引言
直接转矩控制技术，是继20世纪70年代矢量控制技术之后出现的又一种交流电机高性能调速技术。直接转矩控制系统以其简单的控制思想、简洁的系统结构、快速的转矩响应、优良的静动态性能得以迅速发展。
直接转矩控制的基本原理
异步电动机直接转矩控制的基本思想是在保持定子磁链幅值不变的条件下，通过控制电动机定子磁链的运动方向和速度来改变定子磁链和转子磁链的夹角，调节电磁转矩，达到电动机调速的目的。其强调的是转矩的直接控制及其效果：把转矩作为被控量，直接控制转矩，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值做滞环比较，产生PWM信号， 直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。因此定子磁链和电磁转矩的估算在直接转矩控制算法中占有重要的地位。
定子磁链最简单的计算方法是使用U-I模型，写成分量形式为：
磁链的幅值为
其中， ψ是磁链， μ是线电压， i是线电流，R是电阻。此系统中积分的时间为采样周期。
电机的定子线电流利用Clark变换由三相a-b-c坐标系变换到两相a-β坐标系下：
定子线电压可以由逆变器的直流母线电压(Udc)和当前输出PWM信号的三个电压开关状态(Sa，Sb，Sc)得到：
电磁转矩的计算式：
其中np是电机的极对数。
一个标准的三相电压型逆变器的输出只有8种电压矢量，包括6个工作电压矢量和2个零电压矢量。直接转矩控制过程中，根据各个电压矢量对定子磁链和电磁转矩的作用效果，预先制定出一个电压矢量开关表。在每个控制周期中，根据定子磁链与转矩的滞环区间及定子磁链所在的扇区，从开关中选出相应的电压矢量，从而产生PWM信号作用于逆变器，使电机运转。
系统的硬件设计
异步电动机直接转矩控制系统硬件结构框图如图1所示。
图1 直接转矩控制系统硬件结构框图
由图1可见，系统硬件电路主要由主电路、控制器、测量和驱动接口、保护电路等组成。直流母线电压以及交流侧两相电流经霍尔效应传感器测得，并经低通滤波后送到DSP的ADC 模块，DSP输出脉宽调制信号经驱动、隔离后送给IPM模块的驱动端，使IPM模块工作。如果IPM模块出现异常，如过流、过热、过压等，则输出一个“错误”信号给DSP，DSP立即封锁PWM输出，保护IPM模块。
该系统中选用TMS320F2808作为控制核心，DSP芯片主频为100M，片内资源丰富，包括16通道模拟输入高速12位A/D转换器、3个32位的CPU定时器、6个具有可编程死区的ePWM模块、4个32位的输入捕捉单元、2个32位的正交编码脉冲模块，以及业界通用的异步串行接口、串行同步外设接口和CAN总线接口，这些资源为TMS320F2808在工业控制中尤其是在电机控制中有着很大的优势，为直接转矩系统的研究开发提供了很大的便利。
系统的软件设计
软件是系统控制的核心，本系统控制软件的执行过程中，必须完成电压电流的检测与处理、定子磁链的观测、转矩的运算，还必须建立电压矢量的开关表，并根据DTC的控制算法，输出满足要求的电压矢量，以达到要求的控制性能。此过程都是在一个采样周期内完成，此系统的采样周期为0.1ms。
对DSP的编程通过JTAG仿真器进行。它通过USB接口与PC连，在PC上使用CCS3.3编译器可以直接对DSP进行编程、调试。
直接转矩控制算法的DSP程序结构大致分为两部分：主程序和中断服务程序。其中主程序主要完成对功能模块进行初始化、设置参数、为各个中断驱动的控制任务开放中断、执行中断服务子程序。
给系统上电，进入初始化阶段，系统变量进行外设初始化、初始化赋值等，然后开中断，等待中断的到来，所有的初始化仅在系统上电时执行一次，然后进入中断等待，通用定时器T0产生下溢中断，进入中断服务子程序执行直接转矩控制算法，输出合适的电压空间矢量。DSP进行初始化处理后，打开TZ中断，T0中断，AD中断，之后启动AD，此时立即启动T0中断。进入中断T0后，首先转换上一次启动AD时测量的两相相电流、直流母线电压以及转速。由于所采用的异步电机定子是Y连接的，零序电流为0，所以根据ia+ib+ic=0，只需要检测其中两相电流就能得到另外一相电流。之后要对测得的母线电压和相电流进行坐标变换。然后进入磁链和转矩观测环节，计算出定子磁链和电磁转矩。计算磁链误差和转矩误差，判断误差是否超出滞环宽度设立相应的标志，然后查开关电压表确定出下一时刻需要发出的电压矢量。通过比较单元输出所需的开关状态，更新PWM信号。之后中断返回至主程序进入等待状态，以等待下一次通用定时器T0中断的到来。中断服务子程序流程图如图2所示：
图2 中断服务程序流程图
实验结果
实验采用三相鼠笼式异步电机，定子Y型连接，定子电阻RS=2.7Ω，转子电阻Rr=2.23Ω，定子电感LS=0.3562H，转子电感Lr=0.3562H，定转子互感 Lm=0.3425H，转动惯量 J=0.00825kg•m2，极对数Pn=2，额定转矩T=10N•m，给定额定转速n=500r/min，给定定子磁链幅值为1Wb。由图3可见，定子磁链在启动很短时间内就达到给定值，稳态时保持在给定值1wb左右，说明定子磁链控制效果不错。由图4可见，转速大约0.13s 在达到给定额定转速。由图5可以看出，两相定子电流波形较接近正弦波，相位关系保持较好，且在电机启动时，电机的起始电流较大。其原因在于电机在建立磁场时，同一个电压空间矢量作用的时间比较久，此时应该考虑在软件上作限流的程序，以免损坏器件。实验结果表明，该系统具有良好的动静态性能，该方案可行。
图3 定子磁链波形
图4 转速波形
图5 定子电流波形
结束语
基于TMS320F2808的异步电机直接转矩控制系统的研究，实验结果表明直接转矩控制该系统对电机参数的依赖性小且有着良好的稳态性能和动态性能，易于实现全数字控制。
