基于DSP的直流电机弱磁调速系统设计

摘要 弱磁调速法，以其能量损耗小、调速平滑性高等优点，在很多场合还有着广泛的应用。对于完全采用弱磁调速的直流电机来说，这是一种理想的办法。本文采用DSP控制器，设计了具有电压前馈、电流截止负反馈的转速闭环的弱磁调速系统。给出了最小弱磁限制方法，可有效防止飞车现象。根据被控电机的特殊性要求及DSP控制器的硬件结构，详细给出了控制策略和实现方法。在此基础上，利用数字滤波及看门狗技术提高了系统的抗干扰性能。实验证明，本控制系统可靠性高、结构简单、稳定性好。
　　关键词 DSP 弱磁调速 最小弱磁曲线
　　1 前言
　　完全采用弱磁调速的直流电机，一般应用于对于空间体积要求不太严格的场合，特别在一些大功率电机稳速系统中。弱磁调速这种方法，与采用PWM变换器的电枢电压调速方法，在大功率应用上相比具有很大的优越性，其优点是：调节功率小，控制方便，能量损耗小，调速的平滑性较高。这种调速方法在不经常逆转的重型机床等对调节时间要求不高的场合中，有着相当广泛的应用[1]。
　　目前可关断器件和计算机技术的迅速发展，使弱磁调速系统中原来采用模拟器件完成的功能，完全可以用数字控制技术实现，例如软启动、最小弱磁电压限制等，都可以通过脉宽调制技术（PWM）实现。TMS320LF2407芯片作为DSP控制器24x系列的新成员，其多路PWM输出信道，使这款芯片可以实现复杂的控制器设计。
　　本文针对完全采用弱磁调速的直流电机，以DSP作为控制器，采用电压前馈、电流截止负反馈和转速负反馈，设计了一个弱磁稳速控制系统。
　　2 系统分析及功能要点
　　针对被控电机的特点以及所采用的调速方法，控制系统设计中需要考虑如下问题。
　　1）一般供电系统中必然存在电压波动问题。因而控制系统必须能够适应供电电压的大幅度波动。
　　2）弱磁调速方法存在机械特性偏软的问题，结合转速闭环的弱磁调速方法则能有效改善系统的机械特性。
　　3）飞车是弱磁调速存在的最大问题，因此最小弱磁限制是非常重要的。在供电电压不变时，最小弱磁限制为常数；当电压波动时，显然最小弱磁限制是一条随供电电压变化的曲线。
　　4）当供电电压过低，而电机又要稳定在额定转速，并且输出转矩不变，此时电机的工作电流会增大，为抑制电流的变化使电机不出现过流，电流截至负反馈也是非常必要的。
　　5）控制系统设计中，还必须解决电机启动电流问题。软启动无疑是一种很好的办法。此外，采用软关断来停止电机工作，对系统也是一种有效的保护。
　　通过以上分析可知，所设计的控制系统需具有以下功能：软启动、软关断、最小弱磁限制、转速闭环PI调节、电流截止负反馈和系统工作异常保护等。
　　3 系统结构框图及基本工作原理
　　所采用的控制系统结构如图1所示。
　　整个系统可分为两个部分，虚线框外的主功率电路部分和框内的控制部分。主功率电路为电机提供电流电压；控制部分一方面提供开关管T1和T2的控制信号，一方面采集电流电压和转速信号实现控制功能。
　　
　　图1 控制系统结构图
　　图1中功率开关管T1与电动机励磁绕组串接，控制励磁回路电压。T2与电枢绕组串接，主要解决电机启动问题。二极管D1与励磁绕组并接，在开关管T1关断时为励磁绕组回路提供释放电感储能的续流回路。二极管D2与电机电枢绕组并接，在开关管T2关断时为电
　　

此主题相关图片如下：

　　枢回路提供续流回路。系统中转速信号由光盘编码器检测，电枢电流、电压信号则由霍尔传感器来测量。
　　直流电动机启动时，必须先保证先有磁场，而后加电枢电压。启动时首先由T1管输出一个具有固定占空比的PWM信号，然后控制开关管T2的倒通关断，使其占空比从零快速平滑变化倒百分之百。这样通过对电枢电压的控制，实现了电机的软启动，启动完毕后开关管T2直通，系统进入闭环状态。此时根据转速反馈信息，由DSP构成的数字PI调节器来控制T1输出的PWM信号占空比，从而改变励磁电压，使转速稳定到给定值。
　　4 系统功能实现方法
　　1）软启动和软关断
　　当DSP控制系统检测到外部启动信号，则发出PWM信号启动系统。软启动实现方法在系统基本工作原理中已有说明。采用同样的方法，我们也可以在电机停止时软关断，即开关管输出脉宽从大到小快速减小到零。必须注意关断时应先关断电枢电压然后切断励磁，否则会导致电机飞车。
　　2）最小弱磁限制
　　直流电机转速特性：
　　

此主题相关图片如下：

　　对于转速稳定系统，可假设转速 与电磁转矩 为常数。这样，由（4）式可知，PWM变换器输出占空比与供电电压间的关系，可以用一条曲线来表示，显然这就是最小弱磁限制曲线。当系统工作在（4）式对应的曲线以上时（安全工作区），其转速不可能超过。
　　然而实际工作中，电机参数很难准确取得，由（4）式得到的最小弱磁曲线与实际曲线存在一定的误差。但在初始设计阶段，我可以对电机参数进行简单的测量和估算，根据测量值设计一条初始曲线，然后通过实验来校正，直到达到满意的控制效果。图2是我们实际测得的某电机最小弱磁曲线。
　　最小弱磁限制的另一个功能是：当转速环节出现问题（相当于系统工作在开环状态），系统仍能够正常工作。此时斩波器的输出就是根据最小弱磁曲线计算出的占空比。
　　3）转速闭环PI调节
　　

