∀ = ^ dt ! r# ^ r
容易证明该模型参考自适应系统是渐进稳定的。即可 得转速 ^ r 的自适应律如下 :
t ^ r
- 1 /∃r
r
-
r
! r∀
- 1 /∃ r
Lm is∀ + ∃r is# ! r#
=
0
k (! ∀
1
r#
^ ^ ^ ^ ! r∀ - ! r∀ ! r# ) + k2 ( ! r# ! r∀ - ! r∀ ! r# ) +
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] 李华德 . 交流调 速控制 系统 [ M ] . 北 京 : 电 子工业 出版 社 , 2003 张 伟 , 王明 渝 , 刘和平 . 基于 TM S320LF 2407 的异 步电 动机直接转矩 控制系统 [ J]. 中小型电机 , 2005 , 32( 2) 姬宣 德 , 和 大庆 . 基于 D SP 的 直接 转 矩控 制系 统 设计 [ J] . 矿山机械 , 2004( 8) 纪志成 , 沈艳霞 , 范 茂兴 , 霍 迎涛 . 异步 电机 无速度 传感 器矢量控制系统速度辨 识方法 [ J]. 无 锡轻工大学 学报 , 1998( 4)
2006 年第 22 卷第 5 期 2006. V o . l 22 N o . 5
电子机械工程
E lectro- M echan ical Eng ineer ing
59
无速度传感器直接转矩控制系统设计
罗小丽 , 范桂林, 庞 庆 , 蒋云峰 湖北 孝感 432100) ( 孝感学院物理系武汉大学电气工程学院, 摘
4 软件设计
系统软件主要包括主程序模块和中断服务子程序模 块。主程序模块完成寄存器的初始化和中断的设置, 中断 服务程序是软件的主体, 完成系统的控制功能, 包括电压电 流 A /D转换, 磁链的幅值计算和位置判断, 电机转速的辨 识, 转矩的计算, 逆变器开关状态的选择等。
图 5 中断子程序流图
内外设资源 , 不仅节省了硬件成本 , 而且保护 功能齐 全。同时, 片内先进的哈佛总线结构及快速的指令执 行周期 , 可以实时完成高性能系统的复杂控制算法 , 提 高了控制精度。 参考文献:
作者简介: 张凯军 ( 1975 - ), 男 , 浙江杭州人 , 助 理工程师, 工学硕士, 主要从事专用设备电气控制系统 的设计研究工作 。
图 4 主程序流图
5 结束语
该系统充分利用了 TMS320F2407芯片丰富的片
作者简介: 罗小丽 ( 1980 - ), 女 , 湖北孝感人 , 硕 士研究生, 研究方向为电力电子与电力传动。
( 上接第 56页 )
[ 3] [ 4] [ 5] LM 628 /Lm629 Prec is ion M otion Contro ller [ Z ]. N ationa l Sem iconductor Co rpo ra tion . 1999 , 11 L M D 18200 D ata Sheet[ Z]. N ationa l Sem iconductor . 2005 , 4 JEAN J . LA BRO SSE 著 , 邵贝贝译 . ( c / os% 源码公开的实 时嵌 入 式 操 作 系 统 程 [ M ]. 北 京 : 中 国 电 力 出 版 社 , 2002. 6 [ 6] 周立功等 编著 . ARM 微控 制器基 础与实 战 [ M ] . 北 京 :
r
是需要辨识的量, 而其他
-
^ r
( 3)
来自百度文库
以上式子是在定子坐标系中给出 , 为了便于推导
r
为常数。由公式 ( 1) 减去公式
图 2 模型参 考自适应转速辨识框图
( 3) , 可得误差方程如下 :
^ d e = A e + (A - A ) dt ^ r
3 硬件设计
TM S320F 2407 是专 门为电 机控制等 应用而设 计 的 DSP 芯片。它具有 32位的中央算术逻辑单元和独 立的乘法器 , 具有 16 K 字的片内 FLAS H EEPROM, 方 便程序存储。 F 2407 DSP 含有丰富的片内资源 , 大大 简化了外围电路的设计。整个系统硬件结构图如图 3 所示。
^
r
( 0)
^ ^ 式中: ! 、 ! 、 r∀ r#可由转子磁 链的电流 模型获 得, 而 ! r∀
!r#由转子磁链的电压模型获得, 方程如下 : = A
r
+ b is
( 1) Lr d d ! ( Us∀ - is∀ ) - L ∋ is∀ r∀ = dt Lm dt
- 1 /∃r
^ r
-
^ r
r
= k2 ( !r# !r∀ - !r∀ ! r# )
^ ^
第 5期
罗小丽 , 等 : 无速度传感器直接转矩控制系统设计
61
路 , 减少了系 统的故障 率。 IPM 的故 障输出信 号 FO 通过光耦接到 DSP 的 PDP I NT 端口。在 IPM 发生故障 时 , DSP 能及时把 PWM 输出引脚都置成高阻状态, 禁 止 PWM 输出 , 对系统进行保护。 电流采样 : 定子电流的检测采用 LM Z - 10 电流 互感器 , 分别对 A、 B 相定子电流进行采样, 然后经隔 离放大后送往 DSP 的高速 ADC 转换端口 , 从而获得 实时的定子电流信息。 电压采样: 采用 JDG1- 0 . 5 电压互感 器, 对 A、 B 相电压进行采样。
0 引
言
改变异步电机转矩的大小 , 可以通过改变磁通角
rs
来
