基于DSP的直流電動機勵磁系統設計

羅瀟，韋春健

(海軍駐桂林地區軍事代表室，桂林 541002)

0 引言

目前采用的勵磁裝置多為開環控制，穩定性差，元器件老化，響應速度慢，電能損耗大，維護麻煩，整個勵磁系統效率低。隨著電力電子技術的發展，勵磁調節器開始采用一些新的器件。以DSP為核心控制器的新型勵磁調節器，可使系統的集成度、響應速度和可靠性都大大提高。通過軟件實現勵磁調節器的調節和限制功能，不僅取代了復雜的調節和限制電路，更擴充了許多模擬電路難以實現的功能，充分體現了新型勵磁調節器的優越性。本文主要對直流電動機勵磁調節系統PI參數的設計進行了著重分析，以求使系統達到更好的調節效率和運行穩定性，并以TMS320F2407A 芯片為核心設計了勵磁調節器的整體軟件結構。最后通過實驗驗證了本文設計的勵磁調節器的實際可行性。

1 勵磁調節系統PI參數設計

1.1 直流電機的動態數學模型

直流電機電樞回路等效電路[4]如圖1所示，其中R為電樞回路總電阻；L為電樞回路總電感；Udo為交流電源經整流橋后輸出的直流空載電壓。

圖1 直流電機電樞回路等效電路

其中Tm=GD2R/(375CeCm)為機電時間常數，含有Φ信息。

將三個方程對應的傳遞函數合并，可得到直流電機的動態結構如圖2所示。

圖2 直流電機動態結構圖

1.2 弱磁調節器PI參數設計

為了獲得閉環運動控制系統的優良動態性能，必須使用調節器將系統改造成標準典型的系統。一般最常用的是PI調節串聯校正裝置。連續系統的PI調節器設計有一套成熟、實用的工程設計方法。對于數字控制系統，按連續系統設計出來的PI參數只需離散化處理即可，圖3為最基本的調速框圖。

圖3 最基本調速框圖

本文中的直流電動機采用弱磁調速，因此當磁通為變量時，參數Ce=KeΦ、Cm=KmΦ就不再是常數。為了分析問題方便應使Φ在反電動勢方程和電磁轉矩方程中凸現出來：Ed=KeΦn、Te=KΦId。可見，隨著Φ的變化，Ed、Te也隨著變化。為了分析與設計方便，本文中將弱磁調速系統進行簡化處理，同時不考慮渦流及磁化曲線非線性的影響。在實際的直流電機調速過程中，是當電動機的速度達到某一轉速時，才進行弱磁調速，也就是一個微調的過程。 當轉速在小范圍內變動時，可以通過小范圍內調節磁通，使電動機的轉速達到穩定的目的，因此可認為CeΦn只是在小范圍內調整，最終可得出電樞電流Id近似為常值。因此我們可以得到簡化了的弱磁狀態下雙閉環調速系統結構框圖[5]如圖4所示。

圖4 直流電動機弱磁調速系統結構框圖

圖5 轉速環等效結構圖

為了將反饋環節移到前向通道內，形成單位反饋。在給定通道上也加一濾波環節(1:1)，其實Ton很小。轉速環的結構框圖等效圖如圖5所示。

轉速環校正成典型II型系統，采用PI調節器。這樣，調速系統的開環傳遞函數：

式中各參數的含義如下：

α：轉速反饋系數；

Tfn：轉速反饋濾波時間常數；

Ks：表示的是開關管放大系數；

Kf：電動機勵磁回路電阻的倒數，即1/Rf；

Tf：勵磁回路時間常數，即Lf/Rf；

KΦ：由磁化特性曲線確定；

GD2：電動機軸上的飛輪轉動質量；

Km：轉矩常數；

Id：電樞電流。

因此：

校正成典型II型系統的動態結構圖如圖6所示

圖6 按典型II型校正后的動態結構圖

轉速環PI調節器參數的選擇

按Mpmin準則及典型II型系統關系式得

則調節器參數為

取“工程最佳”參數時，h=5，得相應的參數值。

2 勵磁調節器的總體設計

2.1 勵磁調節器的硬件設計

本文中的勵磁控制主要是針對主勵磁系統為絕緣柵型場效應管（MOSFET 管）勵磁系統而設計的，系統的整體結構如圖7所示。

圖7 系統整體結構圖

直流電動機的勵磁電壓由市電經自耦調壓器后，經過整流橋給電動機勵磁繞組提供。電動機的速度反饋由一臺與直流電動機串接的單相同步發電機的端電壓間接反映。發電機端電壓經檢測電路后，反饋至DSP的AD轉換模塊。DSP對反饋值進行PI調節后，發出占空比可調的PWM脈沖波，經過光耦隔離電路的電氣隔離后，控制與勵磁繞組串聯的MOSFET管的關斷時間，勵磁繞組中的電流相應地發生變化，從而改變直流電動機的轉速輸出，達到實時調節的目的。

2.2 勵磁調節器的軟件設計

DSP以其片內外設豐富、數據處理能力強等特點，在數字信號處理領域得到了廣泛應用。本文中勵磁系統的軟件結構主要就是以TMS320 F2407A芯片為核心進行設計的。控制系統主程序結構如圖8所示。

程序首先進行系統初始化，其中包括ADC模塊和PWM模塊的初始化。DSP的AD轉換由EVA模塊的定時器1的周期下溢中斷啟動，AD模塊進行ADnumber次轉換后取平均值，作為PI調節的初值加載到PI調節程序中[6]。PI調節程序運算結束后，將調節后數值加載至EVB模塊的定時器3的比較寄存器CMPR3中[6]，并通過PWM模塊產生脈寬波形控制開關管的通斷，以改變直流電動機的轉速，從而完成一次完整的調節過程。

3 實驗與結論

根據本文勵磁調節器的設計，調試好系統的硬件、軟件設備，給同步發電機加以固定勵磁。分別進行電動機啟動、加載、卸載實驗，得到發電機端3組電壓頻率波形如圖9 ~圖11所示。

圖8 主程序流程圖

從實驗結果可以看出，本文設計的勵磁調節器在機組啟動、加載以及卸載時都能夠根據實時的工作情況對直流電動機轉速進行有效、迅速的調節，保證了發電機端穩定的輸出，達到了預期的效果。

4 結束語

本文設計的以DSP為核心的直流電動機斬波勵磁調節系統，利用DSP快速、高效的數據處理能力，并通過對實際系統進行適當的PI調節參數設置，對直流電動機轉速進行閉環勵磁控制，從而得到穩定的轉速輸出。相對于采用模擬電路控制的傳統勵磁調節系統，本文設計的勵磁調節器在提高系統穩定性與調節效率的同時，由于DSP的引入，更簡化了系統的電路復雜程度，大大減輕了模擬電路容易產生溫漂而使電源的頻率和電壓發生偏移的問題，具有很高的應用價值。

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