TMS320F2808直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻器設(shè)計(jì)

引言
    直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后，近二十幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型的交流調(diào)速控制技術(shù)。因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及對(duì)參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，所以它已經(jīng)成為現(xiàn)代傳動(dòng)控制領(lǐng)域交流電機(jī)調(diào)速的主要控制策略。但是由于是一種新技術(shù)，大多只停留在理論研究和討論上。
    本文根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，以TI公司生產(chǎn)的TMS320F2808為主控芯片，設(shè)計(jì)了一個(gè)全數(shù)字化直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻器系統(tǒng)，并給出了電流、電壓檢測(cè)電路和數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理
    直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)就是通過速度傳感器得到感應(yīng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n；與給定轉(zhuǎn)速n*比較通過速度調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩給定值，速度調(diào)節(jié)器一般采用PI控制器；由傳感器得到電機(jī)定子電流和電壓值，輸入感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩估計(jì)器得到定子磁鏈的幅值|ψs|和轉(zhuǎn)矩實(shí)際值Te；
實(shí)際轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)矩給定值經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器處理后得到轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號(hào)TQ；定子磁鏈給定值與磁鏈計(jì)算值|ψs|經(jīng)磁鏈調(diào)節(jié)器產(chǎn)生磁鏈開關(guān)信號(hào)ψQ；區(qū)間判斷根據(jù)定子磁鏈分量得到定子磁鏈所在區(qū)間信號(hào)SN，開關(guān)信號(hào)選擇單元綜合磁鏈開關(guān)信號(hào)ψQ、轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號(hào)TQ和磁鏈位置信號(hào)SN，通過查表得到正確的電壓開關(guān)信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的準(zhǔn)確運(yùn)行。
    直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 主回路
    為使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維護(hù)方便，本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖2為基于TMS320F2808的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

    系統(tǒng)主電路采用典型的交-直-交電壓型變頻結(jié)構(gòu)，整流環(huán)節(jié)采用單相橋式不可控整流電路。設(shè)計(jì)中整流二極管的額定電壓選取值為800 V。逆變電路采用的智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)是Cyntec公司的IMl3400，該模塊內(nèi)部封裝了6個(gè)IGBT。而直流中間電路的主要元器件是大容量的電解電容，考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍為220 V±10％，則濾波電容器的耐壓值應(yīng)大于1．1×220×1．414。因此選擇額定電壓為400 V的電解電容器。
2．2 控制回路
    采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2808為主控芯片。TMS320F2808對(duì)上電次序沒有特定的要求，并且提供了4個(gè)高精度的ePWM，為數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更多的方便。[!--empirenews.page--]
2．2．1 TMS320F2808的供電電源電路
    TMS320F2808的供電電源電路如圖3所示。選用TI公司生產(chǎn)的TPS70151為TMS320F2808處理器供電。TPS70151是一款雙路LDO的集成電路穩(wěn)壓器，具有上電次序控制和上電復(fù)位功能，輸出為500 mA／3．3 V和250 mA／1．8 V。

2．2．2 PWM信號(hào)隔離電路
    本設(shè)計(jì)的PWM信號(hào)選用TMS320F2808的EPWMxA單元輸出，DSP與IPM模塊之間存在電壓信號(hào)隔離問題。PWM信號(hào)隔離電路如圖4所示，采用SN74LVCC4245A來(lái)完成。DIR接數(shù)字地(N1)，信號(hào)的傳輸方向?yàn)閺腁到B。UP、VP、WP、UN、VN、WN分別與IPM模塊的PWM信號(hào)輸入引腳相連，U+、V+、W+、U-、V-、W-分別與DSP的EPWMlA、EPWMlB、EPWM2A、EPWM2B、EPWM3A、EPWM3B引腳連接。

2．2．3 電壓、電流檢測(cè)電路
    在直接轉(zhuǎn)矩控制中，為了計(jì)算實(shí)際定子磁鏈，需要檢測(cè)定子電壓和電流。一般情況下定子電壓檢測(cè)需要使用兩個(gè)霍爾電壓傳感器，電路的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，所以本文改為檢測(cè)直流母線電壓。電壓檢測(cè)電路如圖5所示。選用HCPL-788J隔離放大器光耦進(jìn)行直流母線電壓檢測(cè)。隔離放大器光耦價(jià)格相對(duì)便宜，電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅可以采集電壓信號(hào)，而且可以實(shí)現(xiàn)過電壓的保護(hù)。

    電流的檢測(cè)采用的是兩個(gè)電流傳感器，選取的型號(hào)為TBC-05SY，屬于閉環(huán)霍爾電流傳感器。其額定輸入電流為5 A，測(cè)量電流范圍為±15 A，額定輸出電壓為±(4+O．5％)V，零電流失調(diào)±20 mV，線性度≤0．1％FS(FS為電流傳感器的量程)。電流檢測(cè)電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    控制程序主要分為兩部分：主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序主要完成系統(tǒng)各常量和變量的定義以及各個(gè)寄存器的初始化工作，包括各控制變量定義、常量的定義和賦初值，以及CPU時(shí)鐘、I／O口、中斷向量表、定時(shí)器、A／D轉(zhuǎn)換器和片內(nèi)寄存器的初始化等。而中斷服務(wù)子程序中主要完成數(shù)據(jù)采樣、定子磁鏈計(jì)算、電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算、電壓空間矢量選擇和PWM脈沖形成等工作。圖7為主程序和中斷服務(wù)子程序流程。[!--empirenews.page--]

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后，利用Matlab7．2軟件對(duì)測(cè)試所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制并作出了相應(yīng)的擬合直線。電壓、電流檢測(cè)電路數(shù)據(jù)檢測(cè)曲線與擬合直線對(duì)比圖如圖8、圖9所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)作為直接轉(zhuǎn)矩控制策略的硬件平臺(tái)，具有抗干擾能力強(qiáng)、電壓電流保護(hù)措施良好、軟件可移植性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論
    本文完成了基于TMS320F2808的直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻器的設(shè)計(jì)。其具有電路簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)擁有完善的保護(hù)措施，對(duì)各種故障都能夠提供有效的保護(hù)，大大延長(zhǎng)了變頻器的使用壽命。