实现。在直接转矩控制系统中, 就是通过选择合理的 非零矢量和零矢量的作用次序和时长 , 以调节定子磁 链矢量 s 的运动速度, 从而改变为转矩角 rs的大小, 以实现对电机转矩的控制。直接转矩控制的基本结构 的原理框图如图 1 所示。
直接转矩控制技术是继矢量变换控制技术之后发 展起来的一种新兴的交流调速控制技术 , 它直接在定 子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩和磁通, 采 用定 子磁场 定向 , 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 进行最佳控制, 以获得转矩的高动态性能。它省去了 复杂的矢量变换运算与电动机数学模型的简化处理, 控制结构简单, 控制手段直接, 具有动态响应迅速且无 超调, 结构简单, 易于实现等优点。
的转子回路
际运行中, 一般控制 用电动机铁芯; 而
r
的幅值为恒定值, 以便充分利
的幅值主要由负载决定。如果要
方程作为参考模型, 而含有待辨识速度 r 的转子回路 方程视为可 调模型 , 根据 P opov超稳定性定理 可得到
*
收稿日期 : 2006- 01- 06
60
电子机 械工程
第 22 卷
转速 r 的辨识结果与定子电流、 参考模型和可调模型的状 态变量有关。由电机数学模型公式可以写出辨识对象为: d !r∀ = d t !r# 记为: d dt 并联可调模型为 :
*
要 : 介绍了异步电动机直接转矩控制的基本原理和无速度传感器的速度估算方法 , 给出了以 DSP
芯片 TM S320LF2407 为核心的控制系统实现方案 , 及其软硬件实现方法。 关键词 : 直接转矩控制 ; DSP; 交流调速 中图分类号 : TP212 文献标识码: A 文章编号: 1008- 5300( 2006) 05- 0059- 03
Design of D irect Torque Control System of A synchronousM otor Based on DSP
LUO Xiao l,i FAN Gui lin , PAN Q ing, JIANG Yun feng (E lectrical E ng ineering C ollege, Wuhan Un iversity, X iaogan 432100 , China ) Abstract : The basic prin ciple o f d irect torque contro l system for asynchronous mo tor and the speed est i m ation m ethod o f speed less senso r are introduced in th is paper . The proposed contro l system desig n is based on TM S320LF2407 DSP and design m ethod of hardw are and soft w are are given . K ey w ord s : d irect torque contro l ( DTC ); d ig ital sig nal processo r( DSP) ; AC speed control
t0 # 0 , & 0 为一任意有限实数。
2
则有 0 li m e( t) = 0 , 即模型参考自适应系统是渐进 ∃ 稳定的。 对任意的 k 1、 k2 # 0 , 若取 : % 1 ( v, t , ∃) = k 1 e % 2 ( v, t) = k 2 e
T T
图 3 硬件系统结构图
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记为: ! W = (A - A )
^ ^ r
, v = D e,
取 D = I, 则 v = Ie = e。 取自适应律为:
t ^ r
=
0
% ( v, t , ∃) d ∃ + % ∀
1 - 1
( v, t) +
^
( 0)
根据 Popov 超稳定性定理, 如果满足: ( 1)H ( s) = D ( sI - A ) 为严格正实矩阵 ; ( 2) ∀ v Wd t# - & 0, 0
北京航空航天 大学出版社 , 2003. 11
作者简介: 肖海荣 ( 1969 - ), 女 , 副教授 , 主要从 事智能机器人的研究 、 开发及计算机控制系统的设计。 周风余 ( 1969- ) , 男, 博士, 副 教授, 主要 从事特 种机器人的研究 、 开发及应用。
( 上接第 58页 )
[ 2] 郁汉琪 . 电气控 制与可 编程控制 器应用 技术 [ M ] . 南 京 : 东南大学出版 社 , 2003
r ^ ^ = k1 ( ! r# ! r∀ - ! r∀ ! r# )
0 - 1 1 0 0 - 1 1 0
^
^
IPM 电路 : 功率模块采 用 PM 200DSA060 的智能 IPM 模块。它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在 一起, 而且还具有过流、 过压、 欠压和温度等保护电路。 不但可以保护 IPM 模 块, 而 且简化 了片外 的驱动 电
1 直接转矩控制原理
根据电机的统一理论 , 电机转矩公式为: Te = K m |
s r
