基于TMS320F2812的感应电机直接转矩控制实现
1??引言
????自直接转矩控制(DTC)技术提出之后，DTC技术已取得了很大的发展。与矢量控制相比，它的控制思想新颖，省掉了复杂的矢量变化，克服了矢量控制系统对电机转子参数的依赖性和控制系统的复杂性等缺点，是一种具有优良静、动态性能的交流调速方法[1]。
?????基于开关表格的DTC控制(ST-DTC)是最常用的一种DTC控制技术，它计算定子磁链和电磁转矩，并分别与参考值进行滞环比较，根据差值的范围，从已有的开关表中选择合适的电压空间矢量，控制逆变器的开关状态，使定子磁链和转矩保持基本恒定[1][2][3]。
????本文对ST-DTC进行原理性介绍，并建立了以TMS320F2812?DSP为控制核心，二极管整流桥和IPM等功率器件为主电路，以及相应的检测电路和通信电路构成的实验系统。通过此实验系统验证了ST-DTC方案的可行性。
2??DTC基本控制思想
(1)?磁链控制
定子磁链:??
?????????????
如果忽略定子电阻压降，则上式可表示为:
?
???????????????????????????????
从式(2)可以得知，定子磁链的变化量的大小与作用定子电压矢量的大小和作用时间成正比，且的变化方向与作用定子电压矢量的方向一致[1]。
(2)?转矩控制
电磁转矩:?????????
?????为漏感系数。
理论分析表明:转子磁链在定子磁链作用下的动态响应是一阶低通滤波特性，即随着定子电压的作用，定子磁链的旋转速度迅速变化，而转子磁链由于一阶滤波特性始终保持平均转速，从而得到转矩角(定子磁链矢量和转子磁链矢量之间的夹角)的迅速变化[2][3]。
同时从式(3)得知，电磁转矩与转矩角的正弦成正比，转矩角迅速变化，就可得到电磁转矩的迅速变化[1][2][3]。
通过上面的分析可知，控制逆变器不同的开关状态，即控制定子电压空间矢量，从而控制定子磁链的大小、旋转方向和旋转速度，同时可以控制转矩角的大小变化，也就可以控制电磁转矩的大小变化，这就是DTC的基本控制思想[2][3]。
3??ST-DTC控制
ST-DTC控制的原理图如图1所示。
图1????ST-DTC控制原理图
????电磁转矩计算:
????ST-DTC控制中，从已有开关表格中选取所需的电压矢量。为了便于选取电压矢量，将空间分为6个区域，用θ(N)来表示[1]，则每个区域所包含的范围为:
，式中＝1，2，3，4，5，6
定子磁链参考值Ψs*与计算值Ψs作比较，其偏差经过滞环比较器，如图2(a)所示，产生数字量FΨ;?转矩参考值T*由转速偏差(n*-n)经PI调节得到，T*与转矩计算值T作比较，其偏差经过滞环比较器，如图2(b)所示，产生数字量Fr;?同时计算磁链角γs，可得到θ(N)。根据?FΨ、FT、θ(N)，图3为定子电压空间矢量图，可以从附表所示的开关数据表中选择合适的空间电压矢量[1][2][3]，从而控制逆变器的运行状态。
图2????磁链及转矩的滞环比较器
图3????定子电压空间矢量
附表????ST-DTC中开关数据表
4??实验系统硬件实现
????试验系统硬件原理图如图4所示。
图4????实验系统硬件原理图
4.1?系统主电路
????主电路由调压器，二极管整流桥、预充电电路、滤波电路、放电回路，IPM(智能功率模块)，三相感应电机和直流发电机负载组成。
二极管整流桥:选用SanRex公司的DF30AC160模块，30A/1600V/6U。
IPM模块:选用Sanken公司的SP50Z6C模块，50A/1700V/7U。
预充电电路由10Ω功率电阻和继电器OMIH-SS-124LM并联组成。系统开始工作时，继电器断开，整流桥通过10Ω功率电阻向中间支撑电容充电。当支撑电容的电压值达到所需值时(实际实验时选值为400V)，闭合继电器，功率电阻被短路，整流桥直接向支撑电容充电，预充电过程结束。只有在预充电过程结束后，IPM才允许正常工作。
????系统采用电压型逆变方式，所以中间直流部分是支撑电容滤波。
????当系统停止工作时，需要泄放掉中间支撑电容的电能，所以设计了放电回路。
????三相感应电机型号为Y100L1-4，2.2kW/5.0A/380V/50Hz，1420r/min，定子绕组星形连接。
4.2?系统控制电路
