直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制(DTC)具有控制結構簡潔，對電機參數(shù)依賴少，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，以補償轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)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(zhuǎn)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(qū)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(diào)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(diào)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(qū)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(qū)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(zhuǎn)換成電壓信號，通過電壓跟隨器后輸出送至A／D調(diào)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(diào)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。

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2．5 驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)速信息實現(xiàn)弱磁功能。對于轉(zhuǎn)速的測量這里采用旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁鏈感應到定子側(cè)0．42 Wb。電動機轉(zhuǎn)速通過開環(huán)調(diào)節(jié)電樞電壓方法控制。控制周期為30μs，電壓環(huán)PI調(diào)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(zhuǎn)矩最大限定為10 N·m，轉(zhuǎn)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。

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    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(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速沒有閉環(huán)控制，因此當突加負載后，發(fā)電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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。