直接轉矩控制永磁同步高壓直流發(fā)電系統(tǒng)研究
摘要:永磁同步發(fā)電機(PMSG)具有效率高、結構簡單等優(yōu)點,越來越得到重視和研究。直接轉矩控制(DTC)具有控制結構簡潔,對電機參數(shù)依賴少,轉矩動態(tài)響應迅速等特點,在發(fā)電領域中得到了應用。這里以TMS320F2812DSP為核心,結合PMSG DTC的特點,設計了一套功能完善、實時性好的270V高壓直流發(fā)電系統(tǒng)。實驗結果表明,硬件系統(tǒng)工作可靠、控制響應快。
關鍵詞:永磁同步發(fā)電機;直接轉矩控制;直流發(fā)電
1 引言
DTC理論首先針對異步電動機提出,隨后又提出了PMSG DTC理論。研究表明,DTC策略不僅適用于電動運行狀態(tài),同時也適用于發(fā)電運行狀態(tài)。DTC策略可快速控制電磁轉矩實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓的快速控制,改善發(fā)電系統(tǒng)性能。這對變速變負載運行發(fā)電系統(tǒng)尤為重要,當發(fā)電機轉速和負載在較大范圍變化時,若不能迅速控制發(fā)電機電磁轉矩,以補償轉速及負載變化對輸出電壓的不利影響,發(fā)電系統(tǒng)性能將很快惡化。PMSG沒有轉子勵磁繞組,效率高,將DTC與PMSG相結合構成變速變負載270 V高壓直流發(fā)電系統(tǒng)可獲得高品質直流電壓輸出,無論在航空還是風力發(fā)電等領域均有廣闊的應用前景。
PMSG DTC實現(xiàn)中需要準確地采集定子繞組相電流、母線電壓,控制中還要實時地輸出電壓矢量控制電機定子磁鏈及轉矩,要求硬件系統(tǒng)實時性能好,同時穩(wěn)定性高,因此全數(shù)字控制成為該系統(tǒng)的首選控制手段。
2 硬件系統(tǒng)設計
以TMS320F2812型DSP為核心,結合多種外圍擴展,構成一套功能完善、驅動簡單的永磁同步發(fā)電系統(tǒng),其硬件系統(tǒng)結構如圖1所示。
系統(tǒng)信號檢測包括母線電壓、母線電流、兩相電流和速度。采集到DSP中信號有母線電壓Udc、兩相電流ia,ib及速度,母線電流只用于故障保護。速度用于發(fā)電機弱磁控制。電壓、電流信號送給DSP中A/D采樣模塊實時處理,結合DTC軟件算法和最優(yōu)開關矢量表輸出最佳的電壓矢量。
DSP外部擴展的D/A輸出通道,方便了PMSGDTC中磁鏈等非電量的觀測及系統(tǒng)調試。主要功能模塊設計分析如下。
2.1 輔助電源設計
硬件系統(tǒng)首先要考慮供電電源。本系統(tǒng)所需的輔助電源有:15V,-15 V,5 V,3.3 V,1.8 V,1.5 V,20 V,10 V,其中±15 V主要提供給A/D調理電路中運算放大器、傳感器及故障信號處理電路中的比較器使用。4路20 V分別為三相逆變橋中6個IGBT的驅動電源,互相隔離。5 V供給譯碼保護電路,同時5 V經(jīng)過TPS767D318變換成3.3 V,1.8 V供DSP使用。10 V為D/A雙極性輸出中參考電平。
2.2 邏輯保護譯碼設計
系統(tǒng)中D/A輸出的譯碼信號、PWM死區(qū)保護和故障保護信號等通過ISPM4A5-128/64可編程邏輯器件實現(xiàn)。輸入信號為:IGBT功率管開關控制PWM信號(實現(xiàn)逆變橋驅動信號同高互鎖保護,避免逆變橋直通故障)、過流保護信號(a相、b相、直流母線過流、過壓信號)、譯碼地址信號、故障復位信號和電源復位信號。輸出信號為:D/A通道選擇譯碼輸出、74F245使能信號、DSP功率保護信號、故障指示信號等。[!--empirenews.page--]
2.3 采樣電路
系統(tǒng)采集至DSP的電壓、電流分別通過霍爾電壓、電流傳感器,將來自霍爾傳感器次級電流信號經(jīng)電阻轉換成電壓信號,通過電壓跟隨器后輸出送至A/D調理電路。由于DSP的A/D輸入端只能接收信號,因此由傳感器輸出的交流信號還要經(jīng)過電平抬升電路,A/D調理電路如圖2所示。