| sin
rs
图 1 直 接转矩控制原理图
s
从公式可以看 出, 转矩 的大小与定子磁 链 值、 转子磁链
r 幅值和磁通角 s
幅
2 模型参考自适应的速度辨识
在静止坐标系下 , 将含有真实速度
^ r
rs的乘积成正比。在实
^ ! r∀
- 1 /∃ r
Lm is∀ + ^ ∃r is# ! r#
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记为: d dt
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假设并联可调模型中转速 参数不变化。 广义状态误差为 : e= 自适应律, 假设转速
^ d !r∀ = ^ dt ! r# ^ r
容易证明该模型参考自适应系统是渐进稳定的。即可 得转速 ^ r 的自适应律如下 :
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- 1 /∃r
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Lm is∀ + ∃r is# ! r#
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0
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1
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^ ^ ^ ^ ! r∀ - ! r∀ ! r# ) + k2 ( ! r# ! r∀ - ! r∀ ! r# ) +
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] 李华德 . 交流调 速控制 系统 [ M ] . 北 京 : 电 子工业 出版 社 , 2003 张 伟 , 王明 渝 , 刘和平 . 基于 TM S320LF 2407 的异 步电 动机直接转矩 控制系统 [ J]. 中小型电机 , 2005 , 32( 2) 姬宣 德 , 和 大庆 . 基于 D SP 的 直接 转 矩控 制系 统 设计 [ J] . 矿山机械 , 2004( 8) 纪志成 , 沈艳霞 , 范 茂兴 , 霍 迎涛 . 异步 电机 无速度 传感 器矢量控制系统速度辨 识方法 [ J]. 无 锡轻工大学 学报 , 1998( 4)
2006 年第 22 卷第 5 期 2006. V o . l 22 N o . 5
电子机械工程
E lectro- M echan ical Eng ineer ing
59
无速度传感器直接转矩控制系统设计
罗小丽 , 范桂林, 庞 庆 , 蒋云峰 湖北 孝感 432100) ( 孝感学院物理系武汉大学电气工程学院, 摘
4 软件设计
系统软件主要包括主程序模块和中断服务子程序模 块。主程序模块完成寄存器的初始化和中断的设置, 中断 服务程序是软件的主体, 完成系统的控制功能, 包括电压电 流 A /D转换, 磁链的幅值计算和位置判断, 电机转速的辨 识, 转矩的计算, 逆变器开关状态的选择等。
图 5 中断子程序流图
内外设资源 , 不仅节省了硬件成本 , 而且保护 功能齐 全。同时, 片内先进的哈佛总线结构及快速的指令执 行周期 , 可以实时完成高性能系统的复杂控制算法 , 提 高了控制精度。 参考文献:
作者简介: 张凯军 ( 1975 - ), 男 , 浙江杭州人 , 助 理工程师, 工学硕士, 主要从事专用设备电气控制系统 的设计研究工作 。
图 4 主程序流图
5 结束语
该系统充分利用了 TMS320F2407芯片丰富的片
作者简介: 罗小丽 ( 1980 - ), 女 , 湖北孝感人 , 硕 士研究生, 研究方向为电力电子与电力传动。
( 上接第 56页 )
[ 3] [ 4] [ 5] LM 628 /Lm629 Prec is ion M otion Contro ller [ Z ]. N ationa l Sem iconductor Co rpo ra tion . 1999 , 11 L M D 18200 D ata Sheet[ Z]. N ationa l Sem iconductor . 2005 , 4 JEAN J . LA BRO SSE 著 , 邵贝贝译 . ( c / os% 源码公开的实 时嵌 入 式 操 作 系 统 程 [ M ]. 北 京 : 中 国 电 力 出 版 社 , 2002. 6 [ 6] 周立功等 编著 . ARM 微控 制器基 础与实 战 [ M ] . 北 京 :
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是需要辨识的量, 而其他
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( 3)
来自百度文库
以上式子是在定子坐标系中给出 , 为了便于推导
r
为常数。由公式 ( 1) 减去公式
图 2 模型参 考自适应转速辨识框图
( 3) , 可得误差方程如下 :
^ d e = A e + (A - A ) dt ^ r
3 硬件设计
