直接转矩控制永磁同步高压直流发电系统研究

摘要：永磁同步发电机(PMSG)具有效率高、结构简单等优点，越来越得到重视和研究。直接转矩控制(DTC)具有控制结构简洁，对电机参数依赖少，转矩动态响应迅速等特点，在发电领域中得到了应用。这里以TMS320F2812DSP为核心，结合PMSG DTC的特点，设计了一套功能完善、实时性好的270V高压直流发电系统。实验结果表明，硬件系统工作可靠、控制响应快。
关键词：永磁同步发电机；直接转矩控制；直流发电

1 引言
DTC理论首先针对异步电动机提出，随后又提出了PMSG DTC理论。研究表明，DTC策略不仅适用于电动运行状态，同时也适用于发电运行状态。DTC策略可快速控制电磁转矩实现发电系统输出电压的快速控制，改善发电系统性能。这对变速变负载运行发电系统尤为重要，当发电机转速和负载在较大范围变化时，若不能迅速控制发电机电磁转矩，以补偿转速及负载变化对输出电压的不利影响，发电系统性能将很快恶化。PMSG没有转子励磁绕组，效率高，将DTC与PMSG相结合构成变速变负载270 V高压直流发电系统可获得高品质直流电压输出，无论在航空还是风力发电等领域均有广阔的应用前景。
PMSG DTC实现中需要准确地采集定子绕组相电流、母线电压，控制中还要实时地输出电压矢量控制电机定子磁链及转矩，要求硬件系统实时性能好，同时稳定性高，因此全数字控制成为该系统的首选控制手段。

2 硬件系统设计
以TMS320F2812型DSP为核心，结合多种外围扩展，构成一套功能完善、驱动简单的永磁同步发电系统，其硬件系统结构如图1所示。

系统信号检测包括母线电压、母线电流、两相电流和速度。采集到DSP中信号有母线电压Udc、两相电流ia，ib及速度，母线电流只用于故障保护。速度用于发电机弱磁控制。电压、电流信号送给DSP中A／D采样模块实时处理，结合DTC软件算法和最优开关矢量表输出最佳的电压矢量。
DSP外部扩展的D／A输出通道，方便了PMSGDTC中磁链等非电量的观测及系统调试。主要功能模块设计分析如下。
2．1 辅助电源设计
硬件系统首先要考虑供电电源。本系统所需的辅助电源有：15V，-15 V，5 V，3．3 V，1．8 V，1．5 V，20 V，10 V，其中±15 V主要提供给A／D调理电路中运算放大器、传感器及故障信号处理电路中的比较器使用。4路20 V分别为三相逆变桥中6个IGBT的驱动电源，互相隔离。5 V供给译码保护电路，同时5 V经过TPS767D318变换成3．3 V，1．8 V供DSP使用。10 V为D／A双极性输出中参考电平。
2．2 逻辑保护译码设计
系统中D／A输出的译码信号、PWM死区保护和故障保护信号等通过ISPM4A5-128／64可编程逻辑器件实现。输入信号为：IGBT功率管开关控制PWM信号(实现逆变桥驱动信号同高互锁保护，避免逆变桥直通故障)、过流保护信号(a相、b相、直流母线过流、过压信号)、译码地址信号、故障复位信号和电源复位信号。输出信号为：D／A通道选择译码输出、74F245使能信号、DSP功率保护信号、故障指示信号等。