采用LM324構成同相比例運算電路,取參考電平uref=1.5 V,uin來自霍爾傳感器電壓跟隨器的輸出,uo送給DSP的A/D輸入端,則有:
R5與C3構成低通濾波器,用于消除高頻干擾。二極管VD1實現(xiàn)箝位保護功能。
2.4 故障檢測
采用精密絕對值電路對電流檢測信號整流,然后將整流輸出信號送入遲滯比較器與閾值電平比較,來實現(xiàn)過流信號檢測,其原理如圖3所示。R6,C3及R11,C6分別構成低通濾波器,用于消除高頻干擾。采用2個TL084和2個1N4148二極管配合外圍電阻構成精密絕對值電路,LM339配合外圍電阻構成遲滯比較器。
[!--empirenews.page--]
2.5 驅動電路
采用HCPL3120光電耦合器,配合穩(wěn)壓二極管等器件構成IGBT驅動電路,如圖4所示,利用光耦實現(xiàn)PWM弱信號與IGBT功率電路電氣隔離,以保證DSP控制系統(tǒng)的安全性。
IGBT發(fā)射極以5 V為參考信號。當輸入PWM端為低電平時,光耦初級導通,光耦次級輸出20 V,通過R3加到IGBT門極,以5 V為參考信號,則IGBT門射極電壓為15 V,IGBT導通;當PWM端為高電平時,光耦初級截止,光耦次級輸出0V,以5 V為參考信號,則IGBT門射極電壓為-5 V,IGBT關斷。發(fā)光二極管用于指示IGBT開關狀態(tài)。
2.6 光電編碼器信號檢測電路
為擴大發(fā)電機變速范圍,需要轉速信息實現(xiàn)弱磁功能。對于轉速的測量這里采用旋轉編碼器。編碼器信號A,B,Z通過二極管和電阻構成的電平轉換電路送至DSP捕獲引腳。同時利用電阻和電容構成低通濾波器濾除高頻干擾。
3 實驗研究
實驗采用的PMSG參數(shù)為:額定電壓190V,額定電流6.2A,額定轉速1 500r/min,額定功率1.5 kW,額定頻率50 Hz,極對數(shù)2,直軸電感12.765 mH,交軸電感7.695 mH,定子電阻1.2 Ω,轉子磁鏈感應到定子側0.42 Wb。電動機轉速通過開環(huán)調節(jié)電樞電壓方法控制??刂浦芷跒?0μs,電壓環(huán)PI調節(jié)器比例系數(shù)為0.018,積分系數(shù)為0.33,定子磁鏈給定為0.42 Wb,轉矩最大限定為10 N·m,轉矩滯環(huán)寬度為0.05 N·m,直流電壓給定為270 V,圖5示出其控制結構。
[!--empirenews.page--]
為了驗證該控制系統(tǒng)設計的可行性,編制了PMSG DTC軟件進行了實驗研究,圖6示出其主要軟件流程。
系統(tǒng)啟動時,為避免IGBT流過過大的沖擊電流,實驗利用6個IGBT體內6個二極管預先對直流端濾波電容充電。軟件中設置的整流狀態(tài)即完成該功能。發(fā)電機轉速為1 000r/min,采用6個約390 Ω功率電阻并聯(lián)作為負載,圖7為穩(wěn)態(tài)發(fā)電波形。由實驗結果可見,直流電壓為270 V,定子磁鏈幅值控制為0.42 Wb,且磁鏈軌跡為圓形。由圖可見,硬件系統(tǒng)運行可靠。
圖8為給定電壓270 V,負載電阻由130 Ω突變到78 Ω的動態(tài)響應波形。由于直流電機轉速沒有閉環(huán)控制,因此當突加負載后,發(fā)電機的轉速由1 000 r/min降至857 r/min,發(fā)電機處于變速變負載運行考驗。由圖可見,電壓恢復時間約為75 ms;轉矩由-5 N·m增至-8.5 N·m??梢娫谧兯僮冐撦d過程中,系統(tǒng)仍能穩(wěn)定輸出270 V電壓。
4 結論
以TMS320F2812型DSP為核心,設計了一套DTC永磁同步270 V高壓直流發(fā)電系統(tǒng)。實驗結果表明,該DSP資源可最大限度滿足PMSG DTC270 V高壓直流發(fā)電系統(tǒng)的設計需要,系統(tǒng)成本低廉;系統(tǒng)工作實時性好,控制周期為30μs,滿足DTC策略對PMSG電磁轉矩及定子磁鏈快速控制的需要;系統(tǒng)工作可靠,在變速變負載情況下穩(wěn)定輸出270 V直流電壓;該硬件系統(tǒng)設計將為DTC永磁同步直流發(fā)電系統(tǒng)控制策略的深入研究奠定良好的基礎。