摘要 弱磁調速法，以其能量損耗小、調速平滑性高等優(yōu)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(huán)的弱磁調速系統(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控制器的硬件結構，詳細給出了控制策略和實現(xiàn)方法。在此基礎上，利用數(shù)字濾波及看門狗技術提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。實驗證明，本控制系統(tǒng)可靠性高、結構簡單、穩(wěn)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(wěn)速系統(tǒng)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(yōu)越性，其優(yōu)點是：調節(jié)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(jié)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(fā)展，使弱磁調速系統(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，都可以通過脈寬調制技術（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(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速方法，控制系統(tǒng)設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(huán)的弱磁調速方法則能有效改善系統(tǒng)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(shù)；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(wěn)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(xiàn)過流，電流截至負反饋也是非常必要的。 5）控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)需具有以下功能：軟啟動、軟關斷、最小弱磁限制、轉速閉環(huán)PI調節(jié)、電流截止負反饋和系統(tǒng)工作異常保護等。 　　 3 系統(tǒng)結構框圖及基本工作原理 　　 所采用的控制系統(tǒng)結構如圖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(xiàn)控制功能。 　　 圖1 控制系統(tǒng)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(xù)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 樞回路提供續(xù)流回路。系統(tǒng)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(xiàn)了電機的軟啟動，啟動完畢后開關管T2直通，系統(tǒng)進入閉環(huán)狀態(tài)。此時根據(jù)轉速反饋信息，由DSP構成的數(shù)字PI調節(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）軟啟動和軟關斷 　　 當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： 對于轉速穩(wěn)定系統(tǒng)，可假設轉速 與電磁轉矩 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(tǒng)工作在（4）式對應的曲線以上時（安全工作區(qū)），其轉速不可能超過 。 　　 然而實際工作中，電機參數(shù)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(shù)進行簡單的測量和估算，根據(jù)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(huán)節(jié)出現(xiàn)問題（相當于系統(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）轉速閉環(huán)PI調節(jié) 轉速穩(wěn)定由DSP構成的數(shù)字PI調節(jié)器完成，調節(jié)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(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調節(jié)器作了下限幅。為了保證PI調節(jié)器有足夠的調節(jié)余量，并考慮到開關管占空比損失，系統(tǒng)工作的實際最小弱磁曲線比理想曲線（轉速n對應曲線）應更低一些，如圖3所示。為提高系統(tǒng)響應特性，對PI調節(jié)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(jié)器是工作在一個帶型區(qū)域內，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，又提高轉速閉環(huán)PI調節(jié)器的性能。 4）電流截止負反饋 　　 通過監(jiān)測電機電流，當其大于某一值時，引入電流反饋，使PI調節(jié)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(guī)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(tǒng)在限定電流以內工作時，電流反饋不起作用，使調速系統(tǒng)具有較硬的靜態(tài)特性。 　　 5）系統(tǒng)工作異常保護 　　 控制系統(tǒng)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(tǒng)可能產生損壞的狀態(tài)，只有硬件保護才能足夠快地保護系統(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 控制器硬件結構及軟件設計 　　 5．1 DSP控制器硬件結構 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。 5．2 軟件設計 　　 1） 主循環(huán)流程圖如圖5所示 　　 系統(tǒng)初始化完畢后，通過高速檢測開關信號來確定是否啟動系統(tǒng)。當捕獲單元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。在中斷服務程序中將系統(tǒng)啟動標志置1，主循環(huán)檢測該標志，并在標志為1時進入啟動系統(tǒng)子程序。同樣，當捕獲單元1捕獲到停止脈沖信號，則將系統(tǒng)停止標志置1。當主循環(huán)檢測到該標志為1，進入停止系統(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：軟啟動和轉速閉環(huán)PI調節(jié)，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(zhí)行軟啟動，啟動結束后該標志清零。 　　 轉速閉環(huán)PI調節(jié)包括兩個部分：PI調節(jié)器輸出計算和PWM脈寬調節(jié)。PI調節(jié)器輸出計算在轉速值更新后進行，否則輸出脈寬只根據(jù)PI運算的歷史值變化。PWM脈寬調節(jié)使脈寬從當前值平滑變化到PI調節(jié)器計算出的新值，實現(xiàn)平滑調速。 　　 本系統(tǒng)中采用的數(shù)字PI調節(jié)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(jié)器根據(jù)轉速反饋的誤差信號e=N-n，計算出相應的輸出 。 與PI調節(jié)器的最后輸出 應滿足如下關系： 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)，當檢測到I值過大時，電流參與PI調節(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(tǒng)寄存器和清除用戶標志，此外有關系統(tǒng)重啟動時用到的變量需要重新初始化。 4） 軟件抗干擾設計 　　 圖7 數(shù)字PI調節(jié)器原理框圖 常用的軟件抗干擾方法有數(shù)字濾波技術和看門狗技術。數(shù)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(tǒng)停止響應。 　　 本系統(tǒng)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(jiān)視主循環(huán)的運行?？撮T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)而導致看門狗溢出，系統(tǒng)就會復位。 　　 主循環(huán)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(jiān)視。在主循環(huán)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(zhí)行一次軟件計數(shù)器刷新操作。當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)復位。 　　 6 實驗結果 　　 系統(tǒng)設計安裝完成后，我們對系統(tǒng)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(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，測得電機轉速高于額定轉速5%。這說明一方面系統(tǒng)在閉環(huán)時有足夠的余量可調節(jié)，另一方面即使轉速環(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。轉速閉環(huán)條件下，測得PI調節(jié)器的轉速穩(wěn)定性高，超調量為5%，調節(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速的直流電機來說是一個理想的調速方案。由于采用了數(shù)字PI調節(jié)器，PI參數(shù)修改方便，大大縮短了系統(tǒng)的調試時間，簡單易行。 　　 參考文獻 　　1 顧繩谷．電機及拖動基礎．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．直流調速系統(tǒng)．武漢：華中理工大學出版社，1993 　　4 劉和平．TMS320LF240x DSP結構原理及應用．北京：航空航天大學出版社，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 Publication , v 5, n 377, Drives I,1993：354-359