基于FPGA的電機DSVM直接轉矩控制實現

樓 忠 興

（浙江義烏工商學院計算機工程系, 浙江 義烏 322000）

基于FPGA的電機DSVM直接轉矩控制實現

樓 忠 興

（浙江義烏工商學院計算機工程系, 浙江 義烏 322000）

針對傳統直接轉矩控制方案中轉矩波動問題，提出了一種基于離散空間矢量調制(DSVM)技術的電機直接轉矩控制(DTC)的控制系統。該系統采用FPGA作為核心器件，極大地減少了分離元件的使用，具有極大的靈活性、擴展性和通用性，抗干擾能力強。仿真和實驗結果證明了所提出的基于 DSVM 電機直接轉矩控制算法能夠有效減小轉矩脈動。

直接轉矩控制；DSVM；FPGA

引言

直接轉矩控制技術(簡稱DTC)是繼矢量控制之后又一高性能的交流變頻調速技術[1]。其是根據磁鏈、轉矩要求，從幾種電壓空間矢量中選取一個最佳矢量，使得電機在特定狀態運行。電壓矢量的選擇依賴于電磁轉矩誤差、定子磁鏈誤差和磁鏈角?；局苯愚D矩控制使用的優化矢量開關表，一個采樣周期只輸出一個電壓矢量，在低速時轉矩脈動將會比較大[2]。在DSVM技術中,每個采樣周期分為3個相等的時間段，每個時間段中作用1個電壓矢量。改變這3個電壓矢量的作用順序，不會改變最終的控制目標,但是對轉矩脈動有很大影響。通過分析每個采樣周期中的轉矩波形，得到優化的電壓矢量選擇表[3]。

FPGA是當今應用最廣泛的一類可編程專用集成電路 ASIC（Application Specified Integrate Circuit）。電子設計工程師利用它可以在辦公室或實驗室里設計出所需要的專用集成電路，從而大大縮短了產品上市時間，降低了開發成本。FPGA是一種將門陣列的通用結構與 PLD的現場可編程特性結合于一體的新型器件，可以實時地對外加或內置的 RAM 或 EPROM編程，實時地改變器件功能，極大地提高了電機控制系統設計的靈活性和通用性[4]。

1 基本直接轉矩控制原理

直接轉矩控制的原理圖如圖1所示，主要包括：電機模型、速度PI調節、轉矩和磁鏈調節器、開關狀態表、逆變器等幾個部分。

圖1中直接轉矩控制系統通過檢測定子電壓、電流計算出定子磁鏈ψ、電磁轉矩T和轉速ω，由磁鏈得到磁通角，由磁通角得到定子磁鏈所在扇區。將磁鏈和電磁轉矩的計算值與給定磁鏈值 ψ、轉矩參考值T的差值分別送入磁鏈調節器與轉矩調節器，根據磁鏈調節器和轉矩調節器的輸出控制信號以及定子磁鏈所在扇區查找開關狀態表，得到逆變器的開關信號，驅動逆變器產生三相電壓以驅動電機。為了更好地控制轉速，引入轉速閉環控制單元，給定速度?ω和反饋速度ω的差值進入速度調節器，經PI運算后得到轉矩的參考值?T，以增強控制系統的抗干擾能力。

圖1 直接轉矩控制系統的基本原理框圖

2 離散空間矢量調制技術

2.1 電壓矢量對轉矩的影響

異步電動機在定子坐標系下的數學模型，可寫成空間矢量的形式。

式中：vs——定子繞組電壓；_

M——定子和轉子繞組之間的互感；

Ls——定子繞組的自感；

Lr——轉子繞組的自感；

p——電機極對數；

ωm——轉子電角速度；

根據上列公式，可求得對于一個循環周期tΔ內，定、轉子在 t1+k時刻的磁通表達式為

則在 t1+k時刻，力矩可按照下式重新計算得到：

結合上述三式，并忽略tΔ的平方項，可得到t1+k時刻電磁力矩為：

2.2 離散空間電壓矢量的產生

低速時轉矩和電流脈動與電壓矢量的數目是有密切關系的?；局苯愚D矩控制使用的優化矢量開關表，一個采樣周期只輸出一電壓矢量，在低速時轉矩脈動將會比較大。若把一個采樣周期分為多個時間段，每個時間段輸出不同的電壓矢量，從而可以合成許多新的電壓矢量。在一個采樣周期中，根據輸入的磁鏈、轉矩信號，輸出盡可能多的電壓矢量，則轉矩和電流脈動相應就會減小。然而電壓矢量數量的增加需要定義非常復雜的開關表[5]。但若將一采樣周期分為三個時間段不需要太復雜的開關表，且可使得轉矩和電流波動的明顯減小，因此可以在脈動補償及復雜的電壓選擇策略中取得一個較好的折衷。

