直接轉矩控制永磁同步高壓直流發(fā)電系統研究

摘要：永磁同步發(fā)電機(PMSG)具有效率高、結構簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越得到重視和研究。直接轉矩控制(DTC)具有控制結構簡(jiǎn)潔，對電機參數依賴(lài)少，轉矩動(dòng)態(tài)響應迅速等特點(diǎn)，在發(fā)電領(lǐng)域中得到了應用。這里以TMS320F2812DSP為核心，結合PMSG DTC的特點(diǎn)，設計了一套功能完善、實(shí)時(shí)性好的270V高壓直流發(fā)電系統。實(shí)驗結果表明，硬件系統工作可靠、控制響應快。
關(guān)鍵詞：永磁同步發(fā)電機；直接轉矩控制；直流發(fā)電

1 引言
DTC理論首先針對異步電動(dòng)機提出，隨后又提出了PMSG DTC理論。研究表明，DTC策略不僅適用于電動(dòng)運行狀態(tài)，同時(shí)也適用于發(fā)電運行狀態(tài)。DTC策略可快速控制電磁轉矩實(shí)現發(fā)電系統輸出電壓的快速控制，改善發(fā)電系統性能。這對變速變負載運行發(fā)電系統尤為重要，當發(fā)電機轉速和負載在較大范圍變化時(shí)，若不能迅速控制發(fā)電機電磁轉矩，以補償轉速及負載變化對輸出電壓的不利影響，發(fā)電系統性能將很快惡化。PMSG沒(méi)有轉子勵磁繞組，效率高，將DTC與PMSG相結合構成變速變負載270 V高壓直流發(fā)電系統可獲得高品質(zhì)直流電壓輸出，無(wú)論在航空還是風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域均有廣闊的應用前景。
PMSG DTC實(shí)現中需要準確地采集定子繞組相電流、母線(xiàn)電壓，控制中還要實(shí)時(shí)地輸出電壓矢量控制電機定子磁鏈及轉矩，要求硬件系統實(shí)時(shí)性能好，同時(shí)穩定性高，因此全數字控制成為該系統的首選控制手段。

2 硬件系統設計
以TMS320F2812型DSP為核心，結合多種外圍擴展，構成一套功能完善、驅動(dòng)簡(jiǎn)單的永磁同步發(fā)電系統，其硬件系統結構如圖1所示。

系統信號檢測包括母線(xiàn)電壓、母線(xiàn)電流、兩相電流和速度。采集到DSP中信號有母線(xiàn)電壓Udc、兩相電流ia，ib及速度，母線(xiàn)電流只用于故障保護。速度用于發(fā)電機弱磁控制。電壓、電流信號送給DSP中A／D采樣模塊實(shí)時(shí)處理，結合DTC軟件算法和最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量表輸出最佳的電壓矢量。
DSP外部擴展的D／A輸出通道，方便了PMSGDTC中磁鏈等非電量的觀(guān)測及系統調試。主要功能模塊設計分析如下。
2．1 輔助電源設計
硬件系統首先要考慮供電電源。本系統所需的輔助電源有：15V，-15 V，5 V，3．3 V，1．8 V，1．5 V，20 V，10 V，其中±15 V主要提供給A／D調理電路中運算放大器、傳感器及故障信號處理電路中的比較器使用。4路20 V分別為三相逆變橋中6個(gè)IGBT的驅動(dòng)電源，互相隔離。5 V供給譯碼保護電路，同時(shí)5 V經(jīng)過(guò)TPS767D318變換成3．3 V，1．8 V供DSP使用。10 V為D／A雙極性輸出中參考電平。
2．2 邏輯保護譯碼設計
系統中D／A輸出的譯碼信號、PWM死區保護和故障保護信號等通過(guò)ISPM4A5-128／64可編程邏輯器件實(shí)現。輸入信號為：IGBT功率管開(kāi)關(guān)控制PWM信號(實(shí)現逆變橋驅動(dòng)信號同高互鎖保護，避免逆變橋直通故障)、過(guò)流保護信號(a相、b相、直流母線(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓信號)、譯碼地址信號、故障復位信號和電源復位信號。輸出信號為：D／A通道選擇譯碼輸出、74F245使能信號、DSP功率保護信號、故障指示信號等。