基于直接轉矩控制的異步電動機變頻調速

徐大鵬

（內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020）

基于直接轉矩控制的異步電動機變頻調速

徐大鵬

（內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020）

闡述了隨著現代電力電子技術的發展，變頻調速已由傳統的正弦脈寬調制技術向直接轉矩技術發展。早期的控制電路由于工作速度慢，運算周期長等缺點，已不再適應快速的變頻調速技術，直接轉矩控制作為新的控制方法已取代了原來在控制電路中的位置[1]。著重分析了單片機芯片中控制類芯片80C196MC所具有的特點，提出以80C196MC為核心實現異步電動機調速的數字化控制方案，針對80C196MC的獨特性能進行了控制電路的硬件電路設計，并進行了軟件編程，實現異步電動機的DTC控制。

異步電動機；正弦脈寬調制控制；直接轉矩控制

0 引言

直接轉矩控制變頻調速技術DTC（Direct Torque Control），是繼矢量控制變頻調速技術之后發展的新型高效變頻調速技術。1985年德國魯爾大學教授首先提出直接轉矩控制理論，在很大程度上解決了矢量控制中運算、控制復雜、特性易受交流電動機參數變化影響的缺點。直接轉矩控制技術自誕生之日起就以其獨特新穎的控制思想，直接明了的系統結構，優良的靜態、動態特性受到了普遍重視，并得到了迅速發展[2]。

1 DTC的特點

a）直接轉矩控制在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制交流電動機的磁鏈和轉矩,無需將交流電動機與直流電動機進行比較、等效和轉化，所以信號處理更加簡單，便于對交流電動機的物理過程作出直接明確的判斷[3]。

b）直接轉矩控制磁場定向是用定子磁鏈，這樣知道了定子電阻就可以將其測量出來，大大減少了矢量控制時控制性能易受參數變化影響的問題[4]。

c）直接轉矩控制采用空間矢量分析三相交流電動機的數學模型，控制各物理變量，使復雜問題簡單化。

d）直接轉矩控制強調的是轉矩的控制效果，采用離散的電壓狀態和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡。其控制方式是通過轉矩兩點式調節器把轉矩監測值與轉矩給定值作滯環比較，將轉矩波動限制在一定的容差范圍內，容差的大小由頻率調節器進行控制。因此，其控制效果取決于轉矩的實際情況，控制既直接又簡化。

2 控制電路的硬件設計

2.1 控制電路的硬件設計

由單片機控制的變頻調速系統原理框如圖1所示，本系統以Intel公司的80C196MC為控制核心，主要由整流器、濾波環節、逆變器、檢測環節及控制回路組成。下面具體地說明一下圖中的各個硬件組成部分的具體設計和各個參數的計算，見圖1。

圖1 控制電路的硬件設計結構圖

a）系統主電路采用典型交—直—交電壓源型變頻器結構，整流環節采用單相橋式不控整流模塊，逆變電路功率器件采用智能功率模塊，中間直流環節加大電容濾波以獲得平滑的直流電壓，電網電壓經橋式整流后對直流母線上的濾波電容充電，串聯限流電阻R1是為限制過大的充電電流。若不用限流電阻，當系統合閘時會有相當大的充電電流，可能燒毀濾波大電容和整流模塊。限流電阻只在電容剛開始充電時進行限流，當電容兩端的電壓充到一定值時，繼電器K吸合，使限流電阻R1短路。電路中電容C2、二極管VD和電阻R4構成一個典型的吸收緩沖電路。主回路工作時，因為功率器件開關頻率很高，開關動作時會在直流環節中產生電流突變，若直流環節存在電感，則可能在功率器件兩端產生很大的尖峰電壓，吸收緩沖電路的作用就是吸收消除此尖峰電壓。電容電壓的檢測用電阻R2和R3分壓進行檢測，分別控制繼電器K和過壓保護電路。功率器件采用三菱公司智能絕緣柵雙極型晶體管模塊。內含過壓、過流、過熱保護，是一種新型的功率器件。具有驅動電路簡單、可靠性高等優點。

b）系統控制電路包括了80C196MC的電路板以及以該板為核心分別擴展的數字信號處理板和模擬信號處理板，分別完成頻率給定、按鍵選擇調制方式及顯示、低頻補償給定等功能，并對各種故障信號進行綜合處理形成總的故障信號送入單片機的Exetint故障中斷入口。

2.2 整流電路設計

下面以確定的三相異步電動機為例詳細介紹各個部分電路作用原理及元件參數。

整流電路采用單相不控整流將交流電變成直流電。整流二極管的選擇為通過二極管的峰值電流。

考慮濾波電容充電電流的影響，需要留有較大的電流裕量，選用Ie=2 A。

選擇800V電壓定額。根據以上確定的額定參數，選用ZP5型硅整流二極管。

2.3 中間濾波環節設計

整流電路輸出的直流電壓含有脈動成分，逆變部分產生的脈動電流及負載變化也使直流電壓脈動，因此要加大電容濾波環節。在沒加濾波環節時，單相整流輸出平均直流電壓為

加上濾波電容后，UDC的最大電壓可近似認為達到交流線電壓的峰值

濾波電容理論上越大越好，考慮到體積和價格，選用2個330μf/450 V的電容相并聯，總電容量為660μf，耐壓值為450V。

2.4 IPM的選擇

逆變電路的功率器件選用智能功率模塊，該模塊內含柵極驅動電路、邏輯控制電路以及欠壓、過流、短路、過熱等保護電路，模塊的主電路部分共分為5個端子，即直流電壓輸入端+、-，三相交流電壓輸出端U、V、W，控制部分共有18個端子，用于脈寬調制信號輸入、故障信號輸出及驅動電源等，驅動電源為4組+15 V電源，單片機生成的脈寬調制信號需要通過光耦合器隔離后輸入。該智能模塊的應用，減小了裝置的體積，提高了變頻系統的性能與可靠性。

