數(shù)字式可逆勵磁調(diào)節(jié)器

石磊

（海裝武漢局，武漢430064）

直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)一般有兩種方式，一種是通過調(diào)節(jié)電樞電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，這種調(diào)速方式一般是將轉(zhuǎn)速從額定值向下調(diào)，多用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的場合；還有一種方式是通過調(diào)節(jié)電機(jī)磁場來調(diào)轉(zhuǎn)速，這種方式一般將轉(zhuǎn)速從額定值向上調(diào)，多用于恒功率負(fù)載的場合。用于調(diào)節(jié)電機(jī)磁場的裝置稱之為勵磁調(diào)節(jié)器。傳統(tǒng)的勵磁調(diào)節(jié)器，勵磁電流通過模擬電路單向調(diào)節(jié)，電機(jī)的反轉(zhuǎn)通過開關(guān)反向勵磁電壓來實(shí)現(xiàn)。我們設(shè)計(jì)的可逆勵磁調(diào)節(jié)器采用了DSP來進(jìn)行數(shù)字控制，且通過采用IGBT構(gòu)成的H橋來實(shí)現(xiàn)勵磁電流的雙向調(diào)節(jié)，從而可通過改變磁場方向來改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。

1 系統(tǒng)組成

可逆勵磁調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)原理如圖1所示。主要由濾波電路、可逆斬波電路、測速發(fā)電機(jī)TG、電流傳感器T、和以DSP為核心的調(diào)節(jié)電路等幾部分組成。電容及電感組成濾波電路，抑制斬波器工作時對觀通等設(shè)備的無線電干擾。由測速發(fā)電機(jī)檢測推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為勵磁調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速反饋信號送至調(diào)節(jié)電路。由霍爾元件T檢測勵磁電流反饋給勵磁調(diào)節(jié)器，以加快勵磁電流的調(diào)節(jié)過程。一旦產(chǎn)生故障.可通過故障檢測電路，封鎖PWM輸出。同時當(dāng)電樞電流過大時，調(diào)節(jié)器具有一定的電樞電流截止功能。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)的控制分為速度環(huán)(外環(huán))和電流環(huán)(內(nèi)環(huán))控制。它們均采用PI調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)有較好的動態(tài)和靜態(tài)特性。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 可逆斬波電路

本調(diào)節(jié)器采用 IGBT器件作為功率控制元件。IGBT是一種新發(fā)展起來的復(fù)合型電力電子器件，它具有耐高壓、電流大的特點(diǎn)，同時控制電路簡單，穩(wěn)定性好，因此在國內(nèi)外變流裝置中得到廣泛應(yīng)用。

在本裝置中，四個IGBT構(gòu)成H橋可逆斬波電路。電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)系統(tǒng)處于前進(jìn)狀態(tài)時，VT1、VT4進(jìn)行PWM斬波，VT2、VT3關(guān)斷；當(dāng)系統(tǒng)處于后退狀態(tài)時，VT2、VT3進(jìn)行PWM斬波，VT1、VT4關(guān)斷。當(dāng)系統(tǒng)由前進(jìn)轉(zhuǎn)為后退狀態(tài)時，首先，由控制電路發(fā)出關(guān)斷信號關(guān)斷所有的功率管VT1～VT4；接著控制電路延時一段時間，使得VT1、VT4完全關(guān)斷，此時勵磁繞組將通過IGBT內(nèi)部反向二極管對電池充電；然后控制電路會將PWM斬波信號加到VT2、VT3上，使勵磁電流進(jìn)入反向運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 緩沖電路

當(dāng)主電路進(jìn)行PWM斬波時，會在IGBT兩端產(chǎn)生過電壓。這是由于IGBT的開關(guān)速度較高，當(dāng)IGBT關(guān)斷及反向二極管（FWD）逆向恢復(fù)時，會在主電路中產(chǎn)生很高的di/dt，于是在主電路的接線電感中就產(chǎn)生了Ldi/dt電壓（關(guān)斷浪涌電壓），這個值會隨著開關(guān)頻率的增加而變大。為了防止浪涌電壓損壞 IGBT，需要在主電路中采用緩沖電路，本系統(tǒng)采用的是放電阻止型緩沖電路，緩沖電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 緩沖電路圖

在設(shè)計(jì)該緩沖電路時，主要的工作是計(jì)算緩沖電容的容量及緩沖電阻的阻值。緩沖電容按下式計(jì)算：

式中L為主電路的分布電感，I0為IGBT關(guān)斷時的集電極電流，VCEP為緩沖電容電壓的最終值，Ed為直流電源電壓。

緩沖電阻按下式計(jì)算：

式中:Cs緩沖電容值，f為IGBT工作時的開關(guān)頻率。

2.3 驅(qū)動電路

控制電路的信號要經(jīng)過驅(qū)動電路的隔離和放大后才能驅(qū)動主電路的 IGBT，我們選用了CT-Concept公司的 2SD315A驅(qū)動模塊來驅(qū)動IGBT。該模塊工作時只需提供一路15 V電源，內(nèi)部提供了控制電路與主電路的隔離，一個模塊可以驅(qū)動兩路獨(dú)立的IGBT，提供短路保護(hù)功能，提供兩種與控制回路的連接電平（+15 V連接和+5 V連接）。由于該模塊的結(jié)構(gòu)緊湊、功能完善、對外接口簡單，因此用它來設(shè)計(jì)IGBT的驅(qū)動電路非常方便。

