Induction motor speed sensorless direct torque control
system design
Abstract : The strategy of Direct Torque Control is one of the variable frequency speedcontrol scheme, which was developed in 1985 by Prof. Depenbrock. The Direct Torque Control (DTC) technique attracts more and more attention after VectoControl theory because of its robust characteristic, simple realization and excellent dynamic response.The advantages of speed-sensorless technique have made it become afocus of current motor control reseach works.With the combination of these two
techniques,speed-sensorless DTC system become one of the directions for motor control technique in future. In this paper, the scheme is investigated thoroughly. On the basis of the mathematical model of induction machine, an optimized voltage vector selection table was deduced based onthe theory of the tradition DTC. By utilizing the vector selection table, we can get it directly from the voltage vector select table after we attained three values, that is, the ?、? pfractions of the stator flux and current position of it. According to the torque error signal, we can get the current voltage vector under which the inverter will produce relevant PWM voltage signal to the motor terminals. High dynamic response of torque control of the induction motor is achieved as the stator flux moves along a hexagon approximately. We developed a hardware system based on Digital Signal Processor (DSP) and carried out DTC experiment on it, realizing the successful operation of the system.
Keywords:DTC; DSP; voltage vector selection table
II
目 录
1 绪 论 ...................................................................................................................................... 1
1.1 概述 .............................................................................................................................. 1 1.2 交流异步电机的控制策略分类 ............................................................................ 1 2 异步电机数学模型和电压空间矢量 ............................................................................... 3
2.1 异步电动机的数学模型 .......................................................................................... 3 2.2 电压空间矢量 .......................................................................................................... 10 3 控制系统硬件设计 ............................................................................................................. 12
3.1 主电路的设计 .......................................................................................................... 12 3.2 控制回路设计 .......................................................................................................... 17
3.2.1 DSP控制板 ........................................................................................................ 17
4 系统软件设计 ...................................................................................................................... 22 4.1 直接转矩控制的原理 ............................................................................................ 23
4.1.1 定子磁链观测器 ............................................................................................... 24 4.1.2 磁链和转矩的控制 ........................................................................................... 26 4.1.3 磁链位置的判断 ............................................................................................... 28 4.1.4 电压矢量选择表 ............................................................................................... 29
4.2 主程序设计 .............................................................................................................. 31 4.3 子程序设计 .............................................................................................................. 31 5结 论 ....................................................................................................................................... 34 致 谢 ........................................................................................................................................ 35 [参考文献] .................................................................................................................................. 36
III
1 绪 论
1.1 概述
现代电气传动技术以电机为控制对象、微处理器为控制核心、电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成电气传动控制系统以达到控制电机转速或位置的目的[1]。
直流电机存在结构复杂，使用机械换向器和电刷，使它具有难以克服的固有的缺点，如造价高、维护难、寿命短、存在换向火花和电磁干扰，电机的最高转速、单机容量和最高电压都受到一定的限制，所以交流电机得以进入更多的领域并得到迅猛发展[2]。交流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，被国内外公认为最有前途的调速方式，成为当今节电、改善工艺流程以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。随着电力电子技术、微电子学、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电力传动领域正在发生着交流调速代替直流调速和计算机数字控制技术代替模拟控制技术的革命。
1.2 交流异步电机的控制策略分类 (1) V/F控制
当前异步电机调速总体控制方案中，V/F控制方式是最早实现的调速方式。该控制方案结构简单，通过调节逆变器输出电压实现电机的速度调节，根据电机参数，设定V/F曲线，其可靠性高。但是，由于其属于速度开环控制方式，调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域由于定子电阻的压降不容忽视而使电压调整比较困难，不能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以实现0.5%的精度，所以采用这种V/F控制的通用变频器异步电机开环变频调速适用于一般要求不高的场合，如风机、水泵等机械。若开发高性能专用变频控制系统，此种控制方式不能满足系统要求[4]。 (2) 矢量控制
1
[3]
矢量控制是当前工业系统变频系统应用的主流，它是通过分析电机数学模型对电压、电流等变量进行解藕而实现的。针对不同的应用场合，矢量控制系统可以分为带速度反馈的控制系统和不带速度反馈的控制系统。矢量控制变频器可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测和控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了变频调速，大大提高了电机控制静态精度和动态品质。转速精度约等于 0.5%，转速响应也较快。但其需要进行复杂的数学计算以及速度传感器的安装，使得其稳定性大大的降低[5]。 (3) 直接转矩控制
除以上两种调速方式之外，国际学术界比较流行的电机控制方案研究还有致力于直接控制电机输出转矩的直接转矩控制(DTC)。将电机输出转矩作为直接控制对象，通过控制定子磁场向量控制电机转速。将直接转矩控制和矢量控制进行对比，单从原理上分析，直接转矩控制和矢量控制没有太大的区别。直接转矩控制的特征是控制定子磁链，是直接在定子静止坐标系下，以空间矢量概念，通过检测到的定子电压、电流，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链和转矩，获得转矩的高动态性能。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量变换中的许多复杂计算，它也不需要模仿直流电动机的控制，从而也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，而只需关心电磁转矩的大小，因此控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易得到磁链模型，并方便地估算出同步速度信息，同时也很容易得到转矩模型，磁链模型和转矩模型就构成了完整的电动机模型，因而能方便地实现无速度传感器控制。 (4) 智能控制
在经典和各种近代的控制理论基础之上提出的控制策略都有一个共同点即控制算法都依赖于电机的数学模型，但当模型受到参数变化和扰动作用影响时，如何进行有效的控制，使系统仍能保持优良的动静态性能，便是人们需要研究的一个大课题。智能控制就随之产生。智能控制被认为是自动控制理论、运筹学、人工智能理论的综合，是主要根据人工智能理论更加精确的模拟电机的非线性性，以此确定智能控制输出模型的输出量大小，进而确定功率控制器开关模式。得到实际应用的智能控制有专家系统、模糊控制、神经网络等，这将是电机控制
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