基于直接转矩控制的异步电动机变频调速

徐大鹏

（内蒙古电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020）

基于直接转矩控制的异步电动机变频调速

徐大鹏

（内蒙古电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020）

阐述了随着现代电力电子技术的发展，变频调速已由传统的正弦脉宽调制技术向直接转矩技术发展。早期的控制电路由于工作速度慢，运算周期长等缺点，已不再适应快速的变频调速技术，直接转矩控制作为新的控制方法已取代了原来在控制电路中的位置[1]。着重分析了单片机芯片中控制类芯片80C196MC所具有的特点，提出以80C196MC为核心实现异步电动机调速的数字化控制方案，针对80C196MC的独特性能进行了控制电路的硬件电路设计，并进行了软件编程，实现异步电动机的DTC控制。

异步电动机；正弦脉宽调制控制；直接转矩控制

0 引言

直接转矩控制变频调速技术DTC（Direct Torque Control），是继矢量控制变频调速技术之后发展的新型高效变频调速技术。1985年德国鲁尔大学教授首先提出直接转矩控制理论，在很大程度上解决了矢量控制中运算、控制复杂、特性易受交流电动机参数变化影响的缺点。直接转矩控制技术自诞生之日起就以其独特新颖的控制思想，直接明了的系统结构，优良的静态、动态特性受到了普遍重视，并得到了迅速发展[2]。

1 DTC的特点

a）直接转矩控制在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制交流电动机的磁链和转矩,无需将交流电动机与直流电动机进行比较、等效和转化，所以信号处理更加简单，便于对交流电动机的物理过程作出直接明确的判断[3]。

b）直接转矩控制磁场定向是用定子磁链，这样知道了定子电阻就可以将其测量出来，大大减少了矢量控制时控制性能易受参数变化影响的问题[4]。

c）直接转矩控制采用空间矢量分析三相交流电动机的数学模型，控制各物理变量，使复杂问题简单化。

d）直接转矩控制强调的是转矩的控制效果，采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹。其控制方式是通过转矩两点式调节器把转矩监测值与转矩给定值作滞环比较，将转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器进行控制。因此，其控制效果取决于转矩的实际情况，控制既直接又简化。

2 控制电路的硬件设计

2.1 控制电路的硬件设计

由单片机控制的变频调速系统原理框如图1所示，本系统以Intel公司的80C196MC为控制核心，主要由整流器、滤波环节、逆变器、检测环节及控制回路组成。下面具体地说明一下图中的各个硬件组成部分的具体设计和各个参数的计算，见图1。

图1 控制电路的硬件设计结构图

a）系统主电路采用典型交—直—交电压源型变频器结构，整流环节采用单相桥式不控整流模块，逆变电路功率器件采用智能功率模块，中间直流环节加大电容滤波以获得平滑的直流电压，电网电压经桥式整流后对直流母线上的滤波电容充电，串联限流电阻R1是为限制过大的充电电流。若不用限流电阻，当系统合闸时会有相当大的充电电流，可能烧毁滤波大电容和整流模块。限流电阻只在电容刚开始充电时进行限流，当电容两端的电压充到一定值时，继电器K吸合，使限流电阻R1短路。电路中电容C2、二极管VD和电阻R4构成一个典型的吸收缓冲电路。主回路工作时，因为功率器件开关频率很高，开关动作时会在直流环节中产生电流突变，若直流环节存在电感，则可能在功率器件两端产生很大的尖峰电压，吸收缓冲电路的作用就是吸收消除此尖峰电压。电容电压的检测用电阻R2和R3分压进行检测，分别控制继电器K和过压保护电路。功率器件采用三菱公司智能绝缘栅双极型晶体管模块。内含过压、过流、过热保护，是一种新型的功率器件。具有驱动电路简单、可靠性高等优点。

b）系统控制电路包括了80C196MC的电路板以及以该板为核心分别扩展的数字信号处理板和模拟信号处理板，分别完成频率给定、按键选择调制方式及显示、低频补偿给定等功能，并对各种故障信号进行综合处理形成总的故障信号送入单片机的Exetint故障中断入口。

2.2 整流电路设计

下面以确定的三相异步电动机为例详细介绍各个部分电路作用原理及元件参数。

整流电路采用单相不控整流将交流电变成直流电。整流二极管的选择为通过二极管的峰值电流。

考虑滤波电容充电电流的影响，需要留有较大的电流裕量，选用Ie=2 A。

选择800V电压定额。根据以上确定的额定参数，选用ZP5型硅整流二极管。

2.3 中间滤波环节设计

整流电路输出的直流电压含有脉动成分，逆变部分产生的脉动电流及负载变化也使直流电压脉动，因此要加大电容滤波环节。在没加滤波环节时，单相整流输出平均直流电压为

加上滤波电容后，UDC的最大电压可近似认为达到交流线电压的峰值

滤波电容理论上越大越好，考虑到体积和价格，选用2个330μf/450 V的电容相并联，总电容量为660μf，耐压值为450V。

2.4 IPM的选择

逆变电路的功率器件选用智能功率模块，该模块内含栅极驱动电路、逻辑控制电路以及欠压、过流、短路、过热等保护电路，模块的主电路部分共分为5个端子，即直流电压输入端+、-，三相交流电压输出端U、V、W，控制部分共有18个端子，用于脉宽调制信号输入、故障信号输出及驱动电源等，驱动电源为4组+15 V电源，单片机生成的脉宽调制信号需要通过光耦合器隔离后输入。该智能模块的应用，减小了装置的体积，提高了变频系统的性能与可靠性。