(1)?直接转矩的控制算法需要较大的计算量，选择浮点系列DSP来完成算法是最合适的，但是如TMS320?VC33等浮点系列DSP都缺乏与电机控制相匹配的外设功能，难以实现复杂的电机控制。一种解决方法是双DSP实现，TMS320VC33实现算法，TMS320C240等实现电机的控制信号输出;一种解决方法就是选用高性能的定点系列DSP如TMS320F2812来单独实现。第一种方法中，虽然每个DSP都能很好的完成自己的任务，但是存在双DSP配合问题，实时性和控制性能难以保证。而采用TMS320F2812单独实现，虽然定点机制实现复杂的控制算法比较困难，但是较好的软件编程可以弥补这方面的不足，而且TMS320F2812本身的优良性能也可以弥补不足，同时TMS320F2812具有完善的外设功能来实现电机的控制。综合考虑，决定以TMS320F2812为核心来实现电机的控制。
????TMS320F2812是美国TI公司最新研制的数字信号处理器，是面向自动控制、工业自动化的第一款有片内FLASH的32位定点DSP。TMS320F2812最高主频150MHz，保证了信号的快速性和实时性。
????TMS320F2812和C/C++编译程序设计在一起，使程序员能够完全使用高级语言来开发控制应用，从而确保了实现代码编译的最高效率，可以大大减少软件设计的周期。
????除了高效率C/C++编辑程序，TMS320F2812还具备了32位计算能力，以及独特的算法库IQmath，使程序员能够很好地将浮点算法转换到定点器件上，使复杂的算法设计变得方便。
????预充电控制信号由TMS320F2812?I/O端口产生，经高速光耦TLP521-1隔离后控制继电器的导通和关断。
(2)?IPM内置有驱动电路，外围驱动电路由74ACT245?三态收发器和IPM专用高速光耦HCPL4504组成。TMS320F2812的EVA模块中3个比较单元产生6路PWM控制信号，经过驱动电路控制IGBT主管的导通和关断。
????IPM内置有保护电路，可以实现控制电压欠压保护、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，IGBT栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号Fo。
????IPM故障信号Fo经高速光耦TLP521-1隔离后送到TMS320F2812的PDPINTA引脚，当有故障发生时，PDPINTA引脚电平被拉低，TMS320F2812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)?中间直流电压检测:从电压传感器出来的信号经采样、滤波电路等，输入到TMS320F2812的ADC模块。电压传感器型号:TV100-AW/1000，比例为1000V:40mA。
(4)?定子相电流检测:TET电流传感器信号经采样、滤波电路等，输入到TMS320F2812的ADC模块。TET电流传感器型号:TV300-，匝比为1:2000。实验中，因为电流值较小，为了提高AD转换的精度，定子电流在穿过TET电流传感器时绕了30匝。
(5)?系统中采用光电编码器检测电机转速，光电编码器型号为E40S-100-3-2。此光电编码器每转输出100个脉冲，六线制。其中两根为电源线，三根为脉冲线(A、B、Z)，一根为屏蔽线。电源的工作电压为?+5～+24V直流电源，实验中采用+15V供电，适当提高了脉冲信号的驱动能力。
????光电编码器工作原理:当光电编码器的轴转动时A、B两根线都产生脉冲输出，A、B两相脉冲相差90°相位角，由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转。Z线为零脉冲线，光电编码器每转一圈产生一个脉冲，主要用作计数。A线用来测量脉冲个数，B线与A线配合可测量出转动方向。
????系统中光电编码器脉冲信号A、B输入到TMS320?F2812的捕获单元CAP1和CAP2，捕获单元捕获某个时间段内的脉冲个数，通过相应的公式，从而计算出电机转速和转动方向。
????实际实验中，变频器对光电编码器的脉冲信号干扰很大，所以设计了RC低通滤波电路。除了硬件的RC滤波电路外，TMS320F2812?的I/O端口本身都设计有数字滤波功能，适当的设置取得了较好的功效。而且在测速程序中，编写了软件的数字低通滤波，更进一步的滤除了干扰。
????实验中需要显示相应的一些数据，如中间直流电压值，给定频率值，电机转速值等。采用TMS320F2812?的SPI(串行外设接口)模块和数码管来实现。
