直接轉(zhuǎn)矩控制永磁同步高壓直流發(fā)電系統(tǒng)研究

摘要：永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)具有效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越得到重視和研究。直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴少，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，在發(fā)電領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。這里以TMS320F2812DSP為核心，結(jié)合PMSG DTC的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套功能完善、實(shí)時(shí)性好的270V高壓直流發(fā)電系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硬件系統(tǒng)工作可靠、控制響應(yīng)快。
關(guān)鍵詞：永磁同步發(fā)電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；直流發(fā)電

1 引言
    DTC理論首先針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)提出，隨后又提出了PMSG DTC理論。研究表明，DTC策略不僅適用于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也適用于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。DTC策略可快速控制電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓的快速控制，改善發(fā)電系統(tǒng)性能。這對(duì)變速變負(fù)載運(yùn)行發(fā)電系統(tǒng)尤為重要，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載在較大范圍變化時(shí)，若不能迅速控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，以補(bǔ)償轉(zhuǎn)速及負(fù)載變化對(duì)輸出電壓的不利影響，發(fā)電系統(tǒng)性能將很快惡化。PMSG沒(méi)有轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，效率高，將DTC與PMSG相結(jié)合構(gòu)成變速變負(fù)載270 V高壓直流發(fā)電系統(tǒng)可獲得高品質(zhì)直流電壓輸出，無(wú)論在航空還是風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。
    PMSG DTC實(shí)現(xiàn)中需要準(zhǔn)確地采集定子繞組相電流、母線電壓，控制中還要實(shí)時(shí)地輸出電壓矢量控制電機(jī)定子磁鏈及轉(zhuǎn)矩，要求硬件系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能好，同時(shí)穩(wěn)定性高，因此全數(shù)字控制成為該系統(tǒng)的首選控制手段。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    以TMS320F2812型DSP為核心，結(jié)合多種外圍擴(kuò)展，構(gòu)成一套功能完善、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的永磁同步發(fā)電系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)包括母線電壓、母線電流、兩相電流和速度。采集到DSP中信號(hào)有母線電壓Udc、兩相電流ia，ib及速度，母線電流只用于故障保護(hù)。速度用于發(fā)電機(jī)弱磁控制。電壓、電流信號(hào)送給DSP中A／D采樣模塊實(shí)時(shí)處理，結(jié)合DTC軟件算法和最優(yōu)開關(guān)矢量表輸出最佳的電壓矢量。
    DSP外部擴(kuò)展的D／A輸出通道，方便了PMSGDTC中磁鏈等非電量的觀測(cè)及系統(tǒng)調(diào)試。主要功能模塊設(shè)計(jì)分析如下。
2．1 輔助電源設(shè)計(jì)
    硬件系統(tǒng)首先要考慮供電電源。本系統(tǒng)所需的輔助電源有：15V，-15 V，5 V，3．3 V，1．8 V，1．5 V，20 V，10 V，其中±15 V主要提供給A／D調(diào)理電路中運(yùn)算放大器、傳感器及故障信號(hào)處理電路中的比較器使用。4路20 V分別為三相逆變橋中6個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)電源，互相隔離。5 V供給譯碼保護(hù)電路，同時(shí)5 V經(jīng)過(guò)TPS767D318變換成3．3 V，1．8 V供DSP使用。10 V為D／A雙極性輸出中參考電平。
2．2 邏輯保護(hù)譯碼設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)中D／A輸出的譯碼信號(hào)、PWM死區(qū)保護(hù)和故障保護(hù)信號(hào)等通過(guò)ISPM4A5-128／64可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。輸入信號(hào)為：IGBT功率管開關(guān)控制PWM信號(hào)(實(shí)現(xiàn)逆變橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)同高互鎖保護(hù)，避免逆變橋直通故障)、過(guò)流保護(hù)信號(hào)(a相、b相、直流母線過(guò)流、過(guò)壓信號(hào))、譯碼地址信號(hào)、故障復(fù)位信號(hào)和電源復(fù)位信號(hào)。輸出信號(hào)為：D／A通道選擇譯碼輸出、74F245使能信號(hào)、DSP功率保護(hù)信號(hào)、故障指示信號(hào)等。[!--empirenews.page--]
2．3 采樣電路
    系統(tǒng)采集至DSP的電壓、電流分別通過(guò)霍爾電壓、電流傳感器，將來(lái)自霍爾傳感器次級(jí)電流信號(hào)經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過(guò)電壓跟隨器后輸出送至A／D調(diào)理電路。由于DSP的A／D輸入端只能接收信號(hào)，因此由傳感器輸出的交流信號(hào)還要經(jīng)過(guò)電平抬升電路，A／D調(diào)理電路如圖2所示。

    采用LM324構(gòu)成同相比例運(yùn)算電路，取參考電平uref=1．5 V，uin來(lái)自霍爾傳感器電壓跟隨器的輸出，uo送給DSP的A／D輸入端，則有：
   