IPM的参数选择如下。

IGBT正反向峰值电压为

考虑1.5～2倍的安全系数，取电流额定为2.5A。

由以上IGBT参数计算，可选用型号为PM20CSJ060的IPM，设计以IPM为功率器件的逆变电路。

2.4.1 驱动电源

a）驱动电源必须采用四组隔离电源。上桥臂每相各用一组电源，下桥臂三相共用一组。四组驱动电源的隔离度应达到1 200 V。

b）驱动电源电压在13.5～16.5 V之间，IPM能够正常工作。若电源电压高于16.5 V，则IGBT因驱动电源过高，保护性能得不到充分的保证，高于20V时IGBT管的栅极会损坏，因此不能加这么高。若电源电压低于13.5 V，IGBT驱动电源电压不足，这时控制信号为无效操作。典型的工作值一般取15V。

2.4.2 控制信号输入

由单片机产生的6路PWM信号需要经光耦隔离后再输入IPM。控制信号输入端需连接上拉电阻以防止由于d u/d t的作用而产生误动作。

2.4.3 IPM的自保护功能

IPM有精良的内置保护电路以避免因系统失控或过载而使功率器件损坏。如果IPM模块其中有一种保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号（FO）。以下介绍各保护功能的工作情况。

a）驱动电源欠压锁定（UV）。内部驱动电路由一个15V直流电源供电。如果由于某种原因这一电源电压低于规定的欠压动作值（UV），该功率器件将被关断并输出一个故障信号。如果小毛刺干扰时间小于规定的td，则不影响驱动电路工作，欠压保护电路不予理睬。

b）过热保护（OT）。在靠近IGBT芯片附近的绝缘基板上已安装一个温度传感器。如果基板温度超过过热动作数值（OT），IPM内部控制电路将关断下桥臂的3个IGBT，上桥臂IGBT的关断不受其影响，直到温度恢复正常，从而保护了功率器件。

c)过流保护（OC）。如果流过IGBT的电流超出过流动作数值（OC） 的时间大于tO，IGBT将被关断tO=10μf，同时输出一个故障信号。若过流时间小于tO，则过流保护电路不予理睬。

d）短路保护（SC）。如果负载发生短路或因系统控制器故障而导致上下桥臂同时导通，IPM内置短路保护将关断IGBT，同时输出一个故障信号。

虽然IPM内含有相应保护电路，但在实际运行中不能长期过载，因此当系统输出故障信号FO后应立即送入控制系统的中断口，产生中断，立即停止运行并封锁送到IPM的输入信号，在排除了故障之后再启动运行。

3 控制电路的软件设计

3.1 主程序的设计

为了获得良好的运行结果，编制精确、合理、完善的控制软件是十分重要的，在软件设计时，为调试方便，程序采用模块化结构，即分为主程序和中断服务程序，主程序完成调制方式选择、波形发生器初始化、相关寄存器赋值等任务，中断服务程序完成U相、V相、W相的对应比较寄存器应装载值的运算。图4、图5为程序框图。

图4 主程序流程图

图5 中断服务子程序流程图

4 结论

本文基于目前传统的脉宽调制技术，研究了应用80C196MC单片机控制的脉宽调制变频调速系统，并在此基础上进行各种控制策略的研究，用汇编语言编制控制程序实现正弦波脉宽调制和电压空间矢量脉宽调制，生成PWM波实现了对异步电机的变频调速。本项研究现已应用于浙江大学开发的异步电动机变频调速控制箱上，在矢量控制的基础上，更加完善了控制箱的变频调速功能。

［1］ 陈国呈.PWM变频调速及软开关电力变换技术［M］.机械工业出版社，2002.

［2］ 付娟.交流调速技术［M］.电子工业出版社，2002.

［3］ 冯垛生，邓则名.电力拖动自动控制系统［M］.广东高等教育出版社，1998.

［4］ 马小亮.大功率交—交变频调速及矢量控制技术［M］.机械工业出版社，2003.

DTC-based Variable Frequency Speed Control of Asynchronous Motor

XU Da-peng
（Inner Mongolia Electric Power Research Institute，Hohhot，Inner Mongolia 010020，China）

With the development of power electronic technology，the variable frequency speed control technology develops from traditional SPWM to DTC.With low speed and long calculating period，the early MCU control circuit can not fit for the high speed of variable frequency speed control technology.Being a new control core，DTC has already replaced MCU in control circuit.This paper introduces the characteristics of control chip 80C196MC in DSP，and puts forward 80C196MC-centered digital controlling scheme to achieve the speed control of asynchronousmotor.According to the particular characteristics of 80C196MC，the hardware circuit in control circuit is designed and the process is programmed with software.All of these aim to carry out the DTC control in asynchronousmotor.

asynchronousmotor；SPWM control；DTC

TM343；TM344.6

A

1671-0320-（2011）03-0065-04

2011-02-20，

2011-04-06

徐大鹏（1980-），男，辽宁朝阳人，2007年毕业于内蒙古工业大学电力电子与电力传动专业，从事电力系统高电压试验工作。