(6)?SPI采用同步串行通信机制，有两种工作模式:主模式和从模式。SPI有四根线:时钟线SPICLK，接收主发送线SPISIMO，从发送主接收线SPISOMI，从发送使能线SPISTE。
????数码管采用MAX7219驱动，MAX7219是MAXIM公司的三线串行LED显示驱动器。系统中，两片MAX7219级联，驱动16个数码管显示相应的数据。
????实验中，SPI工作在主模式下，于是SPISTE端口被设置为通用I/O口，作为MAX7219的片选信号。SPISIMO与MAX7219的DIN端相连，而SPI只是发送数据，所以SPISOMI悬空，SPICLK与MAX7219的CLK端相连，从而达到同步串行通信的目的。
5??实验系统软件实现
????为了能够正常工作，系统中设置有两个相应的开关控制信号:系统启动开关量和电机启动开关量。系统程序包含主程序main()，定时器中断程序TIPINTA_ISR()，故障保护中断程序PDPINTA_ISR()，如图5、图6所示。系统采样周期为25us。
图5????main()流程图
图6????TIPINTA_ISR（）流程图
6??实验结果
????电机参数为:定子电阻2.9Ω，定子电感245.7?mH，转子电阻2.1Ω，转子电感253.2?mH，定转子互感238.4?mH。图7(a)和图7(b)所示为电机稳态运行时，逆变器的驱动波形，定子线电压波形。
图7????电机稳态运行的波形
7??结束语
由实验结果可得出如下结论:
（1)?本文所设计的以TMS320F2812?DSP为核心的控制系统各部分分工明确，能可*完成各自功能，且设计合理。
（2)?实验表明，三相感应电机的直接转矩控制方法能够较好的进行调速，控制精度高，实时性好，动态响应快。
ST-DTC控制也存在着一些不足，如开关频率变化，电流和转矩脉动较大，起动和低速性能差等，都有待进一步的研究[2][3]。
参考文献
[1]?叶?斌.?电力电子应用技术及装置.?北京:中国铁道出版社，1999
[2]?Kazmierkowski,?M.P.?Buja,?G.,“Review?of?Direct?Torque?Control?Methods?for?Voltage?Source?Inverter-Fed?Induction?Motors”,?Industrial?Electronics?Society,?2003.?IECON?''03.?The?29th?Annual?Conference?of?the?IEEE?,?Volume:?1,?2-6?Nov.?2003
[3]?Marino,?P.?D''Incecco,?M.?Visciano,?N.,?“A?comparison?of?direct?torque?control?methodologies?for?induction?motor”,?Power?Tech?Proceedings,?2001?IEEE?Porto,?Volume:?2,?10-13?Sept.?2001?Pages:6?pp.?vol.2
作者简介
王?伟(1982-)??男??北京交通大学电气工程学院硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动
1??引言
????自直接转矩控制(DTC)技术提出之后，DTC技术已取得了很大的发展。与矢量控制相比，它的控制思想新颖，省掉了复杂的矢量变化，克服了矢量控制系统对电机转子参数的依赖性和控制系统的复杂性等缺点，是一种具有优良静、动态性能的交流调速方法[1]。
?????基于开关表格的DTC控制(ST-DTC)是最常用的一种DTC控制技术，它计算定子磁链和电磁转矩，并分别与参考值进行滞环比较，根据差值的范围，从已有的开关表中选择合适的电压空间矢量，控制逆变器的开关状态，使定子磁链和转矩保持基本恒定[1][2][3]。
????本文对ST-DTC进行原理性介绍，并建立了以TMS320F2812?DSP为控制核心，二极管整流桥和IPM等功率器件为主电路，以及相应的检测电路和通信电路构成的实验系统。通过此实验系统验证了ST-DTC方案的可行性。
2??DTC基本控制思想
(1)?磁链控制
定子磁链:??
?????????????如果忽略定子电阻压降，则上式可表示为:
?
???????????????????????????????从式(2)可以得知，定子磁链的变化量的大小与作用定子电压矢量的大小和作用时间成正比，且的变化方向与作用定子电压矢量的方向一致[1]。
(2)?转矩控制
电磁转矩:?????????
