基于终端滑模的双凸极电动机直接转矩控制装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于终端滑模的双凸极电动机直接转矩控制装置及方法，属于电机调速系统领域。
【背景技术】
[0002]自从美国Wisconsin大学的Lipo教授提出双凸极电机以来，该电机在起动/发电系统、电动驱动、风力发电等领域得到了广泛的应用。DSM电机尽管有许多优点，如转子结构简单，转子上无绕组，无铜损，适合高速运行，可容错等。但其固有的双凸极定、转子结构使得其具有较大的转矩脉动，严重阻碍了双凸极电机进一步的推广与应用。经过具体分析可知:造成双凸极电机转矩脉动大的原因主要有两方面:一是由电机自身结构齿槽效应引起的齿槽转矩脉动；二是传统双拍、标准角度控制等由于存在死区时间所引起的电磁转矩脉动。齿槽转矩脉动只能通过改进电机的电磁结构来进行改善，而电磁转矩脉动却可以通过改进控制策略而进行消除。
[0003]另外，传统的双凸极电机调速系统采用的是转速/电流双闭环控制，在传统调速系统中，为了保持电动机速度恒定，通常采用速度环与电流环相结合的双闭环控制方式。从闭环结构上看，电流环称作内环；转速环为外环。尽管这种转速/电流双闭环调速系统相比单转速闭环调速系统具有更好的动态性能和抗扰性能，但该系统应用于双凸极电机控制系统时，并不能对电机的转矩脉动进行很好的控制。
【发明内容】
[0004]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于终端滑模的双凸极电动机直接转矩控制装置及方法。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:
[0006]基于终端滑模的双凸极电动机直接转矩控制装置，包括电机驱动功率变换器、双凸极电动机、三相电压与电流采样调理电路、电机转子位置信号检测电路以及DSP微处理器;
[0007]所述电机驱动功率变换器的输出端与双凸极电动机对应的三相绕组输入端连接，所述三相电压与电流采样调理电路的输入端与双凸极电动机的三相绕组耦合连接，所述双凸极电动机内部装设的霍尔位置传感器的输出端与电机转子位置信号检测电路的输入端连接，所述电机转子位置信号检测电路和三相电压与电流采样调理电路的输出端均与DSP微处理器连接，所述DSP微处理器的PffM输出端与电机驱动功率变换器的输入端连接。
[0008]所述电机驱动功率变换器包括主功率变换器和驱动电路；
[0009]所述主功率变换器为三相桥式电路，且各桥臂中点与双凸极电机的A、B、C三相绕组相连以给双凸极电动机供电；
[0010]所述驱动电路的输入端与DSP微处理器的PffM输出端连接，PffM信号经驱动电路隔离增强后，输送到主功率变换器的各个功率开关管的栅极作为各个功率开关管的栅源控制信号，用以驱动相应功率开关管的导通和关断。
[0011]所述三相桥式电路主要由六个功率开关管构成，所述驱动电路主要由光耦驱动芯片及其外围电路构成。
[0012]所述三相电压与电流采样调理电路包括信号调理电路以及三相电压和电流检测电路；
[0013]所述三相电压和电流检测电路用以采集双凸极电动机的瞬时输入三相电流和三相电压；所述信号调理电路用以调理三相电流和三相电压，并将调理后的三相电流和三相电压发送给DSP微处理器；
[0014]所述三相电压和电流检测电路的输入端与双凸极电动机的三相绕组耦合连接，所述三相电压和电流检测电路的输出端与信号调理电路的输入端连接，所述信号调理电路的输出端与DSP微处理器连接。
[0015]所述三相电压和电流检测电路的输入端通过电流和电压传感器与双凸极电动机的三相绕组耦合连接。
[0016]所述电机转子位置信号检测电路用以采集并发送双凸极电动机三相位置信号。
[0017]基于终端滑模的双凸极电动机直接转矩控制装置的控制方法，包括以下步骤，
[0018]步骤一，初始化DSP微处理器，使能CAP中断和定时器T3中断；
[0019]定义模数转换接口 ADCINO?ADCIN2接收调理后的三相电压，模数转换接口ADCIN3?ADCIN5接收调理后的三相电流；
