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使用 F28335 DSP 应用程序进行 IM 速度控制的智能执行器

Abidaoun H. Shallal 、Assaad F. Nashee 、Aws Ezzaldeen Abbas
伊拉克巴库巴迪亚拉大学工程学院传播系
中等技术大学工学院信息与通信技术系伊拉克巴格达
Al-zawraa 公司，工业部，伊拉克巴格达

文章信息

文章历史：

2021 年 2 月 21 日收到

2021 年 10 月 7 日修订

2021 年 10 月 12 日接受

关键词：

三电平逆变器

故障码控制器

磁通控制器

速度控制

变频驱动

抽象的

在工业应用中，感应电机（IM）和数字信号处理（ZQ28335）的组合在科学领域非常重要。三分之二的电力消耗是由电机驱动设备产生的。直接扭矩控制（DTC）是行业标准，具有快速响应的控制系统应用。 DTC 的缺点是测量中存在磁通和扭矩脉动。标量控制可以被认为是解决这个缺点的方法，但响应较差。 IM的扭矩和速度单独控制，使用变速驱动器(VSD)。这种情况随着 IM 电源电压和频率的变化而发生。为了降低磁通和扭矩脉动的水平，三电平逆变器代表了一种有吸引力的技术。初始水平的巨大磁通和扭矩与稳定运行状态下的低值的折衷对于通过非线性行为的反馈线性化确保更好的稳定性至关重要。本文提出了采用最新版本的 ZQ28335 数字信号处理器 (DSP) 的带 DTC IM 的 VSD 多电平逆变器。通过DSP ZQ28335的仿真和实验结果对转矩和磁通的运算做出了一定正确的动态响应。

这是一篇基于 CC BY-SA 许可的开放获取文章。

通讯作者:

阿比道恩

。沙拉尔

工学院传播系

迪亚拉大学，巴库巴，迪亚拉，伊拉克

电子邮件：abidaoun.hamdan@gmail.com

1. 简介

行业在很多方面都出现了新的发展，比如智能执行器。它可以被定义为所有元件的融合体，例如传感器、电机、控制器和连接单元。人工智能是当前和未来研究的主力。过去，直流 (DC) 电机一直用于需要快速扭矩的变速驱动 (VSD) 技术应用的顶级执行 [1]。它们被认为是行业中的主力，可以自由控制电机中的磁通和扭矩。在直接扭矩控制 (DTC) 中，应精确避免测量中的磁通和扭矩脉动，以使感应电机 (IM) 充分发挥作用。

直流电机的维护、打火、大电流、高电压下换向困难等问题仅限于小功率、低转速，这是其主要缺点[2]。在过去的四十年中，计算机控制的进步通过与功率半导体电子设备相伴的连接和控制系统为改善人类的生活做出了贡献。未来的进步会带来近乎技术的灵感。分享这种聪明才智的主要系统之一是 VSD 以及之前的技术 [3]。如今，VSD 在导弹、医疗应用、

水泵站、过滤器和分流的容错控制系统、计算机连接、可编程系统控制器（PLC）、电力电子整流器的逆变器以及监控和数据采集系统（SCADA）。它们通常与中压 (MV) 感应电机 (Ims) 一起使用，通过 [4] 介绍的真实风廓线使用 PMSG 直接控制风力涡轮机。

TMS320F28335 数字信号处理器 (DSP) 是一款 32 位浮点数字信号控制器。它提高了系统的灵活性、准确性、控制性能，并执行更复杂的操作，节省代码执行时间，提高系统的响应速度，并为任何控制算法提供优势[5]。主要设备是变频器，通过IM电路的频繁变化来控制速度。

VSD 的优点包括能耗低、容量大、控制精度高[6]。如前所述，扭矩脉动是DTC的缺点，需要在控制系统的布局中进行观察。它是在[7]中具有可变开关频率[8]的扭矩滞环控制器的多频带状态选择（ESS）过程出现错误时进行控制的。 [9]设计了一种使用扩展卡尔曼滤波器（EKF）的无传感器五级 DTC 控制的神经网络。 [10]中解释了基于小波的三电平逆变器电压源逆变器馈电感应电机（VSIM）。

在低功率IM 2级电压源逆变器速度控制系统中发现的基本困难是开关和介电损耗。文献[11]解释了一种三电平变换器，与传统的三电平逆变器相比，在 IM 的速度控制中具有更少的开关器件。文献[12]中介绍了与本文类似的新专利中带有有源转换器的VSD。应用于由 2 级电压逆变器和 3 级电压逆变器供电的 IM 的 DTC 参见[13]。执行器和传感器的新趋势可以集成在许多领域，例如灌溉，如图1所示[14]。智能执行器（SA）[15]的控制策略如图2所示。

