感应电机直接转矩控制系统的初步实现.doc

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1、 摘 要1985年德国学者Depenbrock提出了异步电动机的直接转矩控制(Direct Torque Control)变频调速思想，直接转矩控制技术作为继矢量控制之后出现的一种新型的现代交流电机控制技术，以其控制简单、鲁棒性强、动态性能好等优点日益受到更多的关注。感应电机直接转矩控制系统也成为未来电机控制技术的发展方向之一。本文正是针对这一技术进行了一些研究。本文从异步电动机数学模型出发，根据传统直接转矩控制原理中电压矢量的选择方法，推导了一个优化的电压矢量选择表。利用该电压矢量表，直接根据定子磁链的轴分量，结合当前的磁链位置查表得到磁链电压，再根据转矩误差信号得出当前的电压矢量，对逆变器

2、的开关状态进行控制，产生适当的PWM信号，使电机的磁链沿近似六边形轨迹运动的同时获得高动态特性的转矩响应。本文利用基于AT89S52单片机的硬件系统，对六边形磁链轨迹控制PWM方法和直接转矩控制方案进行了实验研究，实现了控制系统的稳定运行。PWM全称为Pulse Width Modulation，简称脉宽调制，是将模拟信号转换为脉波的一种技术，一般转换后脉波的周期固定，但脉波的占空比会依模拟信号的大小而改变。关键词: 直接转矩;单片机;电压矢量表;PWMAbstractThe strategy of Direct Torque Control is one of the variable fr

3、equency speedcontrol scheme, which was developed in 1985 by Prof. Depenbrock. The Direct Torque Control (DTC) technique attracts more and more attention after VectoControl theory because of its robust characteristic, simple realization and excellent dynamic response. With the combination of these tw

4、o techniques,speed-sensorless DTC system become one of the directions for motor control technique in future. In this paper, the scheme is investigated thoroughly. On the basis of the mathematical model of induction machine, an optimized voltage vector selection table was deduced based onthe theory o

5、f the tradition DTC. By utilizing the vector selection table, we can get it directly from the voltage vector select table after we attained three values, that is, the pfractions of the stator flux and current position of it. According to the torque error signal, we can get the current voltage vector

6、 under which the inverter will produce relevant PWM voltage signal to the motor terminals. High dynamic response of torque control of the induction motor is achieved as the stator flux moves along a hexagon approximately. We developed a hardware system based on AT89S52 microcontroller and carried ou

7、t DTC experiment on it, realizing the successful operation of the system. PWM Full-calledPulseWidth Modulation,referredtoaspulse width modulation,the analog signalis converted toa technologyofthepulse.Key words DTC；Single-chip；voltage vector selection table；PWM目 录1 绪 论11.1 概述11.2 交流异步电机的控制策略分类11.3感应

8、电机控制技术中需解决的问题21.4本文的研究目的和意义32 异步电机数学模型和电压空间矢量42.1 异步电动机的数学模型42.2 电压空间矢量83控制系统硬件设计103.1 主电路的设计113.2 控制回路设计153.2.1 单片机154 系统软件设计194.1 直接转矩控制的原理194.1.1 定子磁链观测器204.1.2 磁链和转矩的控制204.1.3 磁链位置的判断224.1.4 电压矢量选择表224.2 主程序设计224.3 子程序设计235 实验结果分析25参考文献27致 谢29附 录301 绪 论1.1 概述现代电气传动技术以电机为控制对象、微处理器为控制核心、电力电子功率变换装置

9、为执行机构，在自动控制理论的指导下组成电气传动控制系统以达到控制电机转速或位置的目的。直流电机存在结构复杂，使用机械换向器和电刷，使它具有难以克服的固有的缺点，如造价高、维护难、寿命短、存在换向火花和电磁干扰，电机的最高转速、单机容量和最高电压都受到一定的限制，所以交流电机得以进入更多的领域并得到迅猛发展。交流变频调速以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，被国内外公认为最有前途的调速方式，成为当今节电、改善工艺流程以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。随着电力电子技术、微电子学、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电力传动领域正在发生着交流调速代替直流调