我們用兩個 2SD315A模塊來驅(qū)動主電路的H橋，只需外加很少的外部元件。在連接驅(qū)動電路與IGBT時，要注意連線不能太長，最好是小于10 cm，否則會使IGBT的驅(qū)動信號受到較大干擾，造成IGBT的誤觸發(fā)。此外，要根據(jù)IGBT的特性參數(shù)，選擇合適的集射極保護(hù)電壓，選擇合適的門極驅(qū)動電阻。

2.4 控制電路

本調(diào)節(jié)器采用TI公司的TMS320F2407（以下簡稱F2407）型DSP作為核心控制芯片。相對于單片機(jī)來說，相同的時鐘頻率下，DSP有著更快的指令執(zhí)行速度，大部分的指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成。F2407的工作電壓是3.3 V，兼容5V TTL電平，內(nèi)嵌32K字的flashROM、544字的DRAM和2K字的SRAM；此外F2407還配置有CAN控制器、異步串行通訊口（SCI）、同步外設(shè)接口（SPI）、2×8路10位的A/D轉(zhuǎn)換通道、硬件看門狗電路、以及大量的數(shù)字I/O端口。

我們使用F2407片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換通道采樣轉(zhuǎn)速設(shè)定、反饋轉(zhuǎn)速以及勵磁電流等模擬量；使用F2407片內(nèi)的存儲器存放程序，外擴(kuò)RAM 芯片IS61LV6416作數(shù)據(jù)存儲器。使用SPI接口擴(kuò)展一片串行EEPROM用于存放參數(shù), 具體參數(shù)包括速度環(huán)和電流環(huán)的增益和時間常數(shù)。為了及時了解到設(shè)定轉(zhuǎn)速、反饋轉(zhuǎn)速以及勵磁電流的變化情況，我們設(shè)計(jì)了LED顯示電路來顯示這些變量。同時設(shè)計(jì)了CAN接口，可與上位機(jī)進(jìn)行通信。

由于充分的使用了F2407片內(nèi)的資源，使得硬件電路得到簡化，提高了整個裝置的可靠性。

2.5 電流檢測電路

電流檢測采用的是應(yīng)用霍爾原理電流傳感器LT100，測量范圍為0～100 A，電源電壓±15 V，精度±0.5 ，絕緣電壓3 kV，輸出電流為0～100 mA。采取電壓的輸出形式，需要在電流輸出端與供電電源零點(diǎn)之間串聯(lián)一負(fù)載電阻。根據(jù)所取電壓大小選取電阻值和及其功率。電流信號經(jīng)過信號調(diào)理電路輸入到DSP芯片的A/D采樣通道。

2.6 轉(zhuǎn)速檢測電路

轉(zhuǎn)速檢測采用的是測速發(fā)電機(jī)，測速發(fā)電機(jī)輸出的電壓信號經(jīng)過隔離、電平轉(zhuǎn)換輸入到DSP芯片的A/D采樣通道。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

本調(diào)節(jié)器的軟件開發(fā)環(huán)境選用TI推出的用于開發(fā)其DSP芯片的集成開發(fā)環(huán)境CodeComposer Studio。由于C語言有著良好的可讀性和易移植性，所以我們選用C語言開發(fā)程序。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

軟件是由主程序和定時中斷程序組成。

主程序流程如圖3所示，調(diào)節(jié)器在上電或硬件復(fù)位后，開始DSP初始化和系統(tǒng)變量初始化,封鎖PWM輸出，然后進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)過程中進(jìn)行IO口掃描和顯示程序。IO口掃描程序接受外部的控制命令，顯示程序?qū)㈦姍C(jī)的轉(zhuǎn)速和勵磁電流送到LED顯示器上顯示。

定時中斷程序是系統(tǒng)的控制核心，程序流程如圖4所示，它包括轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)PI調(diào)節(jié)程序，對轉(zhuǎn)速和勵磁電流進(jìn)行閉環(huán)控制。其中速度環(huán)的計(jì)算周期為100ms，電流環(huán)的計(jì)算周期為10ms。

要實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速和勵磁電流的控制，首先要獲得轉(zhuǎn)速和勵磁電流的值，這個功能由數(shù)據(jù)采集程序來完成。數(shù)據(jù)采集程序使用F2407內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器來采集所需的數(shù)據(jù)，為了減小采集數(shù)據(jù)受到的干擾，每個數(shù)據(jù)都被采樣了四次，去掉最大值和最小值后再取平均值。

圖3 主程序流程圖

圖4 定時中斷程序流程圖

4 結(jié)束語

試驗(yàn)證明，由DSP構(gòu)成的數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器有著良好的工作性能；同時能方便的實(shí)現(xiàn)勵磁電流反向。

[1] 顧繩谷. 電機(jī)及拖動基礎(chǔ). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996年.

[2] TMs320LF／Lc24ox DSP Controllers System and Peripherals，2000.

[3] TMs320LF／Lc24ox DSP Controllers CPU and Instruction Set，2000.