?????为漏感系数。
理论分析表明:转子磁链在定子磁链作用下的动态响应是一阶低通滤波特性，即随着定子电压的作用，定子磁链的旋转速度迅速变化，而转子磁链由于一阶滤波特性始终保持平均转速，从而得到转矩角(定子磁链矢量和转子磁链矢量之间的夹角)的迅速变化[2][3]。
同时从式(3)得知，电磁转矩与转矩角的正弦成正比，转矩角迅速变化，就可得到电磁转矩的迅速变化[1][2][3]。
通过上面的分析可知，控制逆变器不同的开关状态，即控制定子电压空间矢量，从而控制定子磁链的大小、旋转方向和旋转速度，同时可以控制转矩角的大小变化，也就可以控制电磁转矩的大小变化，这就是DTC的基本控制思想[2][3]。
3??ST-DTC控制
ST-DTC控制的原理图如图1所示。
图1????ST-DTC控制原理图
????电磁转矩计算:
????ST-DTC控制中，从已有开关表格中选取所需的电压矢量。为了便于选取电压矢量，将空间分为6个区域，用θ(N)来表示[1]，则每个区域所包含的范围为:
，式中＝1，2，3，4，5，6定子磁链参考值Ψs*与计算值Ψs作比较，其偏差经过滞环比较器，如图2(a)所示，产生数字量FΨ;?转矩参考值T*由转速偏差(n*-n)经PI调节得到，T*与转矩计算值T作比较，其偏差经过滞环比较器，如图2(b)所示，产生数字量Fr;?同时计算磁链角γs，可得到θ(N)。根据?FΨ、FT、θ(N)，图3为定子电压空间矢量图，可以从附表所示的开关数据表中选择合适的空间电压矢量[1][2][3]，从而控制逆变器的运行状态。
图2????磁链及转矩的滞环比较器
图3????定子电压空间矢量
附表????ST-DTC中开关数据表
4??实验系统硬件实现
????试验系统硬件原理图如图4所示。
图4????实验系统硬件原理图
4.1?系统主电路
????主电路由调压器，二极管整流桥、预充电电路、滤波电路、放电回路，IPM(智能功率模块)，三相感应电机和直流发电机负载组成。
二极管整流桥:选用SanRex公司的DF30AC160模块，30A/1600V/6U。
IPM模块:选用Sanken公司的SP50Z6C模块，50A/1700V/7U。
预充电电路由10Ω功率电阻和继电器OMIH-SS-124LM并联组成。系统开始工作时，继电器断开，整流桥通过10Ω功率电阻向中间支撑电容充电。当支撑电容的电压值达到所需值时(实际实验时选值为400V)，闭合继电器，功率电阻被短路，整流桥直接向支撑电容充电，预充电过程结束。只有在预充电过程结束后，IPM才允许正常工作。
????系统采用电压型逆变方式，所以中间直流部分是支撑电容滤波。
????当系统停止工作时，需要泄放掉中间支撑电容的电能，所以设计了放电回路。
????三相感应电机型号为Y100L1-4，2.2kW/5.0A/380V/50Hz，1420r/min，定子绕组星形连接。
4.2?系统控制电路
(1)?直接转矩的控制算法需要较大的计算量，选择浮点系列DSP来完成算法是最合适的，但是如TMS320?VC33等浮点系列DSP都缺乏与电机控制相匹配的外设功能，难以实现复杂的电机控制。一种解决方法是双DSP实现，TMS320VC33实现算法，TMS320C240等实现电机的控制信号输出;一种解决方法就是选用高性能的定点系列DSP如TMS320F2812来单独实现。第一种方法中，虽然每个DSP都能很好的完成自己的任务，但是存在双DSP配合问题，实时性和控制性能难以保证。而采用TMS320F2812单独实现，虽然定点机制实现复杂的控制算法比较困难，但是较好的软件编程可以弥补这方面的不足，而且TMS320F2812本身的优良性能也可以弥补不足，同时TMS320F2812具有完善的外设功能来实现电机的控制。综合考虑，决定以TMS320F2812为核心来实现电机的控制。
????TMS320F2812是美国TI公司最新研制的数字信号处理器，是面向自动控制、工业自动化的第一款有片内FLASH的32位定点DSP。TMS320F2812最高主频150MHz，保证了信号的快速性和实时性。
????TMS320F2812和C/C++编译程序设计在一起，使程序员能够完全使用高级语言来开发控制应用，从而确保了实现代码编译的最高效率，可以大大减少软件设计的周期。
????除了高效率C/C++编辑程序，TMS320F2812还具备了32位计算能力，以及独特的算法库IQmath，使程序员能够很好地将浮点算法转换到定点器件上，使复杂的算法设计变得方便。
????预充电控制信号由TMS320F2812?I/O端口产生，经高速光耦TLP521-1隔离后控制继电器的导通和关断。
(2)?IPM内置有驱动电路，外围驱动电路由74ACT245?三态收发器和IPM专用高速光耦HCPL4504组成。TMS320F2812的EVA模块中3个比较单元产生6路PWM控制信号，经过驱动电路控制IGBT主管的导通和关断。
????IPM内置有保护电路，可以实现控制电压欠压保护、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，IGBT栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号Fo。