10、速和计算机数字控制技术代替模拟控制技术的革命。1.2 交流异步电机的控制策略分类(1) V/F控制当前异步电机调速总体控制方案中，V/F控制方式是最早实现的调速方式。该控制方案结构简单，通过调节逆变器输出电压实现电机的速度调节，根据电机参数，设定V/F曲线，其可靠性高。但是，由于其属于速度开环控制方式，调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域由于定子电阻的压降不容忽视而使电压调整比较困难，不能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以实现0.5%的精度，所以采用这种V/F控制的通用变

11、频器异步电机开环变频调速适用于一般要求不高的场合，如风机、水泵等机械。若开发高性能专用变频控制系统，此种控制方式不能满足系统要求。(2) 矢量控制矢量控制是当前工业系统变频系统应用的主流，它是通过分析电机数学模型对电压、电流等变量进行解藕而实现的。针对不同的应用场合，矢量控制系统可以分为带速度反馈的控制系统和不带速度反馈的控制系统。矢量控制变频器可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测和控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了变频调速，大大提高了电机控制静态精度和动态品质。转速精度约等于 0.5%，转速响应也较快。但其需要进行复杂的数学计算以及速度传感器的安装，使

12、得其稳定性大大的降低。(3) 直接转矩控制除以上两种调速方式之外，国际学术界比较流行的电机控制方案研究还有致力于直接控制电机输出转矩的直接转矩控制(DTC)。将电机输出转矩作为直接控制对象，通过控制定子磁场向量控制电机转速。将直接转矩控制和矢量控制进行对比，单从原理上分析，直接转矩控制和矢量控制没有太大的区别。直接转矩控制的特征是控制定子磁链，是直接在定子静止坐标系下，以空间矢量概念，通过检测到的定子电压、电流，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链和转矩，获得转矩的高动态性能。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量变换中的许多复杂计算，它也不需要模仿直流电动机的控制，从而也

13、不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，而只需关心电磁转矩的大小，因此控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易得到磁链模型，并方便地估算出同步速度信息，同时也很容易得到转矩模型，磁链模型和转矩模型就构成了完整的电动机模型，因而能方便地实现无速度传感器控制。(4) 智能控制在经典和各种近代的控制理论基础之上提出的控制策略都有一个共同点即控制算法都依赖于电机的数学模型，但当模型受到参数变化和扰动作用影响时，如何进行有效的控制，使系统仍能保持优良的动静态性能，便是人们需要研究的一个大课题。智能控制就随之产生。智能控制被认为是自动控制理论、运筹学、人工智能理论的

14、综合，是主要根据人工智能理论更加精确的模拟电机的非线性性，以此确定智能控制输出模型的输出量大小，进而确定功率控制器开关模式。得到实际应用的智能控制有专家系统、模糊控制、神经网络等，这将是电机控制的发展方向。1.3感应电机控制技术中需解决的问题单纯的利用电压模型或电流模型估算电动机的速度都是存在一定的不足的，以下列出了直接转矩控制系统的一些技术难题:(1)如何根据电机模型(包括电压模型以及电流模型)推算磁通以及电机的转速。(2)随着温度的升高，电机定子电阻和电机转子电阻的变化对系统的稳定性和速度控制精度会产生一定的影响，这个问题急需解决。(3)系统实际运行时，由于死区时间和电力电了器件IGBT下

15、理想性的影响，PWM逆变器存在输出误差，使得低速运行时性能不佳，如何实现输出电压的补偿。(4)直接转矩控制技术使得转速和磁通的计算算法复杂，需要具有一高信息处理能力的单片机支持。1.4本文的研究目的和意义感应电机是机电一体化产品，是多学科技术相结合的产物。它的驱动、控制更是和电了技术息息相关。因此，进行感应电机控制系统的研究对于我国工业现代化建设有一着重要的意义。感应电机虽然已经发展到相当成熟的阶段，但是对其直接转矩控制系统的研究还有一待于进一步深入，存在着比较大的发展空间。 感应电机传动系统需要对其速度和位置进行控制。高精度的电机系统对速度控制和位置控制提出很高的要求，相应的对传感器的要求也

