异步电机的直接转矩设计

卜闪闪 吕珊珊

（永城职业学院，河南 永城 476600）

异步电机的直接转矩设计

卜闪闪 吕珊珊

（永城职业学院，河南 永城 476600）

异步电动机应用于工业生产的各个领域，而直接转矩控制具有计算简单、对电动机参数依赖性小、动静态性能优良的特点使它成为当前异步电动机控制中最重要的控制策略。本文从异步电机数学模型入手，通过对逆变器开关状态分析得到空间电压矢量，给出了直接转矩控制系统的基本结构，采用DSP作为控制系统核心处理芯片，采用智能功率模块作为系统的功率开关元件开发控制系统的硬件结构。

直接转矩控制；异步电机；DSP

1 引言

异步电动机直接转矩控制技术是近年来发展起来的一种新型高性能交流调速技术。它是利用电压型逆变器的工作过程，控制定子磁链的走走停停的，也就控制了定子磁链和转子磁链的夹角，从而对电机直接转矩进行直接控制。

异步电机，具有坚实、维护少、适应环境广、容量大、高压和转速高的特点，但实现高性能控制比较难。随着电力电子技术的发展，微电子技术的快速发展，高性能微处理器的引入，新的控制理论的提出为交流异步电机控制提供了机会。

直接转矩控制技术，是用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系上计算与控制交流电机的转矩，借助于双位模拟调节器产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换，其控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩相应迅速，是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。

2 硬件设计

所有的电动机控制系统都需要一套硬件作为控制策略的载体，这里我们就要对直接转矩控制系统的硬件部分进行设计。直接转矩控制系统的硬件包括主电路和控制电路，系统的硬件图见图2.1。

图2.1系统硬件图

从图2.1可见，直接转矩控制系统包括整流电路、功率驱动电路、转速检测电路、电流电压检测电路及LED显示部分。

(1) 整流电路

整流电路的主要作用就是将交流电源转换成逆变器所需要的直流电源。

(2) 功率驱动电路

功率驱动部分的核心器件是智能功率模块IPM，它是第三代功率器件，优点：驱动电流小，开关速度快，控制驱动就更为简单，电流传感器可以快速的检测出过电流和短路电流，对功率芯片有足够的保护作用，报警信号输出到外部，可确保系统停止活动。

此次设计中的IPM是三菱公司的PM20CTM060，此型号耐压600V，允许的最大电流时20mA，直流母线电压的输入端是P、N，而U、 V、 W分别为经变换后的电压信号，与电动机的三相连接；UP, VP, WP, UN, VN, WN分别对应着六个功率开关的控制端，它们是由控制电路板传来的开关信号控制的，根据此开关信号实现IPM内部功率开关的开启与关闭；IPM内有保护电路，可以实现欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。如果IPM模块中有一种保护电路动作了，IGBT栅极驱动单元就会关断门极电流且输出一个故障信号FO。IPM故障信号FO经高速光耦TLP521-1隔离后送到TMS320LF2407的PDPINTA引脚，当有故障发生时，PDPINTA引脚为低电平，TMS320LF2407的PWM1-6引脚输出被置为高阻状态，同时进入PDPINTA_ISR保护中断程序，进行保护设置，从而达到保护IPM的目的。

(3)电流检测部分

由于电机定子三相电流之和为0，所以检测了a、b两相电流之后，就可以知道 c相的电流，所以需要两个电流传感器。霍尔传感器输出的是弱电流信号，所以必须将该电流信号转换为电压信号，因为霍尔传感器输出的是有正负方向的电流信号，其转换得到的电压信号也是有正负方向的。

(4) 电压检测部分

不管对主电路器件及电动机的保护，还是对直流侧和交流输出电压的计量和显示，乃至高性能控制策略的实施都经常需要直流电压的瞬时值或有效值。变频器主电路中间环节的电压信号的检测可采用电阻分压、线性光耦、电压互感器和霍尔传感器等。

(5) 转速检测部分

测速发电机输出的电压信号通过一电压跟随器变成相应的速度信号送至 DSP芯片的ADC单元，经A/D变换可得相应的转速值。

(6) 显示部分

为增加系统控制的灵活性，我们采用一个4X4的薄模键盘作为系统各给定信号和控制信号的输入端口。系统中的显示电路是显示转速给定、速度给定等。

3 软件设计

设计软件时，应在保证实现系统软件功能的前提下尽量减少程序的计算量，满足电机控制系统软件对实时性的要求。本系统的软件结构主要由一个循环执行的主程序、定时器1中断子程序、故障中断子程序、和输出更新子程序。

(1)主程序

主程序是一个循环程序，它不断的扫描各类标志和DSP端口的变化，判断是否调用其他子程序，包括显示、输出更新、采样等。

(2)定时器1中断程序

定时器1中断程序主要负责电压、电流、转速的信号采样，通过ADC转换得到电压、电流、转速的数字值，以便进行速度的PI调节。

(3)故障中断程序

故障中断程序是在DSP的PDPINTA引脚被拉为低电平时产生的中断处理程序，软件关闭PWM输出，报警进入死循环。

(4)输出更新子程序

输出更新子程序是对AD转换后并调整后的电压、电流、转速数字信号进行3/2变换，再通过公式计算得到定子磁链连和转矩，之后进行磁链间判断、磁链和转矩调节，最后，得到控制量并更新输出。更新输出的程序是软件的核心内容。

4 结束语

直接转矩控制技术并不是通过电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，这就保证了优良的静、动态性能。直接转矩控制是在定子坐标系下分析交流电动机模型的，这样省去了矢量变换等复杂的变换和计算，简化了结构，易于用数字化控制元件实现；采用电压空间矢量的概念分析电机模型和控制各物理量，让问题简单明了，易于理解；因为采用的是定子磁链轴，只要知道定子电阻就可以把它观测出来，从而减小了电机参数对性能的影响。

[1]李凤 .异步电机的直接转矩控制【M】.北京：机械工业出版社,1994.1-81

[2]王兆安, 黄俊 .电力电子技术【M】.北京:机械工业出版社,2009

[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统【M】．北京：机械工业出版社，2003．

G322

B

1007-6344（2015）07-0057-01

卜闪闪（1987.10—），女，河南夏邑人，助教，主要从事电机与电气相关专业的教学与研究。