TM S320F 2407 是专 门为电 机控制等 应用而设 计 的 DSP 芯片。它具有 32位的中央算术逻辑单元和独 立的乘法器 , 具有 16 K 字的片内 FLAS H EEPROM, 方 便程序存储。 F 2407 DSP 含有丰富的片内资源 , 大大 简化了外围电路的设计。整个系统硬件结构图如图 3 所示。
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^ ^ 式中: ! 、 ! 、 r∀ r#可由转子磁 链的电流 模型获 得, 而 ! r∀
!r#由转子磁链的电压模型获得, 方程如下 : = A
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+ b is
( 1) Lr d d ! ( Us∀ - is∀ ) - L ∋ is∀ r∀ = dt Lm dt
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第 5期
罗小丽 , 等 : 无速度传感器直接转矩控制系统设计
61
路 , 减少了系 统的故障 率。 IPM 的故 障输出信 号 FO 通过光耦接到 DSP 的 PDP I NT 端口。在 IPM 发生故障 时 , DSP 能及时把 PWM 输出引脚都置成高阻状态, 禁 止 PWM 输出 , 对系统进行保护。 电流采样 : 定子电流的检测采用 LM Z - 10 电流 互感器 , 分别对 A、 B 相定子电流进行采样, 然后经隔 离放大后送往 DSP 的高速 ADC 转换端口 , 从而获得 实时的定子电流信息。 电压采样: 采用 JDG1- 0 . 5 电压互感 器, 对 A、 B 相电压进行采样。
0 引
言
改变异步电机转矩的大小 , 可以通过改变磁通角
rs
来
实现。在直接转矩控制系统中, 就是通过选择合理的 非零矢量和零矢量的作用次序和时长 , 以调节定子磁 链矢量 s 的运动速度, 从而改变为转矩角 rs的大小, 以实现对电机转矩的控制。直接转矩控制的基本结构 的原理框图如图 1 所示。
直接转矩控制技术是继矢量变换控制技术之后发 展起来的一种新兴的交流调速控制技术 , 它直接在定 子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩和磁通, 采 用定 子磁场 定向 , 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 进行最佳控制, 以获得转矩的高动态性能。它省去了 复杂的矢量变换运算与电动机数学模型的简化处理, 控制结构简单, 控制手段直接, 具有动态响应迅速且无 超调, 结构简单, 易于实现等优点。
的转子回路
际运行中, 一般控制 用电动机铁芯; 而
r
的幅值为恒定值, 以便充分利
的幅值主要由负载决定。如果要
方程作为参考模型, 而含有待辨识速度 r 的转子回路 方程视为可 调模型 , 根据 P opov超稳定性定理 可得到
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收稿日期 : 2006- 01- 06
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电子机 械工程
第 22 卷
转速 r 的辨识结果与定子电流、 参考模型和可调模型的状 态变量有关。由电机数学模型公式可以写出辨识对象为: d !r∀ = d t !r# 记为: d dt 并联可调模型为 :
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要 : 介绍了异步电动机直接转矩控制的基本原理和无速度传感器的速度估算方法 , 给出了以 DSP
芯片 TM S320LF2407 为核心的控制系统实现方案 , 及其软硬件实现方法。 关键词 : 直接转矩控制 ; DSP; 交流调速 中图分类号 : TP212 文献标识码: A 文章编号: 1008- 5300( 2006) 05- 0059- 03
Design of D irect Torque Control System of A synchronousM otor Based on DSP
LUO Xiao l,i FAN Gui lin , PAN Q ing, JIANG Yun feng (E lectrical E ng ineering C ollege, Wuhan Un iversity, X iaogan 432100 , China ) Abstract : The basic prin ciple o f d irect torque contro l system for asynchronous mo tor and the speed est i m ation m ethod o f speed less senso r are introduced in th is paper . The proposed contro l system desig n is based on TM S320LF2407 DSP and design m ethod of hardw are and soft w are are given . K ey w ord s : d irect torque contro l ( DTC ); d ig ital sig nal processo r( DSP) ; AC speed control