16、随之提高。电机系统中传感器的存在阻碍了电机向高速化、小型化发展。因此，感应电机直接转矩控制技术的研究在高速电机、微型电机的控制和一些特殊场合具有一重要的意义。2 异步电机数学模型和电压空间矢量2.1 异步电动机的数学模型异步电动机的数学模型和直流电动机相比有着根本的的区别。异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。其原因有：第一，异步电动机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再加上机械系统的机电惯性，即使不考虑变频装置中的滞后因素，它至少也是一个七阶的系统；第二，在异步电动机中，磁通乘以电流产生转矩，转速乘以磁通得到旋转感应电动势。由

17、于这些因素都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项，这样一来，即使不考虑磁路饱和等因素，数学模型也是非线性的；第三，异步电动机只有一个三相电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，为了获得良好的动态性能，还希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能发挥出较大的转矩。在异步电机调速系统中，一般采用的数学模型都是基于理想的电机模型。该模型对异步电机作如下的几个基本假设：(1).异步电机的磁路是对称的，不计磁饱和的影响。(2).电机定转子三相绕组在结构上完全对称，在空间上互差120度，不计边缘效应。(3).定转子表面光滑，无齿槽效应，定转子每相气隙磁势在空间上呈正弦分布。(

18、4).磁饱和、涡流及铁芯损耗均忽略不计。图1 恒转矩负载下异步电动机在三相静止坐标系上的多变量数学模型1.电压方程定子三相绕组的电压平衡方程为： （1） 向量表示为：式中为三相定子电压；为三相转子电压；为三相定子电流；为三相转子电流；分别为定转子电阻；为三相定子磁链；为三相转子磁链。2.磁链方程每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和与六个绕组的磁链方程可以矩阵表达式为： （2）向量表示为：上式(2)中L是66电感矩阵，现对矩阵元素分析如下：对角线元素LAA、LBB、LCC、Laa、Lbb、Lcc为各绕组的自感；与电机绕组相交链的磁通有两类：一类是只与某一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通；另一类是穿过

19、气隙的主磁通。设为两相绕组平行时的互感，绕组漏感为。由于定转子折算后绕组匝数相等，认为Lm1=Lm2，则：定子三相绕组的自感LAA=LBB=LCC=Lm1+L1；转子三相绕组的自感；非对角线元素为定子绕组、转子绕组之间的互感和定转子绕组之间的互感。定子绕组位置固定相差120，所以定子绕组之间的互感为： （3）同理三相转子绕组之间互感为： （4）由以上的讨论写成分块矩阵为： （5）系数矩阵L中Lsr、Lrs为对称常数矩阵；但是Lsr、Lrs之间的关系为：Lsr、Lrs是三角函数矩阵，比较复杂，但是Lsr和Lrs互为转置关系，这是值得利用的特点。系统的强耦合非线性特性就是由Lsr、Lrs余弦函数矩

20、阵表达出来的。这就是异步电机控制非线性的根源所在。因为L阵是角位移的函数，故上式可进一步写成： （6）式中，为电动机的旋转角速度（用电角度表示）。3运动方程电动机的机械运动方程为： （7）式中，为电机额定输出转矩；为负载转矩；为电动机转轴上总的转动惯量；为电机极对数。4转矩方程根据机电能量转换原理，在多绕组电机中，在线性电感的条件下，磁场的储能和磁共能为： （8）三相异步电机的数学模型。 （9）由式可知异步电动机的数学模型比较复杂，本质上因为异步电动机是高阶、非线性、多变量和强耦合的系统，我们希望通过坐标变换使之简化。异步电动机的数学模型是建立在三相静止A、B、C坐标系上的，现在把它变换到任意

