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摘 要

直接转矩控制 ( DTC )是一种新型的高性能的交流调速控制技术，具有结构简单、动静态性能良好等优点。而随着电力电子技术、专用芯片以及控制理论的发展，应用先进的控制算法，开发全数字化的运动控制系统已成为新一代运动控制系统设计发展方向。本文介绍了三相异步电动机直接转矩控制的基本原理及TMS320F2812DSP芯片的主要特点和性能，给出了控制系统的设计方案和硬软件的实现方法。采用模型参考自适应的方法搭建了全速范围内基于电流误差方程的速度辨识模型。实验结果表明：该交流调速系统硬件电路简单、控制精度较高，具有良好的性能。

关 键 词：三相异步电机,直接转矩控制,数字信号处理器,速度辨识

Abstract:Direct torque control(DTC) technology is a high-performance adjustable speed method with fast torque response，which has many advantages such as simple structure and excellent dynamic and static performance etc. With the development of power electronics，specific integrated chips and control theory，applying new motion control algorithm and developing full digital control system have become mainstream research.This paper introduces the basic principle of three phase asynchronous motor direct torque control and the main characteristics and performance of TMS320F2812DSP chip，the design scheme of the control system is given and the realization of the hard and software method. Using model reference adaptive method，set up a full range based on the current. Error equation of speed identification model.The experimental results show that the ac speed control system hardware circuit is simple，high control precision，has the good performance.

Keywords:three-phase induction motor，Direct Torque Control，digital signal processor，speed estimator

目 录

1 绪论 5

1.1 交流调速技术的发展与现状 6

1.2 直接转矩控制的原理和特点 6

2 直接转矩控制基本原理及电机模型 7

2.1 异步电机的稳态模型 7

2.2 逆变器与电压空间矢量 10

2.3 直接转矩控制的基本原理 12

2.4 磁链模型与磁链调节器 13

2.5 转矩模型与转矩调节器设计 14

2.6 磁链扇形区间判断 15

2.7 通过转矩和磁链以及扇形区间选择最优开关控制量 16

3 系统硬件设计 17

3.1 TMS320F2812的主要特点 17

3.2 DSP的事件管理模块 18

3.3 A/D转换模块 18

3.4 串行外设接口SPI和串行通讯接口SCI 19

3.5 电流检测采样电路及限幅保护电路 20

3.6 电压采样电路 22

3.7 速度检测电路 22

4 DSP的软件设计 23

4.1 DSP软件设计的编程语言 23

4.2 系统软件设计 23

4.3 系统程序的总体结构 23

4.4 系统主程序 24

4.5 串行口中断服务程序模块 24

4.6 驱动功率保护中断 25

4.7 通用定时器中断服务程序模块 26

4.8 电压空间矢量PWM波的产生 28

结论 29

参考文献 30

致谢 31

附录 32

1 绪论

现代社会中,不仅在工农业生产、国防、科技而且在日常生活等各个方面,电动机都被作为主要的动力设备。由于采用的电流制式不同，可将电机分为交流和直流两种,其中交流电动机形式多样、用途各异、拥有量最多。交流电动机又可细分为同步电动机和异步(感应)电动机两大类。在实际应用中,电动机要具有较高的机电能量转换效率;二由生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。因为电动机的调速性能对提高产品质量和劳动生产率及节省电能有着根本性的影响。所以,调速技术一直是研究的热点。

1.1 交流调速技术的发展与现状

因为直流电是最早被普遍应用的电源,所以最早的电气传动方式就是直流传动。在20世纪30年代以后,直流调速系统被广泛应用。直流电机具有优异的转矩控制性能,改变电枢电流就能简便而线性地、无时间滞后地控制转矩。因此长期以来,只要要求调速范围广、速度控制精度高和动态响应性能好的场合,直流电动机调速系统都被广泛应用。从19世纪90年代后,交流电产生了,三相交流电的输送和分配问题被解决了,经济适用的鼠笼式异步电动机被发明出来了,所以交流电气传动在工业中被得到了广泛应用。近十几年来,科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创提供了有利的技术条件和物质基础。交流电动机的调速系统不仅性能同直流电动机的性能一样,而且成本和维护费用与直流电动机系统比更低,可靠性更高。今天,由于电力电子技术、数字控制技术和控制策略的快速发展及应用,交流调速传动系统被广泛的应用。

1.2 直接转矩控制的原理和特点

直接转矩控制就是就是根据计算得出的反馈值（转速、电流）（没有实际值，因为在电机内部安装传感器并不实用，一般反馈量都是计算出来的）与给定值相比较，根据偏差（两种：转矩和磁链）大小，选取适当的电压矢量（开关状态）。电压矢量对定子磁链进行控制（幅值，相位），从而改变转矩。

直接转矩控制的优点(l)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、控制电动机的磁链和转矩,计算过程简单。(2)直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链,通过定子电阻即可观测。而矢量控制磁场定向所用的转子磁链的观测需要知道电动机的转子电感和电阻。因此直接转矩控制减少了矢量控制中控制性能易受参数变化影响的问题。(3)直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析异步电动机的数学模型和控制其各物理量,使问题变得简单明了。(4)直接转矩控制是直接将转矩作为被控量,直接对其进行控制而不是像矢量控制那样通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩。

2 直接转矩控制基本原理及电机模型

2.1 异步电机的稳态模型

三相异步电机主要有定子和转子组成，其中定子和转子中间的是空气缝隙^[1]，另外还包括外围的端盖、风扇、机座等部件。下面就主要涉及到的定子、转子做介绍。绕线式的异步电机定子和转子的绕线组接线方式如下：

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