摘要 弱磁調(diào)速法，以其能量損耗小、調(diào)速平滑性高等優(yōu)點，在很多場合還有著廣泛的應(yīng)用。對于完全采用弱磁調(diào)速的直流電機來說，這是一種理想的辦法。本文采用DSP控制器，設(shè)計了具有電壓前饋、電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速閉環(huán)的弱磁調(diào)速系統(tǒng)。給出了最小弱磁限制方法，可有效防止飛車現(xiàn)象。根據(jù)被控電機的特殊性要求及DSP控制器的硬件結(jié)構(gòu)，詳細(xì)給出了控制策略和實現(xiàn)方法。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)字濾波及看門狗技術(shù)提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。實驗證明，本控制系統(tǒng)可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好。 關(guān)鍵詞 DSP 弱磁調(diào)速 最小弱磁曲線 　　 1 前言 　　 完全采用弱磁調(diào)速的直流電機，一般應(yīng)用于對于空間體積要求不太嚴(yán)格的場合，特別在一些大功率電機穩(wěn)速系統(tǒng)中。弱磁調(diào)速這種方法，與采用PWM變換器的電樞電壓調(diào)速方法，在大功率應(yīng)用上相比具有很大的優(yōu)越性，其優(yōu)點是：調(diào)節(jié)功率小，控制方便，能量損耗小，調(diào)速的平滑性較高。這種調(diào)速方法在不經(jīng)常逆轉(zhuǎn)的重型機床等對調(diào)節(jié)時間要求不高的場合中，有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用[1]。 　　 目前可關(guān)斷器件和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，使弱磁調(diào)速系統(tǒng)中原來采用模擬器件完成的功能，完全可以用數(shù)字控制技術(shù)實現(xiàn)，例如軟啟動、最小弱磁電壓限制等，都可以通過脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）實現(xiàn)。TMS320LF2407芯片作為DSP控制器24x系列的新成員，其多路PWM輸出信道，使這款芯片可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制器設(shè)計。 　　 本文針對完全采用弱磁調(diào)速的直流電機，以DSP作為控制器，采用電壓前饋、電流截止負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，設(shè)計了一個弱磁穩(wěn)速控制系統(tǒng)。 　　 2 系統(tǒng)分析及功能要點 　　 針對被控電機的特點以及所采用的調(diào)速方法，控制系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮如下問題。 　　 1）一般供電系統(tǒng)中必然存在電壓波動問題。因而控制系統(tǒng)必須能夠適應(yīng)供電電壓的大幅度波動。 2）弱磁調(diào)速方法存在機械特性偏軟的問題，結(jié)合轉(zhuǎn)速閉環(huán)的弱磁調(diào)速方法則能有效改善系統(tǒng)的機械特性。 3）飛車是弱磁調(diào)速存在的最大問題，因此最小弱磁限制是非常重要的。在供電電壓不變時，最小弱磁限制為常數(shù)；當(dāng)電壓波動時，顯然最小弱磁限制是一條隨供電電壓變化的曲線。 4）當(dāng)供電電壓過低，而電機又要穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速，并且輸出轉(zhuǎn)矩不變，此時電機的工作電流會增大，為抑制電流的變化使電機不出現(xiàn)過流，電流截至負(fù)反饋也是非常必要的。 5）控制系統(tǒng)設(shè)計中，還必須解決電機啟動電流問題。軟啟動無疑是一種很好的辦法。此外，采用軟關(guān)斷來停止電機工作，對系統(tǒng)也是一種有效的保護(hù)。 　　 通過以上分析可知，所設(shè)計的控制系統(tǒng)需具有以下功能：軟啟動、軟關(guān)斷、最小弱磁限制、轉(zhuǎn)速閉環(huán)PI調(diào)節(jié)、電流截止負(fù)反饋和系統(tǒng)工作異常保護(hù)等。 　　 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及基本工作原理 　　 所采用的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 整個系統(tǒng)可分為兩個部分，虛線框外的主功率電路部分和框內(nèi)的控制部分。