21、二相旋转d、q坐标系上，比原来的模型简单。图2 异步电机坐标模型该电机模型已经由实践所证实，图2显示了它的坐标模型。其中A、B、C为三相定子绕组轴线，d、q为等效两相电机模型轴线。由此物理模型，可推导得到任意速度旋转坐标系下异步电机的状态方程为：电压方程式: （10）电磁转矩方程式： （11）机电运动方程式： （12）从电机统一理论可知，在静止坐标系上的异步电动机的等值电路如图3所示。图3 异步电机空间矢量等效电路对于鼠笼式异步电机而言，Ur=0，为了方便下面对直接转矩控制的理论分析，现将-定子坐标系下的鼠笼式异步电机数学模型改用复数空间向量的形式表示如下： （14） （15） （16） （1

22、7）2.2 电压空间矢量直接转矩控制一般采用三相二点式电压逆变器供电，如图用表示上桥臂3个功率器件的开关状态，=1表示A桥臂上边闭合，下边断开, =O则相反。表示法与相似。因在任意时刻同一桥臂只能有一个开关元件导通，这就决定A、B、C三相共有8个开关状态，分别对应8个电压空间矢量。，其中6个非零电压矢量，和两个零电压矢量Us0、Us7。8个电压矢量在复平面的空间分布如图5所示。利用电压逆变器的开关特点，正确地选择电压空间矢量不断切换电压状态，使定子磁链逼近圆形，并通过零电压矢量的穿插调节来改变转差频率，从而控制电机的转矩，实现电机的磁链和转矩同时按要求快速变化。图4 电压型逆变器理想模型图5

23、电压空间矢量表示法3 控制系统硬件设计感应电机直接转矩控制系统各部分的结构和计算方法己经确定，这些方法将在以Atmel公司的单片机AT89S52为主体构成的系统中得以实现。所有控制算法的实现和实用化均不能离开硬件系统，本节主要介绍系统硬件电路的设计与实现。基于单片机的直接转矩控制系统硬件结构与原理框图如图6所示。直接转矩控制原理图如图7所示。图6 系统硬件结构框图图7 直接转矩控制原理图3.1 主电路的设计直接转矩控制系统的主电路采用交一直一交电压型变频器结构，由整流电路、限流电路、滤波电路、能耗制动电路和逆变电路这几个部分组成的。本系统设计的主电路如图8所示,图9为主电路中的整流逆变电路。图

24、8 系统控制原理图 图9 整流逆变电路本文提出的直接转矩控制系统，通过控制逆变器的八个开关状态，使定了磁链按圆形轨迹行走，以期加快电机的动态响应过程:但由于逆变器的电压矢量是离散的，再加上开关频率的限制，控制中只能是在一定容差范围内使定了磁链逼近圆形。定了磁链幅值、转子磁链幅值和磁链角决定了转矩的大小。在实际运行中，保持定了磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁心转子磁链幅值山负载决定:要改变电动机转矩的大小，可以通过改变磁链角的大小来实现。其基本控制方法就是通过电压空间矢量来控制定了磁链的运动轨迹，使定了磁链走走停停，以改变定了磁链的平均旋转速度的大小，从而改变磁链角的大小，以达到控制电动机转

25、矩的目的。(1）整流及滤波电路整流电路的任务是把三相交流电变换成直流电。本系统属于中、小容量变频器，整流器可采用不可控整流二极管成的桥式全波整流，再经大容量电解电容C，构成的滤波环节进行滤波，为逆变器提供恒定的直流电压。中间电容C的作用主要有两点：1）消除二极管整流器的输出电压的波纹，尽量保持直流电压的输出的恒定波形；2）电机属于感性负载，故中间直流环节总和电机之间存在能量转换，而逆变器的电力电子器件无法储能，因此电容的另一个作用就是作为储能元件实现能量的缓冲。（2）限流电路及安全保护电路当变频器通电时瞬时冲击电流较大，为了保护电路元件并减小通电瞬间电路对电网的冲击，在电路中加入了限流电阻，通

