引言
直接轉矩控制(Direct Torque Control，DTC)技術是繼矢量控制技術之后，近二十幾年發展起來的一種新型的交流調速控制技術。因其具有結構簡單、轉矩響應快以及對參數魯棒性好等優點，所以它已經成為現代傳動控制領域交流電機調速的主要控制策略。但是由于是一種新技術，大多只停留在理論研究和討論上。
本文根據直接轉矩控制的基本原理，以TI公司生產的TMS320F2808為主控芯片，設計了一個全數字化直接轉矩控制的變頻器系統，并給出了電流、電壓檢測電路和數據分析結果。
1 直接轉矩控制的基本原理
直接轉矩控制技術就是通過速度傳感器得到感應電機實際轉速n；與給定轉速n*比較通過速度調節器得到轉矩給定值
，速度調節器一般采用PI控制器；由傳感器得到電機定子電流和電壓值，輸入感應電動機的磁鏈和轉矩估計器得到定子磁鏈的幅值|ψs|和轉矩實際值Te；
實際轉矩Te與轉矩給定值經轉矩調節器處理后得到轉矩開關信號TQ；定子磁鏈給定值
與磁鏈計算值|ψs|經磁鏈調節器產生磁鏈開關信號ψQ；區間判斷根據定子磁鏈分量得到定子磁鏈所在區間信號SN，開關信號選擇單元綜合磁鏈開關信號ψQ、轉矩開關信號TQ和磁鏈位置信號SN，通過查表得到正確的電壓開關信號來控制電機的準確運行。
直接轉矩控制系統的基本原理如圖1所示。
2 系統硬件設計
2．1 主回路
為使控制系統結構簡單、工作可靠、維護方便，本系統采用模塊化結構設計。圖2為基于TMS320F2808的異步電機直接轉矩控制系統的結構框圖。
系統主電路采用典型的交-直-交電壓型變頻結構，整流環節采用單相橋式不可控整流電路。設計中整流二極管的額定電壓選取值為800 V。逆變電路采用的智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)是Cyntec公司的IMl3400，該模塊內部封裝了6個IGBT。而直流中間電路的主要元器件是大容量的電解電容，考慮到電網電壓的波動范圍為220 V±10％，則濾波電容器的耐壓值應大于1．1×220×1．414。因此選擇額定電壓為400 V的電解電容器。
2．2 控制回路
采用TI公司生產的TMS320F2808為主控芯片。TMS320F2808對上電次序沒有特定的要求，并且提供了4個高精度的ePWM，為數字電機控制系統設計提供了更多的方便。
2．2．1 TMS320F2808的供電電源電路
TMS320F2808的供電電源電路如圖3所示。選用TI公司生產的TPS70151為TMS320F2808處理器供電。TPS70151是一款雙路LDO的集成電路穩壓器，具有上電次序控制和上電復位功能，輸出為500 mA／3．3 V和250 mA／1．8 V。
2．2．2 PWM信號隔離電路
本設計的PWM信號選用TMS320F2808的EPWMxA單元輸出，DSP與IPM模塊之間存在電壓信號隔離問題。PWM信號隔離電路如圖4所示，采用SN74LVCC4245A來完成。DIR接數字地(N1)，信號的傳輸方向為從A到B。UP、VP、WP、UN、VN、WN分別與IPM模塊的PWM信號輸入引腳相連，U+、V+、W+、U-、V-、W-分別與DSP的EPWMlA、EPWMlB、EPWM2A、EPWM2B、EPWM3A、EPWM3B引腳連接。
2．2．3 電壓、電流檢測電路
在直接轉矩控制中，為了計算實際定子磁鏈，需要檢測定子電壓和電流。一般情況下定子電壓檢測需要使用兩個霍爾電壓傳感器，電路的設計比較復雜，所以本文改為檢測直流母線電壓。電壓檢測電路如圖5所示。選用HCPL-788J隔離放大器光耦進行直流母線電壓檢測。隔離放大器光耦價格相對便宜，電路設計結構簡單，不僅可以采集電壓信號，而且可以實現過電壓的保護。
電流的檢測采用的是兩個電流傳感器，選取的型號為TBC-05SY，屬于閉環霍爾電流傳感器。其額定輸入電流為5 A，測量電流范圍為±15 A，額定輸出電壓為±(4+O．5％)V，零電流失調±20 mV，線性度≤0．1％FS(FS為電流傳感器的量程)。電流檢測電路如圖6所示。
3 系統軟件設計
控制程序主要分為兩部分：主程序和中斷服務子程序。主程序主要完成系統各常量和變量的定義以及各個寄存器的初始化工作，包括各控制變量定義、常量的定義和賦初值，以及CPU時鐘、I／O口、中斷向量表、定時器、A／D轉換器和片內寄存器的初始化等。而中斷服務子程序中主要完成數據采樣、定子磁鏈計算、電磁轉矩計算、電壓空間矢量選擇和PWM脈沖形成等工作。圖7為主程序和中斷服務子程序流程。
4 實驗結果
經過現場測試后，利用Matlab7．2軟件對測試所得到的數據進行曲線繪制并作出了相應的擬合直線。電壓、電流檢測電路數據檢測曲線與擬合直線對比圖如圖8、圖9所示。實驗結果表明，該系統作為直接轉矩控制策略的硬件平臺，具有抗干擾能力強、電壓電流保護措施良好、軟件可移植性強等優勢。
5 結論
本文完成了基于TMS320F2808的直接轉矩控制的變頻器的設計。其具有電路簡單、抗干擾能力強、功耗低、性能可靠等優點。設計的系統擁有完善的保護措施，對各種故障都能夠提供有效的保護，大大延長了變頻器的使用壽命。