IPM的參數選擇如下。

IGBT正反向峰值電壓為

考慮1.5～2倍的安全系數，取電流額定為2.5A。

由以上IGBT參數計算，可選用型號為PM20CSJ060的IPM，設計以IPM為功率器件的逆變電路。

2.4.1 驅動電源

a）驅動電源必須采用四組隔離電源。上橋臂每相各用一組電源，下橋臂三相共用一組。四組驅動電源的隔離度應達到1 200 V。

b）驅動電源電壓在13.5～16.5 V之間，IPM能夠正常工作。若電源電壓高于16.5 V，則IGBT因驅動電源過高，保護性能得不到充分的保證，高于20V時IGBT管的柵極會損壞，因此不能加這么高。若電源電壓低于13.5 V，IGBT驅動電源電壓不足，這時控制信號為無效操作。典型的工作值一般取15V。

2.4.2 控制信號輸入

由單片機產生的6路PWM信號需要經光耦隔離后再輸入IPM。控制信號輸入端需連接上拉電阻以防止由于d u/d t的作用而產生誤動作。

2.4.3 IPM的自保護功能

IPM有精良的內置保護電路以避免因系統失控或過載而使功率器件損壞。如果IPM模塊其中有一種保護電路動作，IGBT柵極驅動單元就會關斷電流并輸出一個故障信號（FO）。以下介紹各保護功能的工作情況。

a）驅動電源欠壓鎖定（UV）。內部驅動電路由一個15V直流電源供電。如果由于某種原因這一電源電壓低于規定的欠壓動作值（UV），該功率器件將被關斷并輸出一個故障信號。如果小毛刺干擾時間小于規定的td，則不影響驅動電路工作，欠壓保護電路不予理睬。

b）過熱保護（OT）。在靠近IGBT芯片附近的絕緣基板上已安裝一個溫度傳感器。如果基板溫度超過過熱動作數值（OT），IPM內部控制電路將關斷下橋臂的3個IGBT，上橋臂IGBT的關斷不受其影響，直到溫度恢復正常，從而保護了功率器件。

c)過流保護（OC）。如果流過IGBT的電流超出過流動作數值（OC） 的時間大于tO，IGBT將被關斷tO=10μf，同時輸出一個故障信號。若過流時間小于tO，則過流保護電路不予理睬。

d）短路保護（SC）。如果負載發生短路或因系統控制器故障而導致上下橋臂同時導通，IPM內置短路保護將關斷IGBT，同時輸出一個故障信號。

雖然IPM內含有相應保護電路，但在實際運行中不能長期過載，因此當系統輸出故障信號FO后應立即送入控制系統的中斷口，產生中斷，立即停止運行并封鎖送到IPM的輸入信號，在排除了故障之后再啟動運行。

3 控制電路的軟件設計

3.1 主程序的設計

為了獲得良好的運行結果，編制精確、合理、完善的控制軟件是十分重要的，在軟件設計時，為調試方便，程序采用模塊化結構，即分為主程序和中斷服務程序，主程序完成調制方式選擇、波形發生器初始化、相關寄存器賦值等任務，中斷服務程序完成U相、V相、W相的對應比較寄存器應裝載值的運算。圖4、圖5為程序框圖。

圖4 主程序流程圖

圖5 中斷服務子程序流程圖

4 結論

本文基于目前傳統的脈寬調制技術，研究了應用80C196MC單片機控制的脈寬調制變頻調速系統，并在此基礎上進行各種控制策略的研究，用匯編語言編制控制程序實現正弦波脈寬調制和電壓空間矢量脈寬調制，生成PWM波實現了對異步電機的變頻調速。本項研究現已應用于浙江大學開發的異步電動機變頻調速控制箱上，在矢量控制的基礎上，更加完善了控制箱的變頻調速功能。

［1］ 陳國呈.PWM變頻調速及軟開關電力變換技術［M］.機械工業出版社，2002.

［2］ 付娟.交流調速技術［M］.電子工業出版社，2002.

［3］ 馮垛生，鄧則名.電力拖動自動控制系統［M］.廣東高等教育出版社，1998.

［4］ 馬小亮.大功率交—交變頻調速及矢量控制技術［M］.機械工業出版社，2003.

DTC-based Variable Frequency Speed Control of Asynchronous Motor

XU Da-peng
（Inner Mongolia Electric Power Research Institute，Hohhot，Inner Mongolia 010020，China）

With the development of power electronic technology，the variable frequency speed control technology develops from traditional SPWM to DTC.With low speed and long calculating period，the early MCU control circuit can not fit for the high speed of variable frequency speed control technology.Being a new control core，DTC has already replaced MCU in control circuit.This paper introduces the characteristics of control chip 80C196MC in DSP，and puts forward 80C196MC-centered digital controlling scheme to achieve the speed control of asynchronousmotor.According to the particular characteristics of 80C196MC，the hardware circuit in control circuit is designed and the process is programmed with software.All of these aim to carry out the DTC control in asynchronousmotor.

asynchronousmotor；SPWM control；DTC

TM343；TM344.6

A

1671-0320-（2011）03-0065-04

2011-02-20，

2011-04-06

徐大鵬（1980-），男，遼寧朝陽人，2007年畢業于內蒙古工業大學電力電子與電力傳動專業，從事電力系統高電壓試驗工作。