26、过限流电阻（即图中的充电电阻）减小通电瞬间电流对元件的冲击，并通过延时控制，在通电一段时间后触发继电器，切除限流电阻，这样既不影响电路正常工作时的电路整体性能，又可提高电路的启动瞬时性能。当电路不工作时由于电容C上有大量的电荷所以电容上的电压很高，对人的安全造成一定的威胁，所以在电路不工作的时候将放电电阻接入电路中配合继电器对电容C进行放电。（3）能耗制动电路当能耗制动时，电动机再生的电能经续流二极管全波整流后反馈到直流电路，在滤波电容上会有短时间大量电荷堆积，这就是所谓的“泵生电压”，使得直流电压升高。过高的直流电压将会使各部分器件受到损害。因此，当直流电压达到的一定值，就要求提供一条放电回

27、路即能耗制动电路，将再生的电能消耗掉。（4）逆变电路逆变电路的功能是在驱动信号的作用下把直流电变换到幅值恒定、频率可调的三相交流电，由功率器件和驱动电路组成。（5）功率器件用于逆变器的常见功率器件有如下几种：1）大功率晶体管（BJT或GTR）电流控制型器件，优点是击穿电压和集电极最大饱和电流都较大，缺点是开关频率较低，最高为2KHz左右。因而以BJT为逆变器件的载波频率也较低，电动机有较大的电磁噪声。另外控制电路的驱动功率也较大。2）功率场效应晶体管(VF)功率效应管漏极电流的大小受控制级与源级间的电压控制，属电压控制性器件，开关频率较高，最高答20KHz以上。因此，以MOSFET为逆变器件的

28、变频器载波频率也较高，电动机基本无电磁噪声。此外，控制电路所需的驱动功率极小。但迄今为止，其击穿电压和漏极最大饱和电流都较小，难以满足多数变频器的要求。3）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBT是MOSFET和BJT结合的产物，主体部分与晶体管相同，但驱动部分却和场效应管相同。电压控制型功率器件。主要优点是击穿电压和集电极饱和电流也较大。由IGBT模块作为逆变器的变频器容量已达250KVA以上。而且开关频率也可达20KHz，电机的电流波形比价平滑，基本无电磁噪声。目前绝大部分中、小容量变频器的逆变模块都在用IGBT管。其驱动电路也都已模块化。4）智能功率模块（IPM）智能功率模块是把与逆变管配

29、套的驱动电路、检测电路与保护电路以及某些接口电路等和功率模块集成到一起的集成功率模块。本系统是中、小型系统采用IGBT作为逆变元件。IGBT的等效电路及开关特性如图10所示。图10 IGBT等效电路及开关特性（6）驱动电路驱动电路的作用是：1）实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离；2）提供合适的栅极驱动脉冲。实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。驱动电路结构框图如图11所示。输入部分为双路PWM及对应控制电源信号，经独立或互锁设定单元确定电路工作模式，可设定为普通全桥模式或无死区控制全桥模式。普通全桥应用时，上下两管信号互锁，用户可以设置死区时间，确保不直通。无死区全桥模式应

30、用时，上下两管可以同时导通，因此可用于电流型全桥电路的驱动。通过DC/DC辅助开关电源，可得到四路相互独立的24V电压输出，于四片驱动芯片的供电。与传统的四路变压器隔离供电相比，减小了体积，节省了成本，且使用更加方便，当主控板电源电压为15V供电时，可与之使用同一电源。驱动单元输出四路隔离驱动信号，用于驱动IGBT，同时对IGBT起保护作用。当IGBT的电流过大，集电极对发射极的电压达到阈值电压时，驱动器启动内部的保护机制。因为各种尖峰干扰的存在，为避免频繁的保护影响开关电源的正常工作，设立盲区是很有必要的；当过流信号时间大于设定的盲区时间时，开始软关断。软关断开始后，驱动器封锁输入PWM信号

