汽車用混合勵磁發(fā)電機DSP控制系統(tǒng)設計與研究

李新運

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

【關鍵詞】混合勵磁，發(fā)電機，穩(wěn)壓，DSP

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

在混合勵磁發(fā)電機發(fā)電系統(tǒng)中，要適應轉速和負載在寬廣的范圍內(nèi)變化，保證輸出電壓恒定，就必須設計出功能強大的勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)。勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過對電力系統(tǒng)參數(shù)的監(jiān)測，控制發(fā)電機組的出力，從而決定著發(fā)電機組所送出電能的質(zhì)量高低。

勵磁調(diào)節(jié)器在勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中直接擔負著數(shù)字控制的任務。按照勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展歷程，勵磁調(diào)節(jié)器可分為半導體式和微機式。隨著電子技術和大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，微機勵磁調(diào)節(jié)器逐漸取代了半導體式勵磁調(diào)節(jié)器。微機勵磁調(diào)節(jié)器與半導體式勵磁調(diào)節(jié)器相比具有許多優(yōu)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(diào)節(jié)器可以實現(xiàn)復雜的控制策略，可以實現(xiàn)完備的限制及保護功能、通用而靈活的系統(tǒng)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(diào)節(jié)準確、精度高、在線改變參數(shù)方便、可靠性高、無故障工作時間長、通信方便等優(yōu)點。

基于DSP的混合勵磁恒壓發(fā)電機與傳統(tǒng)的發(fā)電機相比，性能指標顯著提高。該種發(fā)電機電壓調(diào)整率很小，具有接近水平的外特性，全自動調(diào)壓，可動態(tài)實時調(diào)節(jié)輸出功率，發(fā)電機適應負載范圍寬、過載能力強、節(jié)能效果明顯，可顯著改善供電品質(zhì)，提高供電系統(tǒng)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(fā)電機發(fā)展的主要方向之一。

本文設計了以TMS320LF2407為核心的混合勵磁發(fā)電機控制系統(tǒng)，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(nèi)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(tǒng)應用提供了一個理想的解決方案。本文對混合勵磁發(fā)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(tǒng)性能指標要求。

一、穩(wěn)壓控制總體方案

混合勵磁發(fā)電機是一種能解決永磁發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)問題的新型發(fā)電機，這種發(fā)電機可以看成由兩部分組成：主要部分和稀土永磁發(fā)電機相同，稱為主發(fā)電機部分;而輔助調(diào)節(jié)電壓的部分類似于電勵磁發(fā)電機，稱為輔助電勵磁部分。兩部分共有一套電樞繞組，主發(fā)電機部分承擔主要的能量輸出任務，電壓調(diào)節(jié)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(xiàn)。

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

考慮到混合勵磁發(fā)電機的工作特性，由此提出本文所設計的穩(wěn)壓系統(tǒng)的總體方案。

發(fā)電機經(jīng)整流后的直流輸出電壓，經(jīng)過分壓和限幅，輸入DSP的AD（模擬/數(shù)字）轉換模塊，AD轉換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波消除干擾信號后，與基準電壓值（對應AD中的某一數(shù)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(diào)整量。最后將調(diào)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(diào)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(fā)電機輸出電壓大于14V時，控制系統(tǒng)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(fā)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(fā)電機輸出電壓為14V時，勵磁電流為0或為恒定值，以保持發(fā)電機輸出電壓狀態(tài)。

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(fā)電機輸出電壓小于14V時，控制系統(tǒng)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(fā)電機輸出電壓。

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