汽車用混合勵磁發電機DSP控制系統設計與研究

李新運

【摘要】汽車發動機轉速范圍大、轉速變化快、負載情況多樣，從而對發電機的穩壓控制提出了很高的要求。本文針對汽車，用混合勵磁發電機設計了一個以DSP2407芯片為核心的閉環控制系統，并對設計的硬件和軟件進行仿真測試。與傳統發電機相比，使用DSP控制系統的發電機適應負載范圍寬、過載能力強、節能效果明顯，顯著改善供電品質，提高了供電系統的可靠性。

【關鍵詞】混合勵磁，發電機，穩壓，DSP

汽車用混合勵磁發電機采用稀土永磁和電磁共同勵磁，增大了發電機比功率，減小勵磁電流及勵磁損耗，提高發電機的效率，既具有電勵磁發電機良好的調整特.陛，又具有永磁發電機的高功率密度、高效率、高可靠性的優點。

在混合勵磁發電機發電系統中，要適應轉速和負載在寬廣的范圍內變化，保證輸出電壓恒定，就必須設計出功能強大的勵磁調節系統。勵磁調節系統通過對電力系統參數的監測，控制發電機組的出力，從而決定著發電機組所送出電能的質量高低。

勵磁調節器在勵磁調節系統中直接擔負著數字控制的任務。按照勵磁調節器的發展歷程，勵磁調節器可分為半導體式和微機式。隨著電子技術和大規模集成電路技術的發展，微機勵磁調節器逐漸取代了半導體式勵磁調節器。微機勵磁調節器與半導體式勵磁調節器相比具有許多優點。利用微處理器強有力的計算和邏輯運算能力以及軟件設計的靈活性，微機勵磁調節器可以實現復雜的控制策略，可以實現完備的限制及保護功能、通用而靈活的系統功能、簡單的操作以及智能化的維修和試驗手段，而且還具有調節準確、精度高、在線改變參數方便、可靠性高、無故障工作時間長、通信方便等優點。

基于DSP的混合勵磁恒壓發電機與傳統的發電機相比，性能指標顯著提高。該種發電機電壓調整率很小，具有接近水平的外特性，全自動調壓，可動態實時調節輸出功率，發電機適應負載范圍寬、過載能力強、節能效果明顯，可顯著改善供電品質，提高供電系統的可靠性，使不同的用電負載之間的相互干擾和影響降低到最低限度，是未來發電機發展的主要方向之一。

本文設計了以TMS320LF2407為核心的混合勵磁發電機控制系統，TMS320LF2407是電機控制專用DSP處理器，它將實時處理能力和控制器外設功能集于一身，具有靈活的指令集、內部操作靈活性、高速的運算能力和豐富的片上資源等特點，為控制系統應用提供了一個理想的解決方案。本文對混合勵磁發電機的控制電路進行了分析和設計，并對該電路進行了仿真測試，測試結果符合系統性能指標要求。

一、穩壓控制總體方案

混合勵磁發電機是一種能解決永磁發電機電壓調節問題的新型發電機，這種發電機可以看成由兩部分組成：主要部分和稀土永磁發電機相同，稱為主發電機部分;而輔助調節電壓的部分類似于電勵磁發電機，稱為輔助電勵磁部分。兩部分共有一套電樞繞組，主發電機部分承擔主要的能量輸出任務，電壓調節所需要的磁場變化部分由輔助電勵磁部分的電勵磁繞組來實現。

結合混合勵磁發電機的工作原理可知，當發電機轉速變化或者負載變化時，發電機的輸出電壓隨之發生變化，要保持其輸出電壓穩定，只需要調節電勵磁部分的勵磁繞組電流大小或方向，從而調節氣隙中的合成磁場的大小，穩定混合勵磁發電機的輸出電壓。

考慮到混合勵磁發電機的工作特性，由此提出本文所設計的穩壓系統的總體方案。

發電機經整流后的直流輸出電壓，經過分壓和限幅，輸入DSP的AD（模擬/數字）轉換模塊，AD轉換后的數據經過濾波消除干擾信號后，與基準電壓值（對應AD中的某一數字量）比較，再將比較的差值通過PID控制算法運算，得到所需的調整量。最后將調整量用于控制DSP的PWM輸出，驅動H橋電路，改變勵磁線圈中勵磁電流的大小或方向。

二、實驗調試及結果

本設計初步做出了AD電路的仿真和實物，PWM驅動電路的電路仿真和實物，通過檢測符合實驗要求。

當輸入電壓大于基準值時，電機順時針轉動，并且隨著電壓的增加轉速不斷增加，直到增加到最大轉速。說明當發電機輸出電壓大于14V時，控制系統將使勵磁電流反向，減小勵磁磁場的大小，從而減小定子繞組中的合成磁場，以減小發電機輸出電壓。

當輸入電壓等于基準值時，電機兩端電壓為O，電機保持不動。也就是說，當發電機輸出電壓為14V時，勵磁電流為0或為恒定值，以保持發電機輸出電壓狀態。

當輸入電壓小于基準值時，并且隨著電壓的減小轉速不斷增加，直到增加到最大轉速。也就是說，當發電機輸出電壓小于14V時，控制系統將使勵磁線圈流過正向電流，以增大勵磁磁場的大小，從而增大定子繞組中的合成磁場，以增大發電機輸出電壓。

因此，穩壓控制系統的作用是控制混合勵磁發電機的電勵磁繞組電流的大小和方向，當發電機轉速及負荷改變而使得發電機端電壓隨之變化時，穩壓控制系統能隨著端電壓的變化自動調節勵磁電流的大小和方向，以調節勵磁磁場的大小，從而調節定子繞組中的合成磁場，使發電機端電壓保持在給定水平并保證較高的調壓速度和精度，以滿足發電機的正常發電和負載安全運行的需要。