31、，即使PWM信号变成低电平，也不会立即将输出拉到正常的负电平，而要将软关断过程进行到底。软关断开始后经过短暂延迟，驱动板经光耦隔离输出互补的故障报警信号，由主控板处理。IGBT的短路保护动作阈值、保护盲区时间、软关断时间等参数可通过用户保护参数设置单元灵活设置，也可以使用默认值。图11 驱动电路结构框图 图12 应用连接图3.2 控制回路设计控制电路由单片机及其外围电路组成，主要完成信号检测、控制算法实现、逆变器PWM波形输出等功能。所有复杂的控制算法和控制策略都是通过AT89S52控制器来实现的，涉及到单片机的大部分集成外设，如： PWM发生模块等。3.2.1 单片机（1） 单片机的概述在本

32、次设计中采用的单片机型号为AT89S52单片机, AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，与工业80C51产品指令各引脚完全兼容。（2）DSP芯片的结构特点拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash晶片内部具有时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）内部程序存储器（ROM）为8KB内部数据存储器（RAM）为256字节32个可编程I/O口线8个中断向量源三个16定时器/计数器三级加密程序存储器全双工UART串行通道单片机特殊的内部结构、强大的信息处理能力、及较高的运行速度，是单片机最重要的特点。单片机是高性能系统的核心，它接收模拟信号（

33、如光和声），将它们转化成数字信号，实时地对大量数据进行数字技术处理。单片机的这些特点使其在信号处理方面有着广泛应用。（3）单片机的发展历程单片机的发展主要分为三个阶段。第一是单片机初级阶段，因工艺限制，单片机采用双片形式，而且功能比较简单；第二阶段是低性能单片机阶段，以Intel公司的MCS-48系列单片机为代表，这种单片机内集成有8位CUP，并行IO口，8位定时器，RAM及ROM等。不足之处是无串行口，中断简单。第三阶段是高性能单片机阶段，单片机以其优异的性能，低廉的价格，不断渗透到社会生活的每个角落。单片机生产厂商如雨后春笋不断涌现，多系列，多型号，各种性能组合的单片机层出不穷，不断满足不

34、同应用场合的新要求。随着芯片制作工艺，技术水平的不断提高和单片机需求量的不断加大，单片机的性价比不断攀升，呈现一片欣欣向荣的景象。（4）单片机的应用单片机的应用几乎已遍及电子与信息的每一个领域，常见的典型应用如下： 通用数字信号处理：数字滤波、卷积、相关、FFT、希尔伯特变换、自适应滤波、窗函数和谱分析等。语音识别与处理：语音识别、合成、矢量编码、语音鉴别和语音信箱等。图纸/图像处理：二维/三维图形变换处理、模式识别、图像鉴别、图像增强、动画、电子地图和机器人视觉等。仪器仪表：暂态分析、函数发生、波形产生、数据采集、石油/地质勘探，地震预测与处理等。自动控制：磁盘/光盘伺服控制、机器人控制、发

35、动机控制和引擎控制等。 医学工程：助听器、X射线扫描、心电图/脑电图、病员监护和超声设备等。 家用电器：数字电视、高清晰度电视（HDTV）、高保真音箱、电子玩具、数字电话等。 通信：纠错/译码、自适应均衡、回波抵消、同步、分散接收、数字调制/解调软件无线电和扩频通信等。 计算机：阵列处理器、图形加速器、工作站和多媒体计算机等。 军事：雷达与声纳信号处理、导航、导弹制造、保密通信、全球定位、电子对抗、情报收集与处理等。利用单片机来控制各类电机，不仅能方便的实现控制电路，并且能完成各种复杂的、高性能的控制策略。微处理器通过控制电机的电压、电流、转矩、转速以及转角，使电机按给定的指令准确工作，可使电

36、机的性能有很大的提高。AT89S52是美国Atmel公司生产，为电机控制系统数字化设计提供了一个理想的解决方案，在电机数字控制中得到广泛的应用。 图13 单片机结构图（5）单片机的硬件结构 1)中央处理器CPU运算器：运算功能控制器：控制功能2)内部数据存储器功能：执行程序，存放临时数据和最终结果的场所。3)内部程序存储器 功能：存放程序、原始数据、常数表格。4)定时器/计数器功能：定时功能、计数功能。5)并行I/O口 功能：执行数据的并行输入输出。 名称：P0、P1、P2、P3口。6)串行口 功能：执行数据的串行通信。7)中断控制系统 功能：处理紧急事件。8)时钟电路 功能：为单片机工作产生

