DSP基于模型的异步电动机的直接转矩控制

逄海萍,张真真

(青岛科技大学 自动化与电子工程学院,山东 青岛　266042)



DSP基于模型的异步电动机的直接转矩控制

逄海萍,张真真

(青岛科技大学 自动化与电子工程学院,山东 青岛266042)

摘要针对传统DSP代码编程繁琐、程序修改复杂、效率低等缺点,研究一种基于模型的编程方法。该方法结合Simulink中的Embedded Target for TI C2000 DSP模块对算法进行搭建,然后利用Real-Time Workshop完成代码自动生成并下载到DSP中,具有编程简单、容易对算法进行修改、效率高等优点。以TMS320F2812DSP作为控制器,将这种方法应用于异步电机的直接转矩控制DTC系统的设计,实验中电机能够平稳运行并拥有良好的起动、制动性能,结果表明这种方法具有可行性和高效性的特点。

关键词DTC;TMS320F2812 DSP;模块化编程;异步电机

随着现代电力电子技术的迅猛发展,智能化、数字化、集成化已成为发展的趋势,数字信号处理器(DSP,digital signal processor)因其有运算速度快、控制能力强的特点而被广泛应用在运动控制领域[1]。传统的DSP设计开发将控制算法与软件编程分开、代码编写复杂,开发周期长、费用高,市场竞争力非常小[2],利用基于模型设计技术可以解决这些问题。该技术诞生于20世纪90年代中期,经过十多年的发展与逐步完善已被广泛接受[3]。它借助Matlab/Simulink中的模块对算法进行搭建,然后由计算机来完成嵌入式实时C代码的编程工作[4],这样就能够使设计者将更多的精力投入到算法的研究上。近年来,这项新技术在国外已应用到一些大型创新项目上,在国内也逐渐得到发展。在电力电子、运动控制领域,已有一些基于模型化设计的方法用在了设计DSP控制器上[5],还有一些应用在SVPWM和SPWM控制算法模型[6-9],永磁同步电机的DSP控制系统上[10]。

直接转矩控制(DTC,direct torque control)是一种新型的交流变频调速技术,控制异步电机时拥有优越的动静态性能。但目前将DTC模块化算法应用在异步电机控制上的案例还很少[11],我们以TMS320F2812 DSP为控制芯片,借助Matlab/ Simulink中的Target Support Package for Texas Instruments C2000中模块搭建DTC算法,通过Real-Time Workshop自动生成代码下载到DSP中,完成对异步电机的控制。最后由实验结果来验证这种方法的正确性与可行性。

1异步电机的直接转矩控制

直接转矩控制系统是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,只需知道定子侧电阻,通过简单的计算就能控制电动机的磁链和转矩,不需要将交流电动机转化成等效直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂的计算。选择定子磁链作为被控量,计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响,提高了控制系统的鲁棒性。

直接转矩控制系统是电压型控制系统,控制没有电流环,控制手段均为空间电压矢量,在它的转速环里,利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩,其控制原理如图1所示。

图1　异步电机直接转矩控制Fig.1　Block diagram of direct torque control of asynchronous motor

检测电机的电压电流,经过3/2变换,然后对定子磁链和转矩进行估算,与设定值进行比较,根据定子磁链幅值偏差Δψs的正负符号和电磁转矩偏差ΔTe的正负符号并经过磁链和转矩滞环比较,再依据当前定子磁链矢量ψs所在的位置进行扇区判断,直接选取合适的电压空间矢量,减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差,实现电磁转矩和定子磁链的控制。

用DSP作为控制器实现直接转矩控制,若用C语言编程,则工作量非常大,而采用基于模块化的编程方法来实现电机的控制,就会变得简单实用,而且可以大大提高开发效率。

2DSP模型化算法设计过程

TMS320F2812是TI公司一款功能非常强大的32位定点DSP,它有强大控制功能和丰富的端口资源,主频为150 MHz,广泛应用于工业自动化、电力转换系统等各种领域[12]。建立基于DSP模型化的算法,首先在Matlab/Simulink图形平台上搭建DTC控制算法的系统模型,经过RTW自动生成代码,然后通过CCS IDE编译、链接生成目标代码下载到目标DSP板中,完成对异步电机的控制,其模型化项目设计过程如图2所示。

