基于DSP的直流電動機勵磁系統(tǒng)設(shè)計

羅瀟，韋春健

(海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室，桂林 541002)

0 引言

目前采用的勵磁裝置多為開環(huán)控制，穩(wěn)定性差，元器件老化，響應(yīng)速度慢，電能損耗大，維護麻煩，整個勵磁系統(tǒng)效率低。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，勵磁調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器，可使系統(tǒng)的集成度、響應(yīng)速度和可靠性都大大提高。通過軟件實現(xiàn)勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)和限制功能，不僅取代了復(fù)雜的調(diào)節(jié)和限制電路，更擴充了許多模擬電路難以實現(xiàn)的功能，充分體現(xiàn)了新型勵磁調(diào)節(jié)器的優(yōu)越性。本文主要對直流電動機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)PI參數(shù)的設(shè)計進行了著重分析，以求使系統(tǒng)達到更好的調(diào)節(jié)效率和運行穩(wěn)定性，并以TMS320F2407A 芯片為核心設(shè)計了勵磁調(diào)節(jié)器的整體軟件結(jié)構(gòu)。最后通過實驗驗證了本文設(shè)計的勵磁調(diào)節(jié)器的實際可行性。

1 勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)PI參數(shù)設(shè)計

1.1 直流電機的動態(tài)數(shù)學(xué)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(jīng)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(shù)，含有Φ信息。

將三個方程對應(yīng)的傳遞函數(shù)合并，可得到直流電機的動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 直流電機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

1.2 弱磁調(diào)節(jié)器PI參數(shù)設(shè)計

為了獲得閉環(huán)運動控制系統(tǒng)的優(yōu)良動態(tài)性能，必須使用調(diào)節(jié)器將系統(tǒng)改造成標準典型的系統(tǒng)。一般最常用的是PI調(diào)節(jié)串聯(lián)校正裝置。連續(xù)系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器設(shè)計有一套成熟、實用的工程設(shè)計方法。對于數(shù)字控制系統(tǒng)，按連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計出來的PI參數(shù)只需離散化處理即可，圖3為最基本的調(diào)速框圖。

圖3 最基本調(diào)速框圖

本文中的直流電動機采用弱磁調(diào)速，因此當磁通為變量時，參數(shù)Ce=KeΦ、Cm=KmΦ就不再是常數(shù)。為了分析問題方便應(yīng)使Φ在反電動勢方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程中凸現(xiàn)出來：Ed=KeΦn、Te=KΦId?？梢?，隨著Φ的變化，Ed、Te也隨著變化。為了分析與設(shè)計方便，本文中將弱磁調(diào)速系統(tǒng)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(diào)速過程中，是當電動機的速度達到某一轉(zhuǎn)速時，才進行弱磁調(diào)速，也就是一個微調(diào)的過程。 當轉(zhuǎn)速在小范圍內(nèi)變動時，可以通過小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)磁通，使電動機的轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定的目的，因此可認為CeΦn只是在小范圍內(nèi)調(diào)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(tài)下雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[5]如圖4所示。

圖4 直流電動機弱磁調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖5 轉(zhuǎn)速環(huán)等效結(jié)構(gòu)圖

為了將反饋環(huán)節(jié)移到前向通道內(nèi)，形成單位反饋。在給定通道上也加一濾波環(huán)節(jié)(1:1)，其實Ton很小。轉(zhuǎn)速環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖等效圖如圖5所示。

轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型II型系統(tǒng)，采用PI調(diào)節(jié)器。這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)：

式中各參數(shù)的含義如下：

α：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；

Tfn：轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)；

Ks：表示的是開關(guān)管放大系數(shù)；

Kf：電動機勵磁回路電阻的倒數(shù)，即1/Rf；

Tf：勵磁回路時間常數(shù)，即Lf/Rf；

KΦ：由磁化特性曲線確定；

GD2：電動機軸上的飛輪轉(zhuǎn)動質(zhì)量；

Km：轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

Id：電樞電流。

因此：

校正成典型II型系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示

圖6 按典型II型校正后的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇

按Mpmin準則及典型II型系統(tǒng)關(guān)系式得

則調(diào)節(jié)器參數(shù)為

取“工程最佳”參數(shù)時，h=5，得相應(yīng)的參數(shù)值。

2 勵磁調(diào)節(jié)器的總體設(shè)計

2.1 勵磁調(diào)節(jié)器的硬件設(shè)計

本文中的勵磁控制主要是針對主勵磁系統(tǒng)為絕緣柵型場效應(yīng)管（MOSFET 管）勵磁系統(tǒng)而設(shè)計的，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

直流電動機的勵磁電壓由市電經(jīng)自耦調(diào)壓器后，經(jīng)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(fā)電機的端電壓間接反映。發(fā)電機端電壓經(jīng)檢測電路后，反饋至DSP的AD轉(zhuǎn)換模塊。DSP對反饋值進行PI調(diào)節(jié)后，發(fā)出占空比可調(diào)的PWM脈沖波，經(jīng)過光耦隔離電路的電氣隔離后，控制與勵磁繞組串聯(lián)的MOSFET管的關(guān)斷時間，勵磁繞組中的電流相應(yīng)地發(fā)生變化，從而改變直流電動機的轉(zhuǎn)速輸出，達到實時調(diào)節(jié)的目的。

2.2 勵磁調(diào)節(jié)器的軟件設(shè)計

DSP以其片內(nèi)外設(shè)豐富、數(shù)據(jù)處理能力強等特點，在數(shù)字信號處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文中勵磁系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要就是以TMS320 F2407A芯片為核心進行設(shè)計的?？刂葡到y(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)如圖8所示。

程序首先進行系統(tǒng)初始化，其中包括ADC模塊和PWM模塊的初始化。DSP的AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后取平均值，作為PI調(diào)節(jié)的初值加載到PI調(diào)節(jié)程序中[6]。PI調(diào)節(jié)程序運算結(jié)束后，將調(diào)節(jié)后數(shù)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(chǎn)生脈寬波形控制開關(guān)管的通斷，以改變直流電動機的轉(zhuǎn)速，從而完成一次完整的調(diào)節(jié)過程。

3 實驗與結(jié)論

根據(jù)本文勵磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計，調(diào)試好系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)備，給同步發(fā)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(fā)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(jié)果可以看出，本文設(shè)計的勵磁調(diào)節(jié)器在機組啟動、加載以及卸載時都能夠根據(jù)實時的工作情況對直流電動機轉(zhuǎn)速進行有效、迅速的調(diào)節(jié)，保證了發(fā)電機端穩(wěn)定的輸出，達到了預(yù)期的效果。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的以DSP為核心的直流電動機斬波勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，利用DSP快速、高效的數(shù)據(jù)處理能力，并通過對實際系統(tǒng)進行適當?shù)腜I調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置，對直流電動機轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)勵磁控制，從而得到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速輸出。相對于采用模擬電路控制的傳統(tǒng)勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本文設(shè)計的勵磁調(diào)節(jié)器在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與調(diào)節(jié)效率的同時，由于DSP的引入，更簡化了系統(tǒng)的電路復(fù)雜程度，大大減輕了模擬電路容易產(chǎn)生溫漂而使電源的頻率和電壓發(fā)生偏移的問題，具有很高的應(yīng)用價值。

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