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(lì)磁裝置多為開(kāi)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(hù)麻煩，整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)效率低。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器開(kāi)始采用一些新的器件。以DSP為核心控制器的新型勵(lì)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(guò)軟件實(shí)現(xiàn)勵(lì)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(kuò)充了許多模擬電路難以實(shí)現(xiàn)的功能，充分體現(xiàn)了新型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的優(yōu)越性。本文主要對(duì)直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)PI參數(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了著重分析，以求使系統(tǒng)達(dá)到更好的調(diào)節(jié)效率和運(yùn)行穩(wěn)定性，并以TMS320F2407A 芯片為核心設(shè)計(jì)了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的整體軟件結(jié)構(gòu)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的實(shí)際可行性。

1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)PI參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

直流電機(jī)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(jī)電樞回路等效電路

其中Tm=GD2R/(375CeCm)為機(jī)電時(shí)間常數(shù)，含有Φ信息。

將三個(gè)方程對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)合并，可得到直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 直流電機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

1.2 弱磁調(diào)節(jié)器PI參數(shù)設(shè)計(jì)

為了獲得閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)良動(dòng)態(tài)性能，必須使用調(diào)節(jié)器將系統(tǒng)改造成標(biāo)準(zhǔn)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(jì)有一套成熟、實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法。對(duì)于數(shù)字控制系統(tǒng)，按連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái)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(dòng)機(jī)采用弱磁調(diào)速，因此當(dāng)磁通為變量時(shí)，參數(shù)Ce=KeΦ、Cm=KmΦ就不再是常數(shù)。為了分析問(wèn)題方便應(yīng)使Φ在反電動(dòng)勢(shì)方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程中凸現(xiàn)出來(lái)：Ed=KeΦn、Te=KΦId?？梢?jiàn)，隨著Φ的變化，Ed、Te也隨著變化。為了分析與設(shè)計(jì)方便，本文中將弱磁調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，同時(shí)不考慮渦流及磁化曲線非線性的影響。在實(shí)際的直流電機(jī)調(diào)速過(guò)程中，是當(dāng)電動(dòng)機(jī)的速度達(dá)到某一轉(zhuǎn)速時(shí)，才進(jìn)行弱磁調(diào)速，也就是一個(gè)微調(diào)的過(guò)程。 當(dāng)轉(zhuǎn)速在小范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)磁通，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定的目的，因此可認(rèn)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(jiǎn)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(dòng)機(jī)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(shí)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(kāi)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(shí)間常數(shù)；

Ks：表示的是開(kāi)關(guān)管放大系數(shù)；

Kf：電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路電阻的倒數(shù)，即1/Rf；

Tf：勵(lì)磁回路時(shí)間常數(shù)，即Lf/Rf；

KΦ：由磁化特性曲線確定；

GD2：電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示

圖6 按典型II型校正后的動(dòng)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(zhǔn)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(shí)，h=5，得相應(yīng)的參數(shù)值。

2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的總體設(shè)計(jì)

2.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件設(shè)計(jì)

本文中的勵(lì)磁控制主要是針對(duì)主勵(lì)磁系統(tǒng)為絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET 管）勵(lì)磁系統(tǒng)而設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電壓由市電經(jīng)自耦調(diào)壓器后，經(jīng)過(guò)整流橋給電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組提供。電動(dòng)機(jī)的速度反饋由一臺(tái)與直流電動(dòng)機(jī)串接的單相同步發(fā)電機(jī)的端電壓間接反映。發(fā)電機(jī)端電壓經(jīng)檢測(cè)電路后，反饋至DSP的AD轉(zhuǎn)換模塊。DSP對(duì)反饋值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后，發(fā)出占空比可調(diào)的PWM脈沖波，經(jīng)過(guò)光耦隔離電路的電氣隔離后，控制與勵(lì)磁繞組串聯(lián)的MOSFET管的關(guān)斷時(shí)間，勵(lì)磁繞組中的電流相應(yīng)地發(fā)生變化，從而改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的目的。

2.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件設(shè)計(jì)

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

程序首先進(jìn)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(shí)器1的周期下溢中斷啟動(dòng)，AD模塊進(jìn)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(yùn)算結(jié)束后，將調(diào)節(jié)后數(shù)值加載至EVB模塊的定時(shí)器3的比較寄存器CMPR3中[6]，并通過(guò)PWM模塊產(chǎn)生脈寬波形控制開(kāi)關(guān)管的通斷，以改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而完成一次完整的調(diào)節(jié)過(guò)程。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

根據(jù)本文勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，調(diào)試好系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)備，給同步發(fā)電機(jī)加以固定勵(lì)磁。分別進(jìn)行電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、加載、卸載實(shí)驗(yàn)，得到發(fā)電機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在機(jī)組啟動(dòng)、加載以及卸載時(shí)都能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的工作情況對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效、迅速的調(diào)節(jié)，保證了發(fā)電機(jī)端穩(wěn)定的輸出，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的以DSP為核心的直流電動(dòng)機(jī)斬波勵(lì)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(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)腜I調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)勵(lì)磁控制，從而得到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速輸出。相對(duì)于采用模擬電路控制的傳統(tǒng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的勵(lì)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(shí)，由于DSP的引入，更簡(jiǎn)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(wèn)題，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 王兆安, 黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)．北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

[2] 孫寶元, 楊寶清．傳感器及其應(yīng)用手冊(cè)．北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[3] 麥崇．電機(jī)學(xué)與拖動(dòng)基礎(chǔ)．廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 2006.

[4] 陳伯時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)．北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1997.

[5] 劉和平, 嚴(yán)利平.TMS320LF240X DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2002.

[6] Texas Instruments.TMS320c/F24X DSP peripherals reference guide.Texas Instruments, 2003.

[7] David M Alter. Using PWM Output as a Digital-to-Analog Converter on a TMS320C240 DSP. Texas Instruments. November 1998.

[8] TMS320LF240x/240xA Event Manager（EV）Reference Guide（Rev.C）. Texas Instuments. 2004.

[9] L.M.Hajagos,G.R.Berube. Utility Experience with digital excitation systems. IEEE Transactions on Power Systems,February,1998,Vol.13,No.1: 165-170.