3基于模型设计的直接转矩控制

3.1主程序模块

在该设计中利用Hardware interrupt模块来实现主程序调用子程序算法调度。其使用方法如图3所示。图3中ADC trigger为搭建的子程序算法。在异步电机的DTC控制系统中,仅需一个ADC触发中断,所以Hardware Interrupt模块中仅需设置一个中断。

图2　模型化项目设计过程Fig.2　Process of modeled project design

图3　主程序框图Fig.3　Block diagram of main program

使用Real-Time Workshop前要在主界面加入Target Preferences模块用来设置模型IDE、板型和处理器型号等。将板型选择为SD F2812 eZDSP,CPU的时钟频率选择为150 MHz,然后根据实际需要来对DSP的工作参数、存储器、段及外设硬件资源进行相应设置。

3.2直接转矩控制模块

系统设计中ADC trigger模块是中断子程序,里面包含的是异步电机直接转矩的控制模块,如图4所示,其中包括磁链和转矩计算模块、转速调节器模块、Clarke变换模块、脉冲产生模块、PWM模块。

图4　模块化的DTC算法Fig.4　Modularized DTC algorithm

利用DSP的ADC模块采集电压、电流,经过数据转换进行磁链和转矩的计算[13],得到实际的磁链与转矩,实际的定子磁链与设定的磁链比较后经过定子磁链调节器得到定子磁链幅值偏差的符号函数SF和扇区的选择,实际转速与设定转速的偏差经过速度调节器得到期望的电磁转矩Te*,然后与经过Clarke变换得到的实际的电磁转矩Te相减,经过转矩调节器得到电磁转矩偏差的符号函数ST,SF、SS、ST和Te*经过脉冲产生模块结合DSP的PWM模块共同产生PWM波来控制电机。其中,速度调节器为PID算法调节,定子磁链调节器和转矩调节器都是带有滞环的双位式控制器。

(1)磁链和转矩计算模型直接转矩控制系统需采用两相静止坐标(αβ坐标)计算定子磁链[14],定子磁链在α、β轴上的分量计算方法为

(1)

其中:ψsα、ψsβ为定子磁链在(α、β)的分量;usα、usβ为定子电压在(α、β)的分量;isα、isβ为定子电流在(α、β)的分量;Rs为定子侧电阻。由式(1)可知定子磁链的计算只与定子侧电压、电流及其电阻有关 。

在静止两相坐标系中电磁转矩表达式为

(2)

其中:Te为电磁转矩;Pn为极对数。

磁链和转矩计算模型在Matlab中的编程框图如图5所示。

图5　磁链和转矩的模型Fig.5　Models of flux linkage and torque

(2)Clarke模块直接转矩控制系统需要静止坐标变换,所以需要将DSP F2812 ADC模块引脚上的数据经过D/A转换得到模拟量的电压电流,然后经过Clarke变换为αβ坐标下的值,用于后面定子磁链与电磁转矩的计算,数据的采集以及转换如图6所示。

C281x ADC的配置如下:模块选择为A,转换方式为Sequential,转换开始为EVA,采样时间为-1,数据类型为int16,勾选转换后传递中断,转换通道为三个,选择多通道输出。

(3)脉冲产生模块利用DSP2812的EVA事件管理器单元来实现PWM波形输出,由SF、ST、SS和Te*联合产生三个数放入三个不同的比较寄存器(PWM1、PWM3、PWM5比较寄存器)中,如图7所示。然后与设置好的T1PR(定时周期寄存器)中的值进行比较来产生PWM波。

图6　电压电流的Clarke变换Fig.6　Clarke transformation of voltage and current

图7　脉冲产生模块Fig.7　Pulse generation module

C281x PWM模块是Matlab C28x DSP Chip Support Library中的模型,用来产生PWM波形,具体配置如下:波形周期源选择specify via dialog,这样可以人为设定周期值;波形类型选择symmetric (up-down),这样可以输出对称的PWM;时钟频率选取为75 MHz,Timer prescaler选为1/128;使其能输出PWM1~PWM6,其中PWM1、PWM3、PWM5为低有效,PWM2、PWM4、PWM6为高有效;设计PWM1/PWM2、PWM3/PWM4、PWM5/PWM6的死区时间,配置死区定时器预定标因子和死区定时器周期,这样能够避免上下两个管子同时导通。