主功率電路為電機提供電流電壓；控制部分一方面提供開關(guān)管T1和T2的控制信號，一方面采集電流電壓和轉(zhuǎn)速信號實現(xiàn)控制功能。 　　 圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖1中功率開關(guān)管T1與電動機勵磁繞組串接，控制勵磁回路電壓。T2與電樞繞組串接，主要解決電機啟動問題。二極管D1與勵磁繞組并接，在開關(guān)管T1關(guān)斷時為勵磁繞組回路提供釋放電感儲能的續(xù)流回路。二極管D2與電機電樞繞組并接，在開關(guān)管T2關(guān)斷時為電 樞回路提供續(xù)流回路。系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速信號由光盤編碼器檢測，電樞電流、電壓信號則由霍爾傳感器來測量。 　　 直流電動機啟動時，必須先保證先有磁場，而后加電樞電壓。啟動時首先由T1管輸出一個具有固定占空比的PWM信號，然后控制開關(guān)管T2的倒通關(guān)斷，使其占空比從零快速平滑變化倒百分之百。這樣通過對電樞電壓的控制，實現(xiàn)了電機的軟啟動，啟動完畢后開關(guān)管T2直通，系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)狀態(tài)。此時根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋信息，由DSP構(gòu)成的數(shù)字PI調(diào)節(jié)器來控制T1輸出的PWM信號占空比，從而改變勵磁電壓，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到給定值。 　　 4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)方法 　　 1）軟啟動和軟關(guān)斷 　　 當(dāng)DSP控制系統(tǒng)檢測到外部啟動信號，則發(fā)出PWM信號啟動系統(tǒng)。軟啟動實現(xiàn)方法在系統(tǒng)基本工作原理中已有說明。采用同樣的方法，我們也可以在電機停止時軟關(guān)斷，即開關(guān)管輸出脈寬從大到小快速減小到零。必須注意關(guān)斷時應(yīng)先關(guān)斷電樞電壓然后切斷勵磁，否則會導(dǎo)致電機飛車。 　　 2）最小弱磁限制 　　 直流電機轉(zhuǎn)速特性： 對于轉(zhuǎn)速穩(wěn)定系統(tǒng)，可假設(shè)轉(zhuǎn)速 與電磁轉(zhuǎn)矩 為常數(shù)。這樣，由（4）式可知，PWM變換器輸出占空比與供電電壓間的關(guān)系，可以用一條曲線來表示，顯然這就是最小弱磁限制曲線。當(dāng)系統(tǒng)工作在（4）式對應(yīng)的曲線以上時（安全工作區(qū)），其轉(zhuǎn)速不可能超過 。 　　 然而實際工作中，電機參數(shù)很難準(zhǔn)確取得，由（4）式得到的最小弱磁曲線與實際曲線存在一定的誤差。但在初始設(shè)計階段，我可以對電機參數(shù)進(jìn)行簡單的測量和估算，根據(jù)測量值設(shè)計一條初始曲線，然后通過實驗來校正，直到達(dá)到滿意的控制效果。圖2是我們實際測得的某電機最小弱磁曲線。 　　 最小弱磁限制的另一個功能是：當(dāng)轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題（相當(dāng)于系統(tǒng)工作在開環(huán)狀態(tài)），系統(tǒng)仍能夠正常工作。此時斬波器的輸出就是根據(jù)最小弱磁曲線計算出的占空比。 　　 3）轉(zhuǎn)速閉環(huán)PI調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定由DSP構(gòu)成的數(shù)字PI調(diào)節(jié)器完成，調(diào)節(jié)器輸入為轉(zhuǎn)速誤差信號，輸出為PWM占空比。這是一個具有限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器。如前所述，PWM信號占空比不能小于最小弱磁限制，顯然對PI調(diào)節(jié)器作了下限幅。為了保證PI調(diào)節(jié)器有足夠的調(diào)節(jié)余量，并考慮到開關(guān)管占空比損失，系統(tǒng)工作的實際最小弱磁曲線比理想曲線（轉(zhuǎn)速n對應(yīng)曲線）應(yīng)更低一些，如圖3所示。為提高系統(tǒng)響應(yīng)特性，對PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行上限幅也是必要的，如圖3所示的上限幅曲線。