图 1. 集成执行器和传感器组件

图 2. 智能执行器 (VSD) 使用的控制策略

当今和未来，计算机技术被描述为SA核心，作为一种新的控制系统方法应用于制造业的发展。执行器具有灵活性、成本效率和智能性。

2. 感应电机模型

IM状态空间用(1)表示：

指的是状态向量；

表示输出向量；

表示已知的输入向量[16]； A、B、C、D 指与[17]中提出的系统一致的IM状态空间矩阵。系统矩阵A的构成如(2)所示：

其中

r是转子时间常数；

指总泄漏系数；

s表示定子时间常数；

为转子电感；

表示励磁电感； Ls 表示定子电感。 IM 实施的动态如图 3 所示。

图3. 电机的动力学函数

在工作中，转子角度

的计算基于前向欧拉（FE）积分器（显式欧拉）作为线性多步方法的一般形式的一步积分器

（ LMS）以确保更好地降低稳态误差和稳定性[18]。

LMS方程如(3)所示。

稳定性的标准是放大系数 (z) 不超过单位 (4)：

分别是步长和特征值。 (4)对所有(

)进行验证，以保证系统更好的稳定性。

3. 速度控制器

IM被视为恒速机器；然而，在不减少 IM 操作活动的情况下改变直流电机速度很容易 [19]。文献中包含许多 IM 速度的方法

控制包括采用级联和变阻器控制时的转子侧控制。改变输入电压、频率、定子极数和电压/频率控制来控制定子侧。

速度控制采用PI观测器并针对终点限制器、磁通控制器来监测运行范围内的磁通。采用第一布置低通滤波器来去除IM输出速度。图2给出了电机与速度控制器的匹配适应性模型。通量被识别为速度控制器输出。为了缩放被视为DTC控制器的输入的速度操作，扭矩感测被用作DTC控制器的第二输入。该方法增强了经验过程，被视为一种样本致命控制[19]。 (5) 给出了 IM 操作的所有参考系中的完整速度矩阵 (w)：

其中

分别是转子速度和参考系速度。

4. 故障码控制器

超过

的所有能量转换是通过整流、逆变和平滑结合IM[20]的运算来执行的。 Takahashi 和 Depenbrock 首先将 DTC 开发为一种面向范围的感染性控制。在DTC中，带有电压源的逆变器为IM驱动器提供电源，通过选择最佳的逆变器电压矢量，可以迅速控制定子磁链（或转子磁通或磁通）和电磁转矩。

电压源逆变器矢量的选择是为了将转矩和磁通的误差限制在其能承受的磁通和转矩磁滞抽头内。除了在每个点获得最快的扭矩回复和最高的效率。 DTC 在瞬态运行中表现出快速的扭矩反应，并在稳态区域中降低谐波损耗和声学噪声。在 DTC 中，不需要调制器和转速计或位置编码器来估计速度或放置矛。 DTC 控制器的主要优点在[21]中得到了体现。图 4 阐明了 DTC 控制系统的实现。

图4. DTC控制系统实现

电磁转矩可由式（6）求得：

其中

指

轴上的定子磁通，

表示

轴上的定子磁通。 Flux 最显着的优点之一是 IM [22]、[23] 的 DTC 控制器的超快有效性，这将非常全面地表示开关指示。此外，速度估计器和通量传感器、降低值并消除定期维护的需要也是 DTC 的优点。它不需要任何匹配转换，这将获得计算方案。电机扭矩和磁通磁滞比较器将扭矩和磁通的实际值与参考值进行比较。表 1 展示了电压与频率 (v/f)、DTC 和磁场定向控制 (FOC) 之间许多操作参数的比较。

表 1. V/f、DTC 和 FOC 比较

Parameters	控制器类型
	v/f	DTC	FOC
扭矩反应	Fair	Excellent	Good
Robustness	Low	Good	Good
用于闭环控制的 PWM	Not	Needed	Needed
Construction	Simple	Simple	Not simple
速度控制	Not	Good	Good
稳态性能低	Low	Good	Excellent

5. 逆变器

在业界，3-

逆变器备受关注[24]。该应用的 3 阶段是在一组绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、电阻电容 (RC) 缓冲电路中执行的，并同等地连接到每个工具。逆变控制器有两种类型：电流控制源和电压控制源，如图5所示。本文采用电流控制源。通过将充电电流与参考电流进行比较来获得误差，这些参考电流用作正弦脉宽调制（SPWM）电路的输入以减少误差。

使用两种控制技术：迟滞和比例积分（PI）[25]。为了改善错误补偿，直流侧从以下来源收集：1）电流，2）与静态负载相关的受控电流，3）由于其快速动态响应而获得的受控电压[26]。 DTC 的传统算法依赖于立即值，并使用逆变器的数字控制信号直接计算[27]。直流电流源使用 (7) [28] 计算：

其中

为瞬时功率；

为功率器件损耗，

为直流母线电压。

图5 可控电流逆变器内部结构

与脉冲值（1 或 0）一致，电压源的输出（Vin 或 0）如图 6 所示。饱和揭示阻止在仿真结果中执行 Matlab/Simulink 中检测到的使用 [29]、[30 ]。在实时应用中，最好使用 DSP 来控制功率转换器，以验证 SPWM 控制策略。这种配置的框图如图 7 所示。

