TMS320F2808直接转矩控制的变频器设计

引言
    直接转矩控制(Direct Torque Control，DTC)技术是继矢量控制技术之后，近二十几年发展起来的一种新型的交流调速控制技术。因其具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，所以它已经成为现代传动控制领域交流电机调速的主要控制策略。但是由于是一种新技术，大多只停留在理论研究和讨论上。
    本文根据直接转矩控制的基本原理，以TI公司生产的TMS320F2808为主控芯片，设计了一个全数字化直接转矩控制的变频器系统，并给出了电流、电压检测电路和数据分析结果。

1 直接转矩控制的基本原理
    直接转矩控制技术就是通过速度传感器得到感应电机实际转速n；与给定转速n*比较通过速度调节器得到转矩给定值，速度调节器一般采用PI控制器；由传感器得到电机定子电流和电压值，输入感应电动机的磁链和转矩估计器得到定子磁链的幅值|ψs|和转矩实际值Te；
实际转矩Te与转矩给定值经转矩调节器处理后得到转矩开关信号TQ；定子磁链给定值与磁链计算值|ψs|经磁链调节器产生磁链开关信号ψQ；区间判断根据定子磁链分量得到定子磁链所在区间信号SN，开关信号选择单元综合磁链开关信号ψQ、转矩开关信号TQ和磁链位置信号SN，通过查表得到正确的电压开关信号来控制电机的准确运行。
    直接转矩控制系统的基本原理如图1所示。

2 系统硬件设计
2．1 主回路
    为使控制系统结构简单、工作可靠、维护方便，本系统采用模块化结构设计。图2为基于TMS320F2808的异步电机直接转矩控制系统的结构框图。

    系统主电路采用典型的交-直-交电压型变频结构，整流环节采用单相桥式不可控整流电路。设计中整流二极管的额定电压选取值为800 V。逆变电路采用的智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)是Cyntec公司的IMl3400，该模块内部封装了6个IGBT。而直流中间电路的主要元器件是大容量的电解电容，考虑到电网电压的波动范围为220 V±10％，则滤波电容器的耐压值应大于1．1×220×1．414。因此选择额定电压为400 V的电解电容器。
2．2 控制回路
    采用TI公司生产的TMS320F2808为主控芯片。TMS320F2808对上电次序没有特定的要求，并且提供了4个高精度的ePWM，为数字电机控制系统设计提供了更多的方便。
2．2．1 TMS320F2808的供电电源电路
    TMS320F2808的供电电源电路如图3所示。选用TI公司生产的TPS70151为TMS320F2808处理器供电。TPS70151是一款双路LDO的集成电路稳压器，具有上电次序控制和上电复位功能，输出为500 mA／3．3 V和250 mA／1．8 V。

2．2．2 PWM信号隔离电路
    本设计的PWM信号选用TMS320F2808的EPWMxA单元输出，DSP与IPM模块之间存在电压信号隔离问题。PWM信号隔离电路如图4所示，采用SN74LVCC4245A来完成。DIR接数字地(N1)，信号的传输方向为从A到B。UP、VP、WP、UN、VN、WN分别与IPM模块的PWM信号输入引脚相连，U+、V+、W+、U-、V-、W-分别与DSP的EPWMlA、EPWMlB、EPWM2A、EPWM2B、EPWM3A、EPWM3B引脚连接。

2．2．3 电压、电流检测电路
    在直接转矩控制中，为了计算实际定子磁链，需要检测定子电压和电流。一般情况下定子电压检测需要使用两个霍尔电压传感器，电路的设计比较复杂，所以本文改为检测直流母线电压。电压检测电路如图5所示。选用HCPL-788J隔离放大器光耦进行直流母线电压检测。隔离放大器光耦价格相对便宜，电路设计结构简单，不仅可以采集电压信号，而且可以实现过电压的保护。

    电流的检测采用的是两个电流传感器，选取的型号为TBC-05SY，属于闭环霍尔电流传感器。其额定输入电流为5 A，测量电流范围为±15 A，额定输出电压为±(4+O．5％)V，零电流失调±20 mV，线性度≤0．1％FS(FS为电流传感器的量程)。电流检测电路如图6所示。

3 系统软件设计
    控制程序主要分为两部分：主程序和中断服务子程序。主程序主要完成系统各常量和变量的定义以及各个寄存器的初始化工作，包括各控制变量定义、常量的定义和赋初值，以及CPU时钟、I／O口、中断向量表、定时器、A／D转换器和片内寄存器的初始化等。而中断服务子程序中主要完成数据采样、定子磁链计算、电磁转矩计算、电压空间矢量选择和PWM脉冲形成等工作。图7为主程序和中断服务子程序流程。

4 实验结果
    经过现场测试后，利用Matlab7．2软件对测试所得到的数据进行曲线绘制并作出了相应的拟合直线。电压、电流检测电路数据检测曲线与拟合直线对比图如图8、图9所示。实验结果表明，该系统作为直接转矩控制策略的硬件平台，具有抗干扰能力强、电压电流保护措施良好、软件可移植性强等优势。

5 结论
    本文完成了基于TMS320F2808的直接转矩控制的变频器的设计。其具有电路简单、抗干扰能力强、功耗低、性能可靠等优点。设计的系统拥有完善的保护措施，对各种故障都能够提供有效的保护，大大延长了变频器的使用寿命。