3.3速度检测模块

利用正交编码脉冲模块QEP来测量转速,进行脉冲计数,速度检测模块如图8所示。

将变换后的速度通过To Memory将采集的电机转速写进地址为8000的寄存器中,通过图4中的From Memory读取实际的速度来达到速度的闭环控制。其中,QEP的配置为:模式选择为A,计数模式为Counter,初始计数为0,定时器周期为65 535,采样时间为0.01 s,数据类型为int16。

图8　速度检测模块Fig.8　Speed detection module

3.4自动代码生成

当完成算法模块的设计后,为联系CCS 开发环境,自动生成可靠的代码,在模型窗口对 Configuration Parameters进行配置,设置Solver的类型为 Fix-step和Discrete ,将 Real-Time Workshop中的System target file 改为 ccslink_ert.tlc,设置Embedded IDE Link 中的Build action为Build-and-execute ,点击模型窗口Build Model,就可以在 CCS 环境中自动完成代码生成、编译、连接并下载到目标开发板。

4实验结果

将设计好的模型算法下载到DSP中,用来控制异步电机,其主要参数为:额定功率PN=100 W,额定电压UN=220 V,额定电流IN=0.48 A,额定转速nN=1 420 r/min,定子电阻Rs=50 Ω,给电机设定转速,然后对电机起动、制动和抗负载扰动进行观察。图9为电机的起动、制动波形,图10为电机的抗干扰性能的波形图,图11为定子的磁通轨迹。图9和图10中的虚线为给定转速波形,实线为电机实际运行波形。

由图9可见,电机拥有良好的起动制动性能,在起动阶段电机快速升到给定转速,在制动阶段电机缓慢减速至零。由图10可见当突加或突减负载时,转速的波动性很小,表明系统的抗干扰能力很强,鲁棒性很好。由图11中的定子磁通轨迹可见,磁通轨迹近似为圆形,且在容差范围内波动,表明实际定子磁通的幅值近似等于给定磁通的幅值,且在给定的允许误差范围内。由以上实验数据可知,电机在这种控制方法下运行状况良好,从而也证明了基于模型编程这种方法的可行性和正确性。

图9　电机的起动和制动Fig.9　Startup and brake of motor

图10　电机的抗干扰性能Fig.10　Anti-disturbance performance of motor

图11　定子磁通轨迹Fig.11　Magnetic flux trail of stator

5结论

在异步电机的直接转矩控制系统中采用模型化设计算法,通过在Matlab/ Simulink中搭建算法模块,然后通过RTW将其自动转换为代码下载到DSP中。实验结果表明这种方法在控制电机时有非常好的效果。设计过程表明该方法简单、高效,避免了C语言编程的复杂性和对寄存器配置的难题,这样能够让设计者有更多的时间专心研究和优化算法,同时也能降低开发成本,缩短开发周期。对以后复杂算法的验证提供了良好的平台,在电力电子和运动控制领域有良好的应用前景。

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Direct Torque Control of Asynchronous Motor of DSP Based on Model

Pang Haiping,Zhang Zhenzhen

(CollegeofAutomationandElectronicEngineering,QingdaoUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266042,China)

AbstractOne programming method based on model was researched in allusion to that traditional DSP had defects,such as complicated programming of code,complicated modification of program,low efficiency,etc.,generated codes automatically by using Real-Time Workshop and downloaded them to the DSP after building up the algorithm by combining Embedded Target for TI C2000 DSP module in Simulink,with advantages,such as simple programming,easy modification to algorithm,high efficiency,etc.The motor in the experiment could run stably and had excellent starting and braking performances when the method was applied to the design of direct torque control DTC system of the asynchronous motor by taking TMS320F2812DSP as the controller,and during the application,the feasibility and high efficiency of the method were verified.

Key wordsDTC;TMS320F2812 DSP;Modularization programming;Asynchronous motor

中图分类号:TP311.1

文献标志码:A

文章编号:1004-0366(2016)01-0045-06

作者简介:逄海萍(1964-),女,山东青岛人,博士,教授,研究方向为伺服电机的驱动与控制、现代交流调速.E-mail:panghp123@163.com.

基金项目:国家自然科学基金(60940018,61104004);山东省自然科学基金(ZR2011FQ006).

收稿日期:2015-03-19;修回日期:2015-05-23.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.011.

引用格式:Pang Haiping,Zhang Zhenzhen.Direct Torque Control of Asynchronous Motor of DSP Based on Model[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):45-50.[逄海萍,张真真.DSP基于模型的异步电动机的直接转矩控制[J].甘肃科学学报,2016,28(1):45-50.]