石磊

（海裝武漢局，武漢430064）

直流電動機的轉速調節一般有兩種方式，一種是通過調節電樞電壓來調節轉速，這種調速方式一般是將轉速從額定值向下調，多用于恒轉矩負載的場合；還有一種方式是通過調節電機磁場來調轉速，這種方式一般將轉速從額定值向上調，多用于恒功率負載的場合。用于調節電機磁場的裝置稱之為勵磁調節器。傳統的勵磁調節器，勵磁電流通過模擬電路單向調節，電機的反轉通過開關反向勵磁電壓來實現。我們設計的可逆勵磁調節器采用了DSP來進行數字控制，且通過采用IGBT構成的H橋來實現勵磁電流的雙向調節，從而可通過改變磁場方向來改變電機轉向。

1 系統組成

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

圖1 控制系統原理框圖

系統的控制分為速度環(外環)和電流環(內環)控制。它們均采用PI調節，保證系統有較好的動態和靜態特性。

2 硬件設計

2.1 可逆斬波電路

本調節器采用 IGBT器件作為功率控制元件。IGBT是一種新發展起來的復合型電力電子器件，它具有耐高壓、電流大的特點，同時控制電路簡單，穩定性好，因此在國內外變流裝置中得到廣泛應用。

在本裝置中，四個IGBT構成H橋可逆斬波電路。電路結構如圖1所示，當系統處于前進狀態時，VT1、VT4進行PWM斬波，VT2、VT3關斷；當系統處于后退狀態時，VT2、VT3進行PWM斬波，VT1、VT4關斷。當系統由前進轉為后退狀態時，首先，由控制電路發出關斷信號關斷所有的功率管VT1～VT4；接著控制電路延時一段時間，使得VT1、VT4完全關斷，此時勵磁繞組將通過IGBT內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，使勵磁電流進入反向運行狀態。

2.2 緩沖電路

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

圖2 緩沖電路圖

在設計該緩沖電路時，主要的工作是計算緩沖電容的容量及緩沖電阻的阻值。緩沖電容按下式計算：

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

緩沖電阻按下式計算：

式中:Cs緩沖電容值，f為IGBT工作時的開關頻率。

2.3 驅動電路

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

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

2.4 控制電路

本調節器采用TI公司的TMS320F2407（以下簡稱F2407）型DSP作為核心控制芯片。相對于單片機來說，相同的時鐘頻率下，DSP有著更快的指令執行速度，大部分的指令可以在一個時鐘周期內完成。F2407的工作電壓是3.3 V，兼容5V TTL電平，內嵌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）、同步外設接口（SPI）、2×8路10位的A/D轉換通道、硬件看門狗電路、以及大量的數字I/O端口。

我們使用F2407片內的A/D轉換通道采樣轉速設定、反饋轉速以及勵磁電流等模擬量；使用F2407片內的存儲器存放程序，外擴RAM 芯片IS61LV6416作數據存儲器。使用SPI接口擴展一片串行EEPROM用于存放參數, 具體參數包括速度環和電流環的增益和時間常數。為了及時了解到設定轉速、反饋轉速以及勵磁電流的變化情況，我們設計了LED顯示電路來顯示這些變量。同時設計了CAN接口，可與上位機進行通信。

由于充分的使用了F2407片內的資源，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之間串聯一負載電阻。根據所取電壓大小選取電阻值和及其功率。電流信號經過信號調理電路輸入到DSP芯片的A/D采樣通道。

2.6 轉速檢測電路

轉速檢測采用的是測速發電機，測速發電機輸出的電壓信號經過隔離、電平轉換輸入到DSP芯片的A/D采樣通道。

3 軟件設計

3.1 軟件開發環境

本調節器的軟件開發環境選用TI推出的用于開發其DSP芯片的集成開發環境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語言開發程序。

3.2 軟件結構

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，調節器在上電或硬件復位后，開始DSP初始化和系統變量初始化,封鎖PWM輸出，然后進入主循環。在主循環過程中進行IO口掃描和顯示程序。IO口掃描程序接受外部的控制命令，顯示程序將電機的轉速和勵磁電流送到LED顯示器上顯示。

定時中斷程序是系統的控制核心，程序流程如圖4所示，它包括轉速環和電流環PI調節程序，對轉速和勵磁電流進行閉環控制。其中速度環的計算周期為100ms，電流環的計算周期為10ms。

要實現對轉速和勵磁電流的控制，首先要獲得轉速和勵磁電流的值，這個功能由數據采集程序來完成。數據采集程序使用F2407內部的A/D轉換器來采集所需的數據，為了減小采集數據受到的干擾，每個數據都被采樣了四次，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 結束語

試驗證明，由DSP構成的數字式勵磁調節器有著良好的工作性能；同時能方便的實現勵磁電流反向。

[1] 顧繩谷. 電機及拖動基礎. 北京：機械工業出版社，1996年.

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

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