感应电机无速度传感器直接转矩控制系统的设计毕业设计(编辑修改稿)

感应电机无速度传感器直接转矩控制系统的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

     213 由式 (213)可知异步电动机的数学模型比较复杂，本质上因为异步电动机是高阶、非线性、多变量和强耦合的系统，我们希望通过坐标变换使之简化。 式（ 213)的异步电动机的数学模型是建立在三相静止 A、 B、 C坐标系上的，现在把它变换到任意二相旋转 d、 q坐标系上，比原来的模型简单。 8 ABCdq 12 图 2 异步电机坐标模型 该电机模型已经由实践所证实，图 2 显示了它的坐标模型。 其中 A、 B、 C为三相定子绕组轴线， d、 q 为等效两相电机模型轴线。 由此物理模型，可推导得到任意速度旋转坐标系下异步电机的状态方程为： 电压方程式 (214): q1d1q22U R i p psd s sd sd sU R i p psq s sq sq sU R i p prd r rd rd rU R i p prq r rq rq rd          ———— 214 磁链方程式 (215)： L i L isd s sd m rdL i L isq s sq m rqL i L ird r rd m sdL i L irq r rd m sq   215 电磁转矩方程式 (216)： ()dT n i ie p sq s sd sq — 216 机电运动方程式 (217) JdTTeL n dtp 217 9 将式（ 215）代入（ 214）式中，得： + k k m+k k m= + k r k r +k r k r rR L p L L p LUis s s msd sdL R L p L L psq sqs s s mL p L R L p Lrd rdm m r r mrq rqL L p L R L pm m r r                              —（ ） （ ）（ ） （ ） 218 式中 =k p d、 q系统的旋转速度 当 =k1时为同步旋转 d、 q系统；当 =0k 时为定子静止坐标系统。 =r p 转子旋转角速度 1 同步旋转角速度，即定子角频率 = = 2 k r 1p    （ ） 转差角速度 sR 定子电阻 sL 定子电感 rR 转子电阻 rL 转子电感 pn 极对数 mL 定转子互感 J 转动惯量 eT 电磁转矩 LT 负载转矩 p 微分算子 下标 s、 r分别表示定子、转子侧的物理量。 从电机统一理论可知，在静止坐标系上的异步电动机的 等值电路如图 3 所示。 10 si sR sL rLrisu sp rpmL rR rjrj 图 3 异步电机空间矢量等效电路 对于鼠笼式异步电机而言， Ur=0，为了方便下面对直接转矩控制的理论分析，现将α β定子坐标系下的鼠笼式异步电机数学模型改用复数空间向量的形式表示如下 [9]： =0 = j rd sU R is s s dtd rRir r rdt  219 = mL i L is s s r  220 = rL i L ir m s r  221 ( ) ( )T n i n i ie p s s p s s s s        222 电压空间矢量 直接转矩控制一般采用三相二点式电压逆变器供电，如图 4用 A B CSSS、 、 表示上桥臂 3个功率器件的开关状态， AS =1 表示 A桥臂 上边闭合，下边断开 , AS =O则相反。 BCSS、 表示法与 AS 相似。 因在任意时刻同一桥臂只能有一个开关元件导通，这就决定 A、 B、 C三相共有 8个开关状态，分别对应 8 个电压空间矢量。 0~su s7u ，其中 6 个非零电压矢量 1~su s6u ，和两个零电压矢量 0su s u。 8个电压矢量在复平面的空间分布如图 5所示。 利用电压逆变器的开关特点，正确地选择电压空间矢量不断切换电压状态，使定子磁链逼近圆形，并通过零电压矢量的穿插调节来改变转差频率，从而控制电机的转矩，实现电机的磁链和转矩同时按 11 要求快速变化 [10]。 2dcu2dcuNABCaUbUcUAS BS CSCSBSAS 图 4 电压型逆变器理想模型 S 1S 2S 3S 4S 5S6( 1 0 0 )( 1 1 0 )( 0 1 0 )( 0 1 1 )( 0 0 1 )( 1 0 1 )1su2su3su4su5su6su 0 0 01 1 12()t 1()t ()2tr()2t  ()1t  ()t ()1tr 图 5 电压空间矢量表示法 12 3 控制系统硬件设计 无速度传感器直接转矩控制系统各部分的结构和 计算方法己经确定，这些方法将在以 TI 公司的 DSP(TMS320F2407A)为主体构成的系统中得以实现。 所有控制算法的实现和实用化均不能离开硬件系统，本节主要介绍系统硬件电路的设计与实现。 基于 DSP 的无速度传感器直接转矩控制系统硬件结构如图 6所示 [11]。 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 AP C 机故障检测与保护驱 动电 路P W M输 出电 流 测 量 电 压 测 量M 图 6 系统硬件结构框图 主电路的设计 直接转矩控制系统的主电路采用交一直一交电压型变频器结构，由整流电路、限流电路、滤波电路、能耗制动电路和逆变电路这几个部分组成的 [12]。 