這樣實際PI調(diào)節(jié)器是工作在一個帶型區(qū)域內(nèi)，其上下限幅點隨著供電電壓決定的最小弱磁點動態(tài)變化。這樣，供電電壓的波動作為一個可測量的擾動信號，通過前饋的方式參與系統(tǒng)工作，既有效防止了電機飛車，又提高轉(zhuǎn)速閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器的性能。 4）電流截止負(fù)反饋 　　 通過監(jiān)測電機電流，當(dāng)其大于某一值時，引入電流反饋，使PI調(diào)節(jié)器輸入減小，功率開關(guān)管輸出電壓下降，從而抑制電流增長。這種只有當(dāng)電流大于某規(guī)定值后，才引入電流負(fù)反饋的控制，既防止了主電路電流過大，又能保證調(diào)速系統(tǒng)在限定電流以內(nèi)工作時，電流反饋不起作用，使調(diào)速系統(tǒng)具有較硬的靜態(tài)特性。 　　 5）系統(tǒng)工作異常保護(hù) 　　 控制系統(tǒng)的保護(hù)處理分為硬件保護(hù)和軟件保護(hù)。對于過流、過壓等對系統(tǒng)可能產(chǎn)生損壞的狀態(tài)，只有硬件保護(hù)才能足夠快地保護(hù)系統(tǒng)。而對于欠壓、功率、超速等對電機和控制系統(tǒng)影響不是太致命的狀態(tài)，只要DSP控制器采樣速度足夠高，可根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)軟件處理。 　　 5 控制器硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計 　　 5．1 DSP控制器硬件結(jié)構(gòu) DSP控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。電樞電壓和電流信號經(jīng)過信號調(diào)理電路接到DSP的AD采樣口；啟動停止信號通過捕獲單元來獲?。浑姍C轉(zhuǎn)速反饋信號為正弦波，需經(jīng)信號調(diào)理電路濾波整形變成一個方波信號，才能接到DSP的捕獲單元。DSP的輸出信號分別為通用定時器1和通用定時器2產(chǎn)生的PWM信號，對應(yīng)DSP的T1PWM和T2PWM引腳。T1PWM輸出信號作為開關(guān)管T1的控制信號，T2PWM則為開關(guān)管T2的控制信號。來自功率驅(qū)動電路的保護(hù)信號接到DSP的功率保護(hù)引腳PDPINTA上。 5．2 軟件設(shè)計 　　 1） 主循環(huán)流程圖如圖5所示 　　 系統(tǒng)初始化完畢后，通過高速檢測開關(guān)信號來確定是否啟動系統(tǒng)。當(dāng)捕獲單元2捕獲到啟動信號，捕獲單元2發(fā)生中斷，并向DSP發(fā)出中斷請求。在中斷服務(wù)程序中將系統(tǒng)啟動標(biāo)志置1，主循環(huán)檢測該標(biāo)志，并在標(biāo)志為1時進(jìn)入啟動系統(tǒng)子程序。同樣，當(dāng)捕獲單元1捕獲到停止脈沖信號，則將系統(tǒng)停止標(biāo)志置1。當(dāng)主循環(huán)檢測到該標(biāo)志為1，進(jìn)入停止系統(tǒng)子程序，停止系統(tǒng)。 　　 2） 系統(tǒng)啟動子程序 　　 系統(tǒng)啟動子程序需要完成兩個功能：軟啟動和轉(zhuǎn)速閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，流程圖如圖6所示。 　　 軟啟動設(shè)有軟啟動標(biāo)志，只有在該標(biāo)志為1時執(zhí)行軟啟動，啟動結(jié)束后該標(biāo)志清零。 　　 轉(zhuǎn)速閉環(huán)PI調(diào)節(jié)包括兩個部分：PI調(diào)節(jié)器輸出計算和PWM脈寬調(diào)節(jié)。PI調(diào)節(jié)器輸出計算在轉(zhuǎn)速值更新后進(jìn)行，否則輸出脈寬只根據(jù)PI運算的歷史值變化。PWM脈寬調(diào)節(jié)使脈寬從當(dāng)前值平滑變化到PI調(diào)節(jié)器計算出的新值，實現(xiàn)平滑調(diào)速。 　　 本系統(tǒng)中采用的數(shù)字PI調(diào)節(jié)器原理框圖如圖7所示。其中N為給定轉(zhuǎn)速，n為測量到的電機轉(zhuǎn)速，I和U分別為采樣得到的電機電流和電壓信號。PI調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋的誤差信號e=N-n，計算出相應(yīng)的輸出 。 與PI調(diào)節(jié)器的最后輸出 應(yīng)滿足如下關(guān)系： 其中 _min 為由前饋電壓信號得到的弱磁下限值；a為常數(shù)， 即弱磁上限。 