C2000 系列包括执行复杂控制算法所需的计算能力仪器，例如数字电机控制 (DMC) [31]、模数转换器 (ADC)、增强型脉宽调制器 (ePWM) 和正交编码器脉冲（QEP）。 IGBT 控制参考通过 DSP 卡获得，该卡基于德州仪器 (TI) 的 TMS320F335 专用信号处理处理器，由计算机控制。 F28335 DSP 如图 8 所示。

图 6. DTC 引起的触发响应

图 7. PWM 生成框图

图 8. DSP28335

6. 结果

DTC 控制器用于调节扭矩和电机磁通，类似于直流驱动器，以获得最佳精度。 IM在整个过程中的磁通和扭矩响应分别如图9和图10所示。通过过程和变速驱动器输出的电压分别如图11和图12所示。

图 9. 通过 IM 流程回复扭矩

图 10. 通量响应

图 11. 变速响应

图 12. 三相输出电压

执行一系列多单元、全桥和电流源逆变器馈送 IM。逆变器的实验参数表征为：

电源电压为
电容器的值为
SPWM 频率为
三相交流电机。

三级逆变器波形如图 13 所示。控制信号总谐波失真 (THD) 的周期如图 14 所示。SPWM 单元的谐波次数 (1-7) 随相位角的变化如图 14 所示。表 2. (1-7) 控制信号的谐波次数如图 15 所示。

图 13. 逆变器波形

图 14. 具有 THD 的周期信号

表 2. SPWM 方案的谐波次数和相位关系

谐波相位次数（度）	Value
1	-113.04
2	12.41
3	82.10
4	-129.31
5	54.30
6	117.26
7	-156.04

图 15. 控制信号的傅立叶分量

为了随着时间的推移显示速度控制器的错误测量，采用控制表作为观察仪器。观察是一种经常发生的行为，旨在指出程序中不需要的、系统性的转变并识别差异。因此，过程补偿可以减少它，如图 16 所示。图 17 阐明了 DTC 控制器中磁化控制的错误措施。磁化信号作为速度控制器的反馈控制信号。用于控制感应电机的 SPWM 占空比如图 18 所示。

图 16. 速度控制器的误差限值

图 17. DTC 控制器磁化控制的限制

图 18. SPWM 的占空比

对于非线性系统，采用变平衡雅可比线性化 (JL) 算法来产生更好的线性运算。模糊逻辑控制器 (FLC) 算法适用于直接扭矩控制感应电机 (DTCIM)。图 19 中的速度-角度变化表明，在 (15) 中，系统响应随着速度的增加而得到完全控制。在本文中，采用(3)电压(zmp101B)、电流(ACS712)和速度传感器。采用ZQ28335DSP来控制所提出的算法；其他小部件如图 20 所示。

图 19. 确保稳定性分析的系统平衡状态

图 20. 建议工作的硬件应用

使用电压传感器zmp101B记录两相电压。传感器将在

区域显示模拟输入和输出电压。这将使得在观察强制连接变速电机上的速度探查器（

）时可以方便地观察速度差异。 FC-03编码器或FZ0888编码器是带有LM393比较器的红外速度传感器模块。它可以与Arduino一起使用。相电压由 PWM 信号的占空比定义。因此，可以改变频率来确认IM处理中的不同速度。 PI速度控制器和扭矩控制器中使用的关键参数包括：

，参考速度为1900RPM，低通滤波器的截止频率为

，开关频率

。锁定表磁通形成如图 21 所示。

图 21. 使用的通量数据

7. 结论

智能或智能充电速度驱动的增长对于改善我们的生活发挥着重要作用。在工业中，有许多应用涉及执行器以智能方式与其他执行器连接，但我们正处于更大的边缘。采用多电平逆变器的 DTC 是减少磁通和转矩脉动的更好方法。该算法易于观察系统流程和控制组织中参数和费用的影响，提供了一种足够的布局方法。 Matlab/Simulink程序用于创建子系统模型并轻松调整整个控制系统。 TMS320F28335DSP是基于多载波三角SPWM控制策略的开发板平台。稳定性分析和平衡状态证明了该算法的有效性。

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作者传记

Abidaoun H. Shallal 获得科技大学拉希德工程与科学学院电气与电子工程学士和硕士学位。伊拉克。分别于1992年和2001年

获得电气和电子工程专业。 2019 年获得土耳其伊斯坦布尔阿尔廷巴斯大学控制工程学位。他在其专业领域教授了许多科目。他在国际期刊上发表了大量研究论文，研究兴趣为控制和机器人领域。

Asaad F. Nashee 获得了拉希德科技大学工程与科学学院的电气工程/控制学士和硕士学位。伊拉克。分别为1993年和2005年。他是伊拉克 MTU 理工学院信息与通信技术系助理讲师。他的研究兴趣是控制和机器学习。

Aws Ezzaldeen Abbas，1975 年出生于巴格达，2000 年获得科技大学通信工程理学学士学位。