本系统设计的主电路如图 7： 13 图 7 主电路 整流及滤波电路 整流电路的任务是把三相交流电变换成直流电。 本系统属于中、小容量变频器，整流器可采用不可控整流二极管成的桥式全波整流，再经大容量电解电容 C，构成的滤波环节进行滤波，为逆变器提供恒定的直流电压。 中间电容 C 的作用主要有两点： （ 1） 消除二极管整流器的输出电压的波纹，尽量保持直流电压的输出的恒定波形； （ 2）电机属于感性负载，故中间直流环节总和电机之间存在能量转换，而逆变器的电力电子器件无法储能，因此电容的另一个作用就是作为储能元件实现能量的缓冲。 限流电路及 安全保护电路 当变频器通电时瞬时冲击电流较大，为了保护电路元件并减小通电瞬间电路对电网的冲击，在电路中加入了限流电阻，通过限流电阻（即图中的充电电阻）减小通电瞬间电流对元件的冲击，并通过延时控制，在通电一段时间后触发继电器，切除限流电阻，这样既不影响电路正常工作时的电路整体性能，又可提高电路的启动瞬时性能。 当电路不工作时由于电容 C 上有大量的电荷所以电容上的电压很高，对人的安全造成一定的威胁，所以在电路不工作的时候将放电电阻接入电路中配合继电器对电容 C 进行放电 [13]。 能耗制动电路 14 当能耗制动时，电动机再生 的电能经续流二极管全波整流后反馈到直流电路，在滤波电容上会有短时间大量电荷堆积，这就是所谓的“泵生电压”，使得直流电压升高。 过高的直流电压将会使各部分器件受到损害。 因此，当直流电压达到的一定值，就要求提供一条放电回路 —— 即能耗制动电路，将再生的电能消耗掉。 逆变电路。 逆变电路的功能是在驱动信号的作用下把直流电变换到幅值恒定、频率可调的三相交流电，由功率器件和驱动电路组成。 功率器件 用于逆变器的常见功率器件有如下几种： （ 1） 大功率晶体管（ BJT 或 GTR） 电流控制型器件，优点是击穿电压和集电极最大饱和电流都较 大，缺点是开关频率较低，最高为 2KHz 左右。 因而以 BJT 为逆变器件的载波频率也较低，电动机有较大的电磁噪声。 另外控制电路的驱动功率也较大 [14]。 （ 2） 功率效应管漏极电流的大小受控制级与源级间的电压控制，属电压控制性器件，开关频率较高，最高答 20KHz 以上。 因此，以 MOSFET 为逆变器件的变频器载波频率也较高，电动机基本无电磁噪声。 此外，控制电路所需的驱动功率极小。 但迄今为止，其击穿电压和漏极最大饱和电流都较小，难以满足多数变频器的要求。 （ 3） 绝缘栅双极型晶体管（ IGBT） IGBT 是 MOSFET 和 BJT 结合的产物 ，主体部分与晶体管相同，但驱动部分却和场效应管相同。 电压控制型功率器件。 主要优点是击穿电压和集电极饱和电流也较大。 由 IGBT 模块作为逆变器的变频器容量已达 250KVA 以上。 而且开关频率也可达 20KHz，电机的电流波形比价平滑，基本无电磁噪声。 目前绝大部分中、小容量变频器的逆变模块都在用 IGBT 管。 其驱动电路也都已模块化 [15]。 （ 4） 智能功率模块（ IPM） 智能功率模块是把与逆变管配套的驱动电路、检测电路与保护电路以及某些接口电路等和功率模块集成到一起的集成功率模块。 本系统是中、小型系统采用 IGBT 作为逆变元 件。 IGBT 的等效电路及开关特 15 性见图 8。 0t 1t 2t3t0t 1t2t 3tGEU GEUciCEU CEUci图 8 IGBT 等效电路及开关特性 [16] 驱动电路 驱动电路的作用是： （ 1） 实现控制电路与被驱动 IGBT 栅极的电隔离； （ 2） 提供合适的栅极驱动脉冲。 实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。 驱动电路结构框图如图 9所示。 输入部分为双路 PWM 及对应控制电源信号，经独立或互锁设定单元确定电路工作模式，可设定为普通全桥模式或无死区控制全桥模式。 普通全桥应用时，上下两管信号互锁，用户可以设置死区时间，确保不直通。 无死区全桥模式应用时，上下两管可以同时导通，因此可用于电流型全桥电路的驱动。 通过 DC/DC 辅助开关电源，可得到四路相互独立的 24V 电压输出，于四片驱动芯片的供电。 与传统的四路变压器隔离供电相比，减小了体积，节省了成本，且使用更加方便，当主控板电源电压为 15V 供电时，可与之使用同一电源。 驱动单元输出四路隔离驱动信号，用于驱动 IGBT，同时对 IGBT 起保护作用。 当IGBT 的电流过大，集电极对发射极的电压达到阈值电压时，驱动器启动内部的保护机制。 因为各种尖峰干扰的存在，为避免频繁的保护影响开关电源的正常工作，设立 盲区是很有必要的；当过流信号时间大于设定的盲区时间时，开始软关断。 软关断开始后，驱动器封锁输入 PWM 信号，即使 PWM 信号变成低电平，也不 16 会立即将输出拉到正常的负电平，而要将软关断过程进行到底。 软关断开始后经过短暂延迟，驱动板经光耦隔离输出互补的故障报警信号，由主控板处理。 IGBT的短路保护动作阈值、保护盲区时间、软关断时间等参数可通过用户保护参数设置单元灵活设置，也可以使用默认值 [17]。 独 立 或 互 锁 设 定光 耦 隔 离D C / D C驱 动用 户 保 护 参 数 设置4 路 隔 离驱 动 输 出输 入 双 路P W M 信 号输 出 互 补故 障 信 号控 制 电 源1 5 1 8 V 图 9 驱动电路结构框图 GNDV11V12AohAo1GND12/15V5V输入PWM故障输出主板电源D A 8 4 1 H D。