在電流環(huán)，當(dāng)檢測到I值過大時，電流參與PI調(diào)節(jié)器的控制，A為電流環(huán)增益。 　　 3） 系統(tǒng)停止子程序 　　 系統(tǒng)停止子程序主要完成軟關(guān)斷和清除工作標(biāo)志兩項功能。軟關(guān)斷過程與軟啟動過程類似，只是PWM信號占空比反方向變化。清除工作標(biāo)志包括清除系統(tǒng)寄存器和清除用戶標(biāo)志，此外有關(guān)系統(tǒng)重啟動時用到的變量需要重新初始化。 4） 軟件抗干擾設(shè)計 　　 圖7 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器原理框圖 常用的軟件抗干擾方法有數(shù)字濾波技術(shù)和看門狗技術(shù)。數(shù)字濾波技術(shù)可以有效消除輸入信號噪聲，看門狗技術(shù)可以防止系統(tǒng)停止響應(yīng)。 　　 本系統(tǒng)需對電壓、電流以及轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行采集，為消除功率電路及電機上的高頻干擾信號，采用了防脈沖干擾的滑動濾波法。 　　 看門狗分為硬件看門狗和軟件看門狗。利用DSP內(nèi)部的硬件看門狗監(jiān)視主循環(huán)的運行。看門狗定時器的定時時間稍大于主程序正常運行一個循環(huán)的時間，在主程序運行過程中執(zhí)行一次定時器時間常數(shù)刷新操作。程序正常運行時，定時器不會出現(xiàn)定時中斷。一旦程序運行失常，不能及時刷新定時器時間常數(shù)而導(dǎo)致看門狗溢出，系統(tǒng)就會復(fù)位。 　　 主循環(huán)使用了硬件看門狗，則中斷服務(wù)程序只能由軟件看門狗來監(jiān)視。在主循環(huán)中設(shè)置軟件定時器，其定時時間大于中斷時間，在中斷程序中執(zhí)行一次軟件計數(shù)器刷新操作。當(dāng)中斷失效不能刷新計數(shù)器時，軟件定時器出現(xiàn)溢出，系統(tǒng)復(fù)位。 　　 6 實驗結(jié)果 　　 系統(tǒng)設(shè)計安裝完成后，我們對系統(tǒng)的性能進(jìn)行如下三個方面測試： 　　1）啟動電流和工作異常保護(hù)點測試。實驗測試到電機啟動電流接近于電機的工作電流，測試到的保護(hù)點與設(shè)計保護(hù)點相同。 　　2）開環(huán)弱磁曲線測試。開環(huán)條件下，改變作為前饋環(huán)節(jié)的供電電壓，使系統(tǒng)工作在最小弱磁曲線上，測得電機轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速5%。這說明一方面系統(tǒng)在閉環(huán)時有足夠的余量可調(diào)節(jié)，另一方面即使轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，電機也不會飛車。 　　3）閉環(huán)穩(wěn)速性能測試。轉(zhuǎn)速閉環(huán)條件下，測得PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性高，超調(diào)量為5%，調(diào)節(jié)時間小于１s。 　　大量的實驗證明，本系統(tǒng)控制效果良好，可靠性高，穩(wěn)定性好，對于完全采用弱磁調(diào)速的直流電機來說是一個理想的調(diào)速方案。由于采用了數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，PI參數(shù)修改方便，大大縮短了系統(tǒng)的調(diào)試時間，簡單易行。 　　 參考文獻(xiàn) 　　1 顧繩谷．電機及拖動基礎(chǔ)．北京：機械工業(yè)出版社，1986 　　2 王耀德．直流電動機的有限弱磁調(diào)速及其穩(wěn)定性分析．電氣傳動自動化，1997.5:17-21 　　3 張世銘，王振和．直流調(diào)速系統(tǒng)．武漢：華中理工大學(xué)出版社，1993 　　4 劉和平．TMS320LF240x DSP結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用．北京：航空航天大學(xué)出版社，2002 　　5 Nishikata, S. （Tokyo Denki Univ）， Takanami, W.， Kataoka, T.Ishizaki, A.．Consideration to the operation limit of a field-weakening speed control system for a self-controlled synchronous motor．IEE Conference 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