????IPM故障信号Fo经高速光耦TLP521-1隔离后送到TMS320F2812的PDPINTA引脚，当有故障发生时，PDPINTA引脚电平被拉低，TMS320F2812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)?中间直流电压检测:从电压传感器出来的信号经采样、滤波电路等，输入到TMS320F2812的ADC模块。电压传感器型号:TV100-AW/1000，比例为1000V:40mA。
(4)?定子相电流检测:TET电流传感器信号经采样、滤波电路等，输入到TMS320F2812的ADC模块。TET电流传感器型号:TV300-，匝比为1:2000。实验中，因为电流值较小，为了提高AD转换的精度，定子电流在穿过TET电流传感器时绕了30匝。
(5)?系统中采用光电编码器检测电机转速，光电编码器型号为E40S-100-3-2。此光电编码器每转输出100个脉冲，六线制。其中两根为电源线，三根为脉冲线(A、B、Z)，一根为屏蔽线。电源的工作电压为?+5～+24V直流电源，实验中采用+15V供电，适当提高了脉冲信号的驱动能力。
????光电编码器工作原理:当光电编码器的轴转动时A、B两根线都产生脉冲输出，A、B两相脉冲相差90°相位角，由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转。Z线为零脉冲线，光电编码器每转一圈产生一个脉冲，主要用作计数。A线用来测量脉冲个数，B线与A线配合可测量出转动方向。
????系统中光电编码器脉冲信号A、B输入到TMS320?F2812的捕获单元CAP1和CAP2，捕获单元捕获某个时间段内的脉冲个数，通过相应的公式，从而计算出电机转速和转动方向。
????实际实验中，变频器对光电编码器的脉冲信号干扰很大，所以设计了RC低通滤波电路。除了硬件的RC滤波电路外，TMS320F2812?的I/O端口本身都设计有数字滤波功能，适当的设置取得了较好的功效。而且在测速程序中，编写了软件的数字低通滤波，更进一步的滤除了干扰。
????实验中需要显示相应的一些数据，如中间直流电压值，给定频率值，电机转速值等。采用TMS320F2812?的SPI(串行外设接口)模块和数码管来实现。
(6)?SPI采用同步串行通信机制，有两种工作模式:主模式和从模式。SPI有四根线:时钟线SPICLK，接收主发送线SPISIMO，从发送主接收线SPISOMI，从发送使能线SPISTE。
????数码管采用MAX7219驱动，MAX7219是MAXIM公司的三线串行LED显示驱动器。系统中，两片MAX7219级联，驱动16个数码管显示相应的数据。
????实验中，SPI工作在主模式下，于是SPISTE端口被设置为通用I/O口，作为MAX7219的片选信号。SPISIMO与MAX7219的DIN端相连，而SPI只是发送数据，所以SPISOMI悬空，SPICLK与MAX7219的CLK端相连，从而达到同步串行通信的目的。
5??实验系统软件实现
????为了能够正常工作，系统中设置有两个相应的开关控制信号:系统启动开关量和电机启动开关量。系统程序包含主程序main()，定时器中断程序TIPINTA_ISR()，故障保护中断程序PDPINTA_ISR()，如图5、图6所示。系统采样周期为25us。
图5????main()流程图
图6????TIPINTA_ISR（）流程图
6??实验结果
????电机参数为:定子电阻2.9Ω，定子电感245.7?mH，转子电阻2.1Ω，转子电感253.2?mH，定转子互感238.4?mH。图7(a)和图7(b)所示为电机稳态运行时，逆变器的驱动波形，定子线电压波形。
图7????电机稳态运行的波形
7??结束语
由实验结果可得出如下结论:
（1)?本文所设计的以TMS320F2812?DSP为核心的控制系统各部分分工明确，能可*完成各自功能，且设计合理。
（2)?实验表明，三相感应电机的直接转矩控制方法能够较好的进行调速，控制精度高，实时性好，动态响应快。
ST-DTC控制也存在着一些不足，如开关频率变化，电流和转矩脉动较大，起动和低速性能差等，都有待进一步的研究[2][3]。
参考文献
[1]?叶?斌.?电力电子应用技术及装置.?北京:中国铁道出版社，1999
[2]?Kazmierkowski,?M.P.?Buja,?G.,“Review?of?Direct?Torque?Control?Methods?for?Voltage?Source?Inverter-Fed?Induction?Motors”,?Industrial?Electronics?Society,?2003.?IECON?''03.?The?29th?Annual?Conference?of?the?IEEE?,?Volume:?1,?2-6?Nov.?2003
[3]?Marino,?P.?D''Incecco,?M.?Visciano,?N.,?“A?comparison?of?direct?torque?control?methodologies?for?induction?motor”,?Power?Tech?Proceedings,?2001?IEEE?Porto,?Volume:?2,?10-13?Sept.?2001?Pages:6?pp.?vol.2
作者简介
王?伟(1982-)??男??北京交通大学电气工程学院硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动
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