基于DSP的直流電機弱磁調速系統設計

摘要 弱磁調速法，以其能量損耗小、調速平滑性高等優點，在很多場合還有著廣泛的應用。對于完全采用弱磁調速的直流電機來說，這是一種理想的辦法。本文采用DSP控制器，設計了具有電壓前饋、電流截止負反饋的轉速閉環的弱磁調速系統。給出了最小弱磁限制方法，可有效防止飛車現象。根據被控電機的特殊性要求及DSP控制器的硬件結構，詳細給出了控制策略和實現方法。在此基礎上，利用數字濾波及看門狗技術提高了系統的抗干擾性能。實驗證明，本控制系統可靠性高、結構簡單、穩定性好。
　　關鍵詞 DSP 弱磁調速 最小弱磁曲線
　　1 前言
　　完全采用弱磁調速的直流電機，一般應用于對于空間體積要求不太嚴格的場合，特別在一些大功率電機穩速系統中。弱磁調速這種方法，與采用PWM變換器的電樞電壓調速方法，在大功率應用上相比具有很大的優越性，其優點是：調節功率小，控制方便，能量損耗小，調速的平滑性較高。這種調速方法在不經常逆轉的重型機床等對調節時間要求不高的場合中，有著相當廣泛的應用[1]。
　　目前可關斷器件和計算機技術的迅速發展，使弱磁調速系統中原來采用模擬器件完成的功能，完全可以用數字控制技術實現，例如軟啟動、最小弱磁電壓限制等，都可以通過脈寬調制技術（PWM）實現。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復雜的控制器設計。
　　本文針對完全采用弱磁調速的直流電機，以DSP作為控制器，采用電壓前饋、電流截止負反饋和轉速負反饋，設計了一個弱磁穩速控制系統。
　　2 系統分析及功能要點
　　針對被控電機的特點以及所采用的調速方法，控制系統設計中需要考慮如下問題。
　　1）一般供電系統中必然存在電壓波動問題。因而控制系統必須能夠適應供電電壓的大幅度波動。
　　2）弱磁調速方法存在機械特性偏軟的問題，結合轉速閉環的弱磁調速方法則能有效改善系統的機械特性。
　　3）飛車是弱磁調速存在的最大問題，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；當電壓波動時，顯然最小弱磁限制是一條隨供電電壓變化的曲線。
　　4）當供電電壓過低，而電機又要穩定在額定轉速，并且輸出轉矩不變，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過流，電流截至負反饋也是非常必要的。
　　5）控制系統設計中，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，采用軟關斷來停止電機工作，對系統也是一種有效的保護。
　　通過以上分析可知，所設計的控制系統需具有以下功能：軟啟動、軟關斷、最小弱磁限制、轉速閉環PI調節、電流截止負反饋和系統工作異常保護等。
　　3 系統結構框圖及基本工作原理
　　所采用的控制系統結構如圖1所示。
　　整個系統可分為兩個部分，虛線框外的主功率電路部分和框內的控制部分。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管T1和T2的控制信號，一方面采集電流電壓和轉速信號實現控制功能。
　　
　　圖1 控制系統結構圖
　　圖1中功率開關管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，在開關管T1關斷時為勵磁繞組回路提供釋放電感儲能的續流回路。二極管D2與電機電樞繞組并接，在開關管T2關斷時為電
　　

此主題相關圖片如下：

　　樞回路提供續流回路。系統中轉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，然后控制開關管T2的倒通關斷，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，實現了電機的軟啟動，啟動完畢后開關管T2直通，系統進入閉環狀態。此時根據轉速反饋信息，由DSP構成的數字PI調節器來控制T1輸出的PWM信號占空比，從而改變勵磁電壓，使轉速穩定到給定值。
　　4 系統功能實現方法
　　1）軟啟動和軟關斷
　　當DSP控制系統檢測到外部啟動信號，則發出PWM信號啟動系統。軟啟動實現方法在系統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斷，即開關管輸出脈寬從大到小快速減小到零。必須注意關斷時應先關斷電樞電壓然后切斷勵磁，否則會導致電機飛車。
　　2）最小弱磁限制
　　直流電機轉速特性：
　　

此主題相關圖片如下：

　　對于轉速穩定系統，可假設轉速 與電磁轉矩 為常數。這樣，由（4）式可知，PWM變換器輸出占空比與供電電壓間的關系，可以用一條曲線來表示，顯然這就是最小弱磁限制曲線。當系統工作在（4）式對應的曲線以上時（安全工作區），其轉速不可能超過。
　　然而實際工作中，電機參數很難準確取得，由（4）式得到的最小弱磁曲線與實際曲線存在一定的誤差。但在初始設計階段，我可以對電機參數進行簡單的測量和估算，根據測量值設計一條初始曲線，然后通過實驗來校正，直到達到滿意的控制效果。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：當轉速環節出現問題（相當于系統工作在開環狀態），系統仍能夠正常工作。此時斬波器的輸出就是根據最小弱磁曲線計算出的占空比。
　　3）轉速閉環PI調節
　　