[0020]定义CAPl?CAP3为I/O 口，分别接收双凸极电动机三相位置信号，发送双凸极电动机三相位置信号的端口分别为PA、PB和PC ;
[0021 ] 定义CAP4为捕获口，且为上升沿捕获有效，所述CAP4与PA连接；
[0022]定义PffMl ?PWM3 为 I/O 口；
[0023]步骤二，采用双凸极电动机三相位置实现开关管控制，并给开关管标志Flag赋值；
[0024]过程如下:
[0025]Al)读取PA、PB和PC的端口状态；
[0026]A2)判断是否 PA = LPB = O，如果是，则 Flag = O，PffMl = 0，PWM2 = 0，PWM3 =0，延时Ly s后，PffMl = I ;否则转至步骤A3 ;其中L μ s根据双凸极电动机的最高转速确定;
[0027]A3)判断是否 PB = LPC = O，如果是，则 Flag = I，PffMl = 0，PWM2 = 0，PWM3 =0，延时L μ s后，PWM2 = I ;否则转至步骤A4 ；
[0028]A4)判断是否 PC = LPA = O，如果是，则 Flag = 2，PffMl = 0，PWM2 = 0，PWM3 =0，延时L μ s后，PWM3 = I ;否则转至步骤A5 ；
[0029]A5)赋值结束；
[0030]步骤三，当CAP4检测到PA上升沿时，CAP中断响应，连续两次读取CAP4FIF0 二级堆栈缓冲器的值，然后计算双凸极电动机当前转速n[k]，k表示采样当前时刻；
[0031]步骤四，定时器T3中断响应，决定主功率变换器开关管的开关信号；
[0032]具体过程为，
[0033]BI)读取ADCINO?ADCIN5接收的三相电压和三相电流，；
[0034]B2)计算双凸极电动机当前转矩I；;
[0035]Te= (u a [k] ia [k] +ub [k] ib [k] +uc [k] ic [k]) /n [k]
[0036]其中，ua[k]、ub[k]和uc[k]分别为k时刻的三相电压，ia[k]、ib[k]和ic[k]分别为k时刻的三相电流；
[0037]B3)计算当前转速的转速误差xjP当前转速误差的导数X 2；
[0038]X1= n [k] -n [r]
[0039]X2= [n [k] -n [r] ] /T3PR
[0040]其中，n[r]为调速系统给定参考转速；T3PR是定时器T3的定时中断周期。
[0041 ] B4)计算滑模函数S和控制律u ;
[0042]S = X2+ a j [ β X1+ ( β X1)2/2]
[0043]其中，a β为给定的滑模系数；
[0044]当S > O 时，
[0045]U= [mx「α χ2+a i β [1+β X1+( β X1) 2/2] x2+K]/b
[0046]当S = O 时，
[0047]u= [mx「α χ2+α i β [1+β X1+( β X1) 2/2] χ2]/b
[0048]当S < O 时，
[0049]u= [mx「α χ2+α i β [1+β X1+( β X1) 2/2] χ2-Κ]/b
[0050]其中，m、K、b为控制律u表达式相关参数，且满足O < m < K ;
[0051]B5)根据u和I；决定主功率变换器开关管的开关信号。
[0052]根据u和TJ夬定主功率变换器开关管的开关信号的具体过程为，
[0053]Cl)计算 U-Tj勺值；
[0054]C2)判断U-Te是否大于转矩滞环的给定上限uplim，如果是，则转至步骤C3，否则转至步骤C4 ;
[0055]C3)读取开关管标志 Flag，若 Flag = O,则 PffMl = O ;若 Flag = 1，则 PWM2 = O ；Flag = 2，则 PWM3 = O，转至步骤 C7 ；
[0056]C4)判断u-?；是否小于转矩滞环的给定下限1wlim ,如果是，则转至步骤C5，否则转至步骤C6 ；
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