37、必须的时钟脉冲序列信号。9)位处理器（布尔处理器） 功能：执行位处理操作，以便单片机实现控制功能。 注意：位处理器为MCS-51系列单片机所特有。10)总线（单片机片内总线）功能：完成所有信息的传送。4 系统软件设计本系统的控制软件分两大部分:主程序模块和子程序、中断服务模块。主程序模块管理整个软件的流程，由它来负责调用各个子程序。子程序和中断服务模块负责完成对转矩和磁链的估算，开关量信息的捕捉，串行中断程序、故障处理。由于是模块化的编写程序，所以应在充分理解直接转矩的控制原理与步骤的基础上进行程序的编写。4.1 直接转矩控制的原理直接转矩控制系统结构如图14所示，它包括转矩控制环节和磁链控制

38、环节，采用离散的两点式调节(Bang-Bang控制)，通过转矩和磁链的滞环控制选择出合适的电压矢量来调节定子磁链，并通过控制定子磁链的前进和停止来控制电机转矩，使之快速跟踪给定，同时通过对定子磁链形状的控制来选择合适的开关状态，从而产生PWM信号。图14 直接转矩控制系统结构图在正交定子坐标系中（坐标系）中，异步电动机数学模型基本方程为： （18） （19）根据上式可知，转矩的大小与定子磁链幅值、转子磁链幅值和磁通角的乘积成正比。在实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁芯；转子磁链幅值由负载决定；要改变电动机转矩的大小，可以通过改变磁通角的大小来实现。通过转矩两点调节来控制电

39、压空间矢量的工作状态和零状态的交替出现，来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变磁通角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。4.1.1 定子磁链观测器u-i定子磁链观测器模型用定子电压和定子电流来确定定子磁链的方法叫“u-i”模型法。由上式可知 （20）u-i模型只有在被积分的差值较大时才能提供正确的结果。其误差是由定子电阻的存在引起的。因此只有在10%额定转速以上时，特别是在30%额定转速以上时，采用u一i模型能够非常准确地确定定子磁链。该方法结构简单，精度高，优于其它方法。i-n模型中不出现定子电阻，也就是说不受定子电阻变化的影响，但是i-n模型

40、受转子电阻、漏电感、主电感的影响。此外，还需要精确地测得转子角速度的大小。一般说来，高速时采用u一i模型，因为它结构简单，受参数影响小；而低速时采用i-n模型，因为低速时受的影响，u-i模型己不能正确地工作。 该模型实际上是综合了i-n模型和u-i模型的优点，使得两个模型平滑地切换。所以u-n是一个全速范围的定子磁链观测模型。该观测模型可以根据现代控制理论观测器设计方法，通过合理设计观测器误差反馈系数得到。高速时电动机模型实际工作在u-i模型下，低速时电动机模型实际工作在i-n模型下。转矩、磁链控制器。4.1.2 磁链和转矩的控制在直接转矩控制系统中，转矩控制和磁链控制可以分别通过一个滞环比较

41、器来实现。其结构分别如图15和图16所示。图15 转矩控制器 图16 磁链控制器对转矩控制，首先计算转矩给定值与转矩实际值之差：式中: 一转矩给定值，可以单独给定，也可以由速度调节器的输出得出；一转矩实际值，由转矩观测器得出。设置滞环宽度，则转矩控制信号TQ由决定，即:若，则TQ=0，要求选用电压空间矢量使转矩减小;若，则TQ=1，要求选用电压空间矢量使转矩增大;若，则TQ不变，选用电压空间矢量使转矩不变。对磁链控制的原则与转矩控制类似，首先计算磁链误差：式中，-磁链给定值； -磁链实际值，由磁链观测器得出。设置滞环带宽，则磁链控制信号甲由决定，即:若，则=0，要求选用电压空间矢量使磁链幅值减