此主題相關圖片如下：

　　轉速穩定由DSP構成的數字PI調節器完成，調節器輸入為轉速誤差信號，輸出為PWM占空比。這是一個具有限幅輸出的PI調節器。如前所述，PWM信號占空比不能小于最小弱磁限制，顯然對PI調節器作了下限幅。為了保證PI調節器有足夠的調節余量，并考慮到開關管占空比損失，系統工作的實際最小弱磁曲線比理想曲線（轉速n對應曲線）應更低一些，如圖3所示。為提高系統響應特性，對PI調節器進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調節器是工作在一個帶型區域內，其上下限幅點隨著供電電壓決定的最小弱磁點動態變化。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工作，既有效防止了電機飛車，又提高轉速閉環PI調節器的性能。
　　4）電流截止負反饋
　　通過監測電機電流，當其大于某一值時，引入電流反饋，使PI調節器輸入減小，功率開關管輸出電壓下降，從而抑制電流增長。這種只有當電流大于某規定值后，才引入電流負反饋的控制，既防止了主電路電流過大，又能保證調速系統在限定電流以內工作時，電流反饋不起作用，使調速系統具有較硬的靜態特性。
　　5）系統工作異常保護
　　控制系統的保護處理分為硬件保護和軟件保護。對于過流、過壓等對系統可能產生損壞的狀態，只有硬件保護才能足夠快地保護系統。而對于欠壓、功率、超速等對電機和控制系統影響不是太致命的狀態，只要DSP控制器采樣速度足夠高，可根據采集到的數據軟件處理。
　　5 控制器硬件結構及軟件設計
　　5．1 DSP控制器硬件結構
　　

此主題相關圖片如下：

　　DSP控制器硬件結構如圖4所示。電樞電壓和電流信號經過信號調理電路接到DSP的AD采樣口；啟動停止信號通過捕獲單元來獲取；電機轉速反饋信號為正弦波，需經信號調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產生的PWM信號，對應DSP的T1PWM和T2PWM引腳。T1PWM輸出信號作為開關管T1的控制信號，T2PWM則為開關管T2的控制信號。來自功率驅動電路的保護信號接到DSP的功率保護引腳PDPINTA上。
　　

此主題相關圖片如下：

5．2 軟件設計
　　1） 主循環流程圖如圖5所示
　　系統初始化完畢后，通過高速檢測開關信號來確定是否啟動系統。當捕獲單元2捕獲到啟動信號，捕獲單元2發生中斷，并向DSP發出中斷請求。在中斷服務程序中將系統啟動標志置1，主循環檢測該標志，并在標志為1時進入啟動系統子程序。同樣，當捕獲單元1捕獲到停止脈沖信號，則將系統停止標志置1。當主循環檢測到該標志為1，進入停止系統子程序，停止系統。
　　2） 系統啟動子程序
　　系統啟動子程序需要完成兩個功能：軟啟動和轉速閉環PI調節，流程圖如圖6所示。
　　軟啟動設有軟啟動標志，只有在該標志為1時執行軟啟動，啟動結束后該標志清零。
　　轉速閉環PI調節包括兩個部分：PI調節器輸出計算和PWM脈寬調節。PI調節器輸出計算在轉速值更新后進行，否則輸出脈寬只根據PI運算的歷史值變化。PWM脈寬調節使脈寬從當前值平滑變化到PI調節器計算出的新值，實現平滑調速。
　　本系統中采用的數字PI調節器原理框圖如圖7所示。其中N為給定轉速，n為測量到的電機轉速，I和U分別為采樣得到的電機電流和電壓信號。PI調節器根據轉速反饋的誤差信號e=N-n，計算出相應的輸出。 與PI調節器的最后輸出 應滿足如下關系：
　　

此主題相關圖片如下：

　　其中 _min 為由前饋電壓信號得到的弱磁下限值；a為常數， 即弱磁上限。
　　在電流環，當檢測到I值過大時，電流參與PI調節器的控制，A為電流環增益。
　　3） 系統停止子程序
　　系統停止子程序主要完成軟關斷和清除工作標志兩項功能。軟關斷過程與軟啟動過程類似，只是PWM信號占空比反方向變化。清除工作標志包括清除系統寄存器和清除用戶標志，此外有關系統重啟動時用到的變量需要重新初始化。
　　

此主題相關圖片如下：

　　4） 軟件抗干擾設計
　　
　　圖7 數字PI調節器原理框圖
　　常用的軟件抗干擾方法有數字濾波技術和看門狗技術。數字濾波技術可以有效消除輸入信號噪聲，看門狗技術可以防止系統停止響應。
　　本系統需對電壓、電流以及轉速信號進行采集，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內部的硬件看門狗監視主循環的運行。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的時間，在主程序運行過程中執行一次定時器時間常數刷新操作。程序正常運行時，定時器不會出現定時中斷。一旦程序運行失常，不能及時刷新定時器時間常數而導致看門狗溢出，系統就會復位。
　　主循環使用了硬件看門狗，則中斷服務程序只能由軟件看門狗來監視。在主循環中設置軟件定時器，其定時時間大于中斷時間，在中斷程序中執行一次軟件計數器刷新操作。當中斷失效不能刷新計數器時，軟件定時器出現溢出，系統復位。
　　6 實驗結果
　　系統設計安裝完成后，我們對系統的性能進行如下三個方面測試：
　　1）啟動電流和工作異常保護點測試。實驗測試到電機啟動電流接近于電機的工作電流，測試到的保護點與設計保護點相同。
　　2）開環弱磁曲線測試。開環條件下，改變作為前饋環節的供電電壓，使系統工作在最小弱磁曲線上，測得電機轉速高于額定轉速5%。這說明一方面系統在閉環時有足夠的余量可調節，另一方面即使轉速環節出現問題，電機也不會飛車。
　　3）閉環穩速性能測試。轉速閉環條件下，測得PI調節器的轉速穩定性高，超調量為5%，調節時間小于１s。
　　大量的實驗證明，本系統控制效果良好，可靠性高，穩定性好，對于完全采用弱磁調速的直流電機來說是一個理想的調速方案。由于采用了數字PI調節器，PI參數修改方便，大大縮短了系統的調試時間，簡單易行。