直接转矩控制永磁同步高压直流发电系统研究

摘要：永磁同步发电机(PMSG)具有效率高、结构简单等优点，越来越得到重视和研究。直接转矩控制(DTC)具有控制结构简洁，对电机参数依赖少，转矩动态响应迅速等特点，在发电领域中得到了应用。这里以TMS320F2812DSP为核心，结合PMSG DTC的特点，设计了一套功能完善、实时性好的270V高压直流发电系统。实验结果表明，硬件系统工作可靠、控制响应快。
关键词：永磁同步发电机；直接转矩控制；直流发电

1 引言
    DTC理论首先针对异步电动机提出，随后又提出了PMSG DTC理论。研究表明，DTC策略不仅适用于电动运行状态，同时也适用于发电运行状态。DTC策略可快速控制电磁转矩实现发电系统输出电压的快速控制，改善发电系统性能。这对变速变负载运行发电系统尤为重要，当发电机转速和负载在较大范围变化时，若不能迅速控制发电机电磁转矩，以补偿转速及负载变化对输出电压的不利影响，发电系统性能将很快恶化。PMSG没有转子励磁绕组，效率高，将DTC与PMSG相结合构成变速变负载270 V高压直流发电系统可获得高品质直流电压输出，无论在航空还是风力发电等领域均有广阔的应用前景。
    PMSG DTC实现中需要准确地采集定子绕组相电流、母线电压，控制中还要实时地输出电压矢量控制电机定子磁链及转矩，要求硬件系统实时性能好，同时稳定性高，因此全数字控制成为该系统的首选控制手段。

2 硬件系统设计
    以TMS320F2812型DSP为核心，结合多种外围扩展，构成一套功能完善、驱动简单的永磁同步发电系统，其硬件系统结构如图1所示。

    系统信号检测包括母线电压、母线电流、两相电流和速度。采集到DSP中信号有母线电压Udc、两相电流ia，ib及速度，母线电流只用于故障保护。速度用于发电机弱磁控制。电压、电流信号送给DSP中A／D采样模块实时处理，结合DTC软件算法和最优开关矢量表输出最佳的电压矢量。
    DSP外部扩展的D／A输出通道，方便了PMSGDTC中磁链等非电量的观测及系统调试。主要功能模块设计分析如下。
2．1 辅助电源设计
    硬件系统首先要考虑供电电源。本系统所需的辅助电源有：15V，-15 V，5 V，3．3 V，1．8 V，1．5 V，20 V，10 V，其中±15 V主要提供给A／D调理电路中运算放大器、传感器及故障信号处理电路中的比较器使用。4路20 V分别为三相逆变桥中6个IGBT的驱动电源，互相隔离。5 V供给译码保护电路，同时5 V经过TPS767D318变换成3．3 V，1．8 V供DSP使用。10 V为D／A双极性输出中参考电平。
2．2 逻辑保护译码设计
    系统中D／A输出的译码信号、PWM死区保护和故障保护信号等通过ISPM4A5-128／64可编程逻辑器件实现。输入信号为：IGBT功率管开关控制PWM信号(实现逆变桥驱动信号同高互锁保护，避免逆变桥直通故障)、过流保护信号(a相、b相、直流母线过流、过压信号)、译码地址信号、故障复位信号和电源复位信号。输出信号为：D／A通道选择译码输出、74F245使能信号、DSP功率保护信号、故障指示信号等。 [p]
2．3 采样电路
    系统采集至DSP的电压、电流分别通过霍尔电压、电流传感器，将来自霍尔传感器次级电流信号经电阻转换成电压信号，通过电压跟随器后输出送至A／D调理电路。由于DSP的A／D输入端只能接收信号，因此由传感器输出的交流信号还要经过电平抬升电路，A／D调理电路如图2所示。

    采用LM324构成同相比例运算电路，取参考电平uref=1．5 V，uin来自霍尔传感器电压跟随器的输出，uo送给DSP的A／D输入端，则有：
   
    R5与C3构成低通滤波器，用于消除高频干扰。二极管VD1实现箝位保护功能。
2．4 故障检测
    采用精密绝对值电路对电流检测信号整流，然后将整流输出信号送入迟滞比较器与阈值电平比较，来实现过流信号检测，其原理如图3所示。R6，C3及R11，C6分别构成低通滤波器，用于消除高频干扰。采用2个TL084和2个1N4148二极管配合外围电阻构成精密绝对值电路，LM339配合外围电阻构成迟滞比较器。

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2．5 驱动电路
    采用HCPL3120光电耦合器，配合稳压二极管等器件构成IGBT驱动电路，如图4所示，利用光耦实现PWM弱信号与IGBT功率电路电气隔离，以保证DSP控制系统的安全性。

    IGBT发射极以5 V为参考信号。当输入PWM端为低电平时，光耦初级导通，光耦次级输出20 V，通过R3加到IGBT门极，以5 V为参考信号，则IGBT门射极电压为15 V，IGBT导通；当PWM端为高电平时，光耦初级截止，光耦次级输出0V，以5 V为参考信号，则IGBT门射极电压为-5 V，IGBT关断。发光二极管用于指示IGBT开关状态。
2．6 光电编码器信号检测电路
    为扩大发电机变速范围，需要转速信息实现弱磁功能。对于转速的测量这里采用旋转编码器。编码器信号A，B，Z通过二极管和电阻构成的电平转换电路送至DSP捕获引脚。同时利用电阻和电容构成低通滤波器滤除高频干扰。

3 实验研究
    实验采用的PMSG参数为：额定电压190V，额定电流6．2A，额定转速1 500r／min，额定功率1．5 kW，额定频率50 Hz，极对数2，直轴电感12．765 mH，交轴电感7．695 mH，定子电阻1．2 Ω，转子磁链感应到定子侧0．42 Wb。电动机转速通过开环调节电枢电压方法控制。控制周期为30μs，电压环PI调节器比例系数为0．018，积分系数为0．33，定子磁链给定为0．42 Wb，转矩最大限定为10 N·m，转矩滞环宽度为0．05 N·m，直流电压给定为270 V，图5示出其控制结构。

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    为了验证该控制系统设计的可行性，编制了PMSG DTC软件进行了实验研究，图6示出其主要软件流程。

    系统启动时，为避免IGBT流过过大的冲击电流，实验利用6个IGBT体内6个二极管预先对直流端滤波电容充电。软件中设置的整流状态即完成该功能。发电机转速为1 000r／min，采用6个约390 Ω功率电阻并联作为负载，图7为稳态发电波形。由实验结果可见，直流电压为270 V，定子磁链幅值控制为0．42 Wb，且磁链轨迹为圆形。由图可见，硬件系统运行可靠。

    图8为给定电压270 V，负载电阻由130 Ω突变到78 Ω的动态响应波形。由于直流电机转速没有闭环控制，因此当突加负载后，发电机的转速由1 000 r／min降至857 r／min，发电机处于变速变负载运行考验。由图可见，电压恢复时间约为75 ms；转矩由-5 N·m增至-8．5 N·m。可见在变速变负载过程中，系统仍能稳定输出270 V电压。

4 结论
    以TMS320F2812型DSP为核心，设计了一套DTC永磁同步270 V高压直流发电系统。实验结果表明，该DSP资源可最大限度满足PMSG DTC270 V高压直流发电系统的设计需要，系统成本低廉；系统工作实时性好，控制周期为30μs，满足DTC策略对PMSG电磁转矩及定子磁链快速控制的需要；系统工作可靠，在变速变负载情况下稳定输出270 V直流电压；该硬件系统设计将为DTC永磁同步直流发电系统控制策略的深入研究奠定良好的基础。