    R5與C3構(gòu)成低通濾波器，用于消除高頻干擾。二極管VD1實(shí)現(xiàn)箝位保護(hù)功能。
2．4 故障檢測(cè)
    采用精密絕對(duì)值電路對(duì)電流檢測(cè)信號(hào)整流，然后將整流輸出信號(hào)送入遲滯比較器與閾值電平比較，來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)流信號(hào)檢測(cè)，其原理如圖3所示。R6，C3及R11，C6分別構(gòu)成低通濾波器，用于消除高頻干擾。采用2個(gè)TL084和2個(gè)1N4148二極管配合外圍電阻構(gòu)成精密絕對(duì)值電路，LM339配合外圍電阻構(gòu)成遲滯比較器。

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2．5 驅(qū)動(dòng)電路
    采用HCPL3120光電耦合器，配合穩(wěn)壓二極管等器件構(gòu)成IGBT驅(qū)動(dòng)電路，如圖4所示，利用光耦實(shí)現(xiàn)PWM弱信號(hào)與IGBT功率電路電氣隔離，以保證DSP控制系統(tǒng)的安全性。

    IGBT發(fā)射極以5 V為參考信號(hào)。當(dāng)輸入PWM端為低電平時(shí)，光耦初級(jí)導(dǎo)通，光耦次級(jí)輸出20 V，通過(guò)R3加到IGBT門極，以5 V為參考信號(hào)，則IGBT門射極電壓為15 V，IGBT導(dǎo)通；當(dāng)PWM端為高電平時(shí)，光耦初級(jí)截止，光耦次級(jí)輸出0V，以5 V為參考信號(hào)，則IGBT門射極電壓為-5 V，IGBT關(guān)斷。發(fā)光二極管用于指示IGBT開關(guān)狀態(tài)。
2．6 光電編碼器信號(hào)檢測(cè)電路
    為擴(kuò)大發(fā)電機(jī)變速范圍，需要轉(zhuǎn)速信息實(shí)現(xiàn)弱磁功能。對(duì)于轉(zhuǎn)速的測(cè)量這里采用旋轉(zhuǎn)編碼器。編碼器信號(hào)A，B，Z通過(guò)二極管和電阻構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路送至DSP捕獲引腳。同時(shí)利用電阻和電容構(gòu)成低通濾波器濾除高頻干擾。

3 實(shí)驗(yàn)研究
    實(shí)驗(yàn)采用的PMSG參數(shù)為：額定電壓190V，額定電流6．2A，額定轉(zhuǎn)速1 500r／min，額定功率1．5 kW，額定頻率50 Hz，極對(duì)數(shù)2，直軸電感12．765 mH，交軸電感7．695 mH，定子電阻1．2 Ω，轉(zhuǎn)子磁鏈感應(yīng)到定子側(cè)0．42 Wb。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)開環(huán)調(diào)節(jié)電樞電壓方法控制。控制周期為30μs，電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為0．018，積分系數(shù)為0．33，定子磁鏈給定為0．42 Wb，轉(zhuǎn)矩最大限定為10 N·m，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度為0．05 N·m，直流電壓給定為270 V，圖5示出其控制結(jié)構(gòu)。

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    為了驗(yàn)證該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，編制了PMSG DTC軟件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，圖6示出其主要軟件流程。

    系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，為避免IGBT流過(guò)過(guò)大的沖擊電流，實(shí)驗(yàn)利用6個(gè)IGBT體內(nèi)6個(gè)二極管預(yù)先對(duì)直流端濾波電容充電。軟件中設(shè)置的整流狀態(tài)即完成該功能。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000r／min，采用6個(gè)約390 Ω功率電阻并聯(lián)作為負(fù)載，圖7為穩(wěn)態(tài)發(fā)電波形。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，直流電壓為270 V，定子磁鏈幅值控制為0．42 Wb，且磁鏈軌跡為圓形。由圖可見，硬件系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

    圖8為給定電壓270 V，負(fù)載電阻由130 Ω突變到78 Ω的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形。由于直流電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有閉環(huán)控制，因此當(dāng)突加負(fù)載后，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由1 000 r／min降至857 r／min，發(fā)電機(jī)處于變速變負(fù)載運(yùn)行考驗(yàn)。由圖可見，電壓恢復(fù)時(shí)間約為75 ms；轉(zhuǎn)矩由-5 N·m增至-8．5 N·m?？梢娫谧兯僮冐?fù)載過(guò)程中，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定輸出270 V電壓。

4 結(jié)論
    以TMS320F2812型DSP為核心，設(shè)計(jì)了一套DTC永磁同步270 V高壓直流發(fā)電系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該DSP資源可最大限度滿足PMSG DTC270 V高壓直流發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，系統(tǒng)成本低廉；系統(tǒng)工作實(shí)時(shí)性好，控制周期為30μs，滿足DTC策略對(duì)PMSG電磁轉(zhuǎn)矩及定子磁鏈快速控制的需要；系統(tǒng)工作可靠，在變速變負(fù)載情況下穩(wěn)定輸出270 V直流電壓；該硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)將為DTC永磁同步直流發(fā)電系統(tǒng)控制策略的深入研究奠定良好的基礎(chǔ)。