直接轉矩控制永磁同步高壓直流發電系統研究

摘要：永磁同步發電機(PMSG)具有效率高、結構簡單等優點，越來越得到重視和研究。直接轉矩控制(DTC)具有控制結構簡潔，對電機參數依賴少，轉矩動態響應迅速等特點，在發電領域中得到了應用。這里以TMS320F2812DSP為核心，結合PMSG DTC的特點，設計了一套功能完善、實時性好的270V高壓直流發電系統。實驗結果表明，硬件系統工作可靠、控制響應快。
關鍵詞：永磁同步發電機；直接轉矩控制；直流發電

1 引言
DTC理論首先針對異步電動機提出，隨后又提出了PMSG DTC理論。研究表明，DTC策略不僅適用于電動運行狀態，同時也適用于發電運行狀態。DTC策略可快速控制電磁轉矩實現發電系統輸出電壓的快速控制，改善發電系統性能。這對變速變負載運行發電系統尤為重要，當發電機轉速和負載在較大范圍變化時，若不能迅速控制發電機電磁轉矩，以補償轉速及負載變化對輸出電壓的不利影響，發電系統性能將很快惡化。PMSG沒有轉子勵磁繞組，效率高，將DTC與PMSG相結合構成變速變負載270 V高壓直流發電系統可獲得高品質直流電壓輸出，無論在航空還是風力發電等領域均有廣闊的應用前景。
PMSG DTC實現中需要準確地采集定子繞組相電流、母線電壓，控制中還要實時地輸出電壓矢量控制電機定子磁鏈及轉矩，要求硬件系統實時性能好，同時穩定性高，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、驅動簡單的永磁同步發電系統，其硬件系統結構如圖1所示。

系統信號檢測包括母線電壓、母線電流、兩相電流和速度。采集到DSP中信號有母線電壓Udc、兩相電流ia，ib及速度，母線電流只用于故障保護。速度用于發電機弱磁控制。電壓、電流信號送給DSP中A／D采樣模塊實時處理，結合DTC軟件算法和最優開關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IGBT的驅動電源，互相隔離。5 V供給譯碼保護電路，同時5 V經過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ISPM4A5-128／64可編程邏輯器件實現。輸入信號為：IGBT功率管開關控制PWM信號(實現逆變橋驅動信號同高互鎖保護，避免逆變橋直通故障)、過流保護信號(a相、b相、直流母線過流、過壓信號)、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。