42、小；，则=1，要求选用电压空间矢量使磁链幅值增大；若，则不变，选用电压空间矢量应使磁链幅值不变。恒定圆形磁链轨迹控制示意图与转矩变化控制示意图分别如图17与图18所示。图17 恒定圆形磁链轨迹控制示意图图18 转矩变化控制示意图理论上讲，取的越小，则转矩控制和磁链控制就越精确。但的大小又受功率器件的开关频率的限制。一般来说，器件的开关频率越低，相应选取的就应越大，即滞环变宽。这样，虽然系统的性能稍稍变差，但整个系统仍能稳定运行。若器件开关频率较低时仍然取较小的，则滞环也就失去了意义，系统也可能会出现震荡现象。实际上，两个控制器在控制系统中的“地位”并不平等.由于我们的主要目标在于实现高性能的转

43、矩控制，因此，转矩控制环误差带(即滞环宽度)的整定直接关系着系统品质的好坏.相比之下，磁链幅值的恒定控制就显得并不十分重要。也因此引出了直接转矩控制系统的两种形式:一种是由德国M.Depenbrock教授提出的基于正六边形磁链轨迹控制的直接转矩控制及其改进算法；一种是由日本学者I.Takahashi提出的基于准圆形磁链轨迹控制的直接转矩控制及其派生算法。两种方法各有利弊，在大功率、低开关频率场合，前者比较合适;在功率器件开关频率较高的中小功率领域，后者占据了优势地位。无论采用那种控制方案，都是通过转矩和磁链两个控制器来共同控制逆变器开关状态，以使电机定子磁链在沿给定轨迹（正六边形或准圆形)运动

44、的同时，实现电机转矩的高动静态性能。磁链位置的判断以及电压矢量的选择。4.1.3 磁链位置的判断非零电压矢量有六个，它们的分布也是固定的，如图所示，当磁链位于不同位置时，同一个电压矢量，对于磁链和电磁转矩的作用是不相同的，所以电压矢量的选择不仅仅根据磁链的大小来，还要知道磁链的具体位置。我们沿逆时针方向将定子磁链的位置划分为六个扇区：, 如图19所示。图19 磁链位置及电压矢量由图19可知当磁链位于两区间的交界处时轴的分量正好等于磁链幅值的一半，因此根据磁链的分量与磁链的1/2比较结果，再结合分量的正负情况即可正确判断磁链当前所在的扇区。4.1.4 电压矢量选择表综合以上转矩控制量TQ，磁链控

45、制量，和磁链位置，可以正确的选择合适的电压矢量，从而对电机进行调节控制。4.2 主程序设计主程序每10s由硬件定时器发出的中断信号启动并执行一次，它负责执行整个软件整个必经流程。主要要完成以下几个重要的步骤。主程序流程图如图20所示。（1） 系统初始化。AT89S52单片机各个模块的工作方式由相应的控制寄存器设定，因此在主程序的开始就必须根据要求设定好各个控制寄存器的初始值。包括:PLL比时钟设定，单片机的工作频率设定为12HZ，这个可以通过系统控制和状态寄存器设定;输入输出端口的初始化，这个可以通过I/O复用输出控制寄存器设定;串行通信接口的软件配置，通过串行通信接口通信控制寄存器、串行通信接口控制寄存器和串行通信接口波特率寄存器这些控制寄存器来初始化所需的串行通信接口通信格式，包括操作模式、协议、波特率、字符长度、奇/偶效验位等;AD工作方式位，设置转换触发事件和通道数，可通过AOC控制寄存器和最大转换通道寄存器设置;定时器的设定，全比较PWM单元的设定，PWM工作方式的设定，死区时间的设计和QEP工作方式的设定等等。（2） 实时检测。为了使控制系统尽可能的得到最新的实时数据，对定子电压、电流的测量放置在主程序的主循环中。本系统需要