如圖2所示，假設定子磁通在扇區1，則基本直接轉矩控制會根據磁通、轉矩的估計值和給定值的差來決定使用u0、u2、u3、u5或u6中的某一個電壓矢量。

圖2 定子磁鏈在扇區1可使用的電壓矢量

采用三時間段離散電壓矢量調制技術，可以用到19個電壓矢量，如圖3所示。每個交點表示一個綜合電壓矢量的終點，例如：665表示由空間電壓矢量u6、u6和u5合成，23Z表示由u2、u3和一個零電壓矢量合成，5ZZ則表示由u5和兩個零電壓矢量合成。每個矢量占用三分之一的控制輸出周期時間。電壓矢量的數量增加可定義更加準確的開關表以便能夠根據轉子速度選擇電壓矢量。開關表可通過分析施加的電壓矢量與相應的轉矩和磁鏈變化聯系的方程來推導。

圖3 三時間段用電壓矢量

2.3 開關表的定義

充分利用離散電壓調制可用的19個電壓矢量，考慮低速、中速和高速三個區域，綜合電壓矢量對轉矩的作用受反電動勢的影響，定義了四個開關表。低速區和中速區各一個開關表,高速區兩個開關表。同時，為細分磁鏈和力矩變化，開關表中將磁鏈滯環比較器分成兩層，力矩滯環比較器分成五層。

假定電機逆時針旋轉，磁通位于高速區，若力矩給定信號增加，則有四個矢量 333、332、223、222可供使用，333、332使磁鏈減小，223、222使磁鏈增加。

3 FPGA在實現DSVM直接轉矩控制中的應用

基于FPGA的電機DSVM直接轉矩控制系統如圖4所示。FPGA采用Xilinx公司的Spantan-II系列的XC2S100—5 PQ208型芯片。

控制模塊是整個系統的核心部分。它包括若干功能模塊，其中最主要的任務是利用 XC2S100實現DSVM—DTC的PWM信號產生。其他模塊是為了產生相應PWM信號的外圍輔助功能電路，其任務包括與上位機進行串口通信，接受A/D轉換信號及光電編碼信號的輸入等。

圖4 DSVM—DTC功能模塊圖

4 仿真

圖5為給定轉速ω=100r/min，負載轉矩T=150N·m時系統仿真曲線。從圖5可以看出，基于DSVM的直接轉矩控制的轉矩響應曲線有了明顯改善。圖6為給定轉速ω=100r/min，在系統穩定運行后突加負載轉矩T=150N·m時系統仿真曲線。從圖6可以看出，在突加負載情況下，基于DSVM的直接轉矩控制系統的動態響應時間較短，且轉矩沒有明顯波動。

5 實驗

實驗中用到的電機參數為：功率P=2kW，定子電阻 Rs=0.56? ， 轉 子 電 阻 Rr=0.77?,定 子 電 感Ls=0.0656H，轉子電感 Lr=0.0711H，定轉子互感Lm=0.0543H。電機額定轉速ne=1500r/min。

圖5 恒定轉速、恒定負載時系統仿真曲線

圖6 恒定轉速、突加負載時系統仿真曲線

圖7(a)為傳統基本直接轉矩控制效果。直接轉矩控制中轉矩波動比較大；圖7(b)則是采用了DSVM的直接轉矩控制后的轉矩階躍響應曲線。由圖可見，轉矩的脈動相對而言大為減小。

圖7 轉矩響應曲線

6 結束語

基于DSVM的直接轉矩控制結構簡單、轉矩響應速度快、對參數變化魯棒性強，同時該技術針對傳統直接轉矩控制低速時脈動大的缺點，將一個控制周期分成多個時間段，利用多個電壓矢量進行合成輸出，使得低速時轉矩脈動有效降低。使用FPGA技術開發的直接轉矩控制數字芯片，其主頻快，控制周期短，有利于電機平穩轉動，可以方便地實現基于DSVM的直接轉矩控制算法。

[1] 李夙. 異步電動機直接轉矩控制[M]. 北京：機械工業出版社，2001: 41-97.

[2] 郭前崗, 李耀華, 孟彥京. 直接轉矩控制中電壓矢量對電磁轉矩的影響[J]. 中小型電機, 2004,31(6):6-9.

[3] 劉賢興, 黃旦旦, 等. 基于DSVM異步電動機直接轉矩控制系統. 江蘇大學學報（自然科學版）[J]. 2005, 26(3):257-260.

[4] 徐志軍, 徐光輝. CPLD/FPGA的開發與應用[M].電子工業出版社, 2002.

[5] 姚偉, 金陽, 殷雄. 采用離散空間電壓矢量調制方法的異步電機直接轉矩控制[J]. 浙江工業大學學報, 2002, 30(1):17-20.

The Application of FPGA in DTC Control System Based on DSVM

LOU Zhong-xing
(Department of Computer ,Yiwu Industrial & Commercial College, Yiwu 322000, China)

Direct torque control using the pure integral voltage model for torque observation will cause the fluctuations of torque. An improved direct torque control (DTC) system based on discrete space vector modulation (DSVM) is presented. FPGA is used as the core of the system, it implements the most logic functions. The distinctive advantages of the system are flexible,expandable, stable, simple and compact. The simulation and experimental results show the feasibility of the new method.

direct torque control; DVSM; FPGA

TM343.01.2

A

1000-3983(2010)02-0034-04

2008-08-20

樓忠興（1967-），1989年畢業于安徽工學院應用電子技術專業，主要從事自動化裝備研發和教學工作，實驗師。