0  引言

　　直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control——DTC），國外的原文有的也稱為Direct self-control——DSC，直譯為直接自控制，這種“直接自控制”的思想以轉(zhuǎn)矩為中心來進(jìn)行綜合控制，不僅控制轉(zhuǎn)矩，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過控制電流、磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制，其實(shí)質(zhì)是用空間矢量的分析方法，以定子磁場(chǎng)定向方式，對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的。1985年德國魯爾大學(xué)的狄普布洛克（M.Depenbrock）教授首先提出了基于六邊形乃至圓形磁鏈軌跡的直接轉(zhuǎn)矩控制理論，他稱為Direct self-control——DSC。這種方法不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而是直接在電機(jī)定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實(shí)現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)性能。

　　直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后，近二十幾年發(fā)展起來的一種新型的交流調(diào)速控制技術(shù)。因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及對(duì)參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，所以它已經(jīng)成為現(xiàn)代傳動(dòng)控制領(lǐng)域交流電機(jī)調(diào)速的主要控制策略。但是由于是一種新技術(shù)，大多只停留在理論研究和討論上。

　　本文根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，以TI公司生產(chǎn)的TMS320F2808為主控芯片，設(shè)計(jì)了一個(gè)全數(shù)字化直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻器系統(tǒng)，并給出了電流、電壓檢測(cè)電路和數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

1  直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理

　　直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)就是通過速度傳感器得到感應(yīng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n；與給定轉(zhuǎn)速n*比較通過速度調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩給定值，速度調(diào)節(jié)器一般采用PI控制器；由傳感器得到電機(jī)定子電流和電壓值，輸入感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩估計(jì)器得到定子磁鏈的幅值|ψs|和轉(zhuǎn)矩實(shí)際值Te；

　　實(shí)際轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)矩給定值經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器處理后得到轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號(hào)TQ；定子磁鏈給定值與磁鏈計(jì)算值|ψs|經(jīng)磁鏈調(diào)節(jié)器產(chǎn)生磁鏈開關(guān)信號(hào)ψQ；區(qū)間判斷根據(jù)定子磁鏈分量得到定子磁鏈所在區(qū)間信號(hào)SN，開關(guān)信號(hào)選擇單元綜合磁鏈開關(guān)信號(hào)ψQ、轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號(hào)TQ和磁鏈位置信號(hào)SN，通過查表得到正確的電壓開關(guān)信號(hào)來控制電機(jī)的準(zhǔn)確運(yùn)行。

　　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

2  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1  主回路

　　為使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維護(hù)方便，本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖2為基于TMS320F2808的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

　　系統(tǒng)主電路采用典型的交-直-交電壓型變頻結(jié)構(gòu)，整流環(huán)節(jié)采用單相橋式不可控整流電路。設(shè)計(jì)中整流二極管的額定電壓選取值為800 V。逆變電路采用的智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）是Cyntec公司的IMl3400，該模塊內(nèi)部封裝了6個(gè)IGBT。因此選擇額定電壓為400 V的電解電容器。

2.2  控制回路

　　采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2808為主控芯片。TMS320F2808對(duì)上電次序沒有特定的要求，并且提供了4個(gè)高的ePWM，為數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更多的方便。

2.2.1  TMS320F2808的供電電源電路

　　TMS320F2808的供電電源電路如圖3所示。選用TI公司生產(chǎn)的TPS70151為TMS320F2808處理器供電。TPS70151是一款雙路LDO的集成電路穩(wěn)壓器，具有上電次序控制和上電復(fù)位功能，輸出為500 mA／3.3 V和250 mA／1.8 V。

2.2.2  PWM信號(hào)隔離電路

　　本設(shè)計(jì)的PWM信號(hào)選用TMS320F2808的EPWMxA單元輸出，DSP與IPM模塊之間存在電壓信號(hào)隔離問題。PWM信號(hào)隔離電路如圖4所示，采用SN74LVCC4245A來完成。DIR接數(shù)字地（N1），信號(hào)的傳輸方向?yàn)閺腁到B。UP、VP、WP、UN、VN、WN分別與IPM模塊的PWM信號(hào)輸入引腳相連，U+、V+、W+、U-、V-、W-分別與DSP的EPWMlA、EPWMlB、EPWM2A、EPWM2B、EPWM3A、EPWM3B引腳連接。

2.2.3  電壓、電流檢測(cè)電路

　　在直接轉(zhuǎn)矩控制中，為了計(jì)算實(shí)際定子磁鏈，需要檢測(cè)定子電壓和電流。一般情況下定子電壓檢測(cè)需要使用兩個(gè)霍爾電壓傳感器，電路的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，所以本文改為檢測(cè)直流母線電壓。電壓檢測(cè)電路如圖5所示。

　　電流的檢測(cè)采用的是兩個(gè)電流傳感器，選取的型號(hào)為TBC-05SY，屬于閉環(huán)霍爾電流傳感器。其額定輸入電流為5 A，測(cè)量電流范圍為±15 A，額定輸出電壓為±（4+O.5％）V，零電流失調(diào)±20 mV，線性度≤0.1％FS（FS為電流傳感器的量程）。電流檢測(cè)電路如圖6所示。

3  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　控制程序主要分為兩部分：主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序主要完成系統(tǒng)各常量和變量的定義以及各個(gè)寄存器的初始化工作，包括各控制變量定義、常量的定義和賦初值，以及CPU時(shí)鐘、I／O口、中斷向量表、定時(shí)器、A／D轉(zhuǎn)換器和片內(nèi)寄存器的初始化等。

4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后，利用Matlab7.2軟件對(duì)測(cè)試所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制并作出了相應(yīng)的擬合直線。電壓、電流檢測(cè)電路數(shù)據(jù)檢測(cè)曲線與擬合直線對(duì)比圖如圖8、圖9所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)作為直接轉(zhuǎn)矩控制策略的硬件平臺(tái)，具有抗干擾能力強(qiáng)、電壓電流保護(hù)措施良好、軟件可移植性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

5  結(jié)論

　　本文完成了基于TMS320F2808的直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻器的設(shè)計(jì)。其具有電路簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)擁有完善的保護(hù)措施，對(duì)各種故障都能夠提供有效的保護(hù)，大大延長(zhǎng)了變頻器的使用壽命。