此主题相关图片如下：

　　转速稳定由DSP构成的数字PI调节器完成，调节器输入为转速误差信号，输出为PWM占空比。这是一个具有限幅输出的PI调节器。如前所述，PWM信号占空比不能小于最小弱磁限制，显然对PI调节器作了下限幅。为了保证PI调节器有足够的调节余量，并考虑到开关管占空比损失，系统工作的实际最小弱磁曲线比理想曲线（转速n对应曲线）应更低一些，如图3所示。为提高系统响应特性，对PI调节器进行上限幅也是必要的，如图3所示的上限幅曲线。这样实际PI调节器是工作在一个带型区域内，其上下限幅点随着供电电压决定的最小弱磁点动态变化。这样，供电电压的波动作为一个可测量的扰动信号，通过前馈的方式参与系统工作，既有效防止了电机飞车，又提高转速闭环PI调节器的性能。
　　4）电流截止负反馈
　　通过监测电机电流，当其大于某一值时，引入电流反馈，使PI调节器输入减小，功率开关管输出电压下降，从而抑制电流增长。这种只有当电流大于某规定值后，才引入电流负反馈的控制，既防止了主电路电流过大，又能保证调速系统在限定电流以内工作时，电流反馈不起作用，使调速系统具有较硬的静态特性。
　　5）系统工作异常保护
　　控制系统的保护处理分为硬件保护和软件保护。对于过流、过压等对系统可能产生损坏的状态，只有硬件保护才能足够快地保护系统。而对于欠压、功率、超速等对电机和控制系统影响不是太致命的状态，只要DSP控制器采样速度足够高，可根据采集到的数据软件处理。
　　5 控制器硬件结构及软件设计
　　5．1 DSP控制器硬件结构
　　

此主题相关图片如下：

　　DSP控制器硬件结构如图4所示。电枢电压和电流信号经过信号调理电路接到DSP的AD采样口；启动停止信号通过捕获单元来获取；电机转速反馈信号为正弦波，需经信号调理电路滤波整形变成一个方波信号，才能接到DSP的捕获单元。DSP的输出信号分别为通用定时器1和通用定时器2产生的PWM信号，对应DSP的T1PWM和T2PWM引脚。T1PWM输出信号作为开关管T1的控制信号，T2PWM则为开关管T2的控制信号。来自功率驱动电路的保护信号接到DSP的功率保护引脚PDPINTA上。
　　

此主题相关图片如下：

5．2 软件设计
　　1） 主循环流程图如图5所示
　　系统初始化完毕后，通过高速检测开关信号来确定是否启动系统。当捕获单元2捕获到启动信号，捕获单元2发生中断，并向DSP发出中断请求。在中断服务程序中将系统启动标志置1，主循环检测该标志，并在标志为1时进入启动系统子程序。同样，当捕获单元1捕获到停止脉冲信号，则将系统停止标志置1。当主循环检测到该标志为1，进入停止系统子程序，停止系统。
　　2） 系统启动子程序
　　系统启动子程序需要完成两个功能：软启动和转速闭环PI调节，流程图如图6所示。
　　软启动设有软启动标志，只有在该标志为1时执行软启动，启动结束后该标志清零。
　　转速闭环PI调节包括两个部分：PI调节器输出计算和PWM脉宽调节。PI调节器输出计算在转速值更新后进行，否则输出脉宽只根据PI运算的历史值变化。PWM脉宽调节使脉宽从当前值平滑变化到PI调节器计算出的新值，实现平滑调速。
　　本系统中采用的数字PI调节器原理框图如图7所示。其中N为给定转速，n为测量到的电机转速，I和U分别为采样得到的电机电流和电压信号。PI调节器根据转速反馈的误差信号e=N-n，计算出相应的输出。 与PI调节器的最后输出 应满足如下关系：
　　

此主题相关图片如下：

　　其中 _min 为由前馈电压信号得到的弱磁下限值；a为常数， 即弱磁上限。
　　在电流环，当检测到I值过大时，电流参与PI调节器的控制，A为电流环增益。
　　3） 系统停止子程序
　　系统停止子程序主要完成软关断和清除工作标志两项功能。软关断过程与软启动过程类似，只是PWM信号占空比反方向变化。清除工作标志包括清除系统寄存器和清除用户标志，此外有关系统重启动时用到的变量需要重新初始化。
　　

此主题相关图片如下：

　　4） 软件抗干扰设计
　　
　　图7 数字PI调节器原理框图
　　常用的软件抗干扰方法有数字滤波技术和看门狗技术。数字滤波技术可以有效消除输入信号噪声，看门狗技术可以防止系统停止响应。
　　本系统需对电压、电流以及转速信号进行采集，为消除功率电路及电机上的高频干扰信号，采用了防脉冲干扰的滑动滤波法。
　　看门狗分为硬件看门狗和软件看门狗。利用DSP内部的硬件看门狗监视主循环的运行。看门狗定时器的定时时间稍大于主程序正常运行一个循环的时间，在主程序运行过程中执行一次定时器时间常数刷新操作。程序正常运行时，定时器不会出现定时中断。一旦程序运行失常，不能及时刷新定时器时间常数而导致看门狗溢出，系统就会复位。
　　主循环使用了硬件看门狗，则中断服务程序只能由软件看门狗来监视。在主循环中设置软件定时器，其定时时间大于中断时间，在中断程序中执行一次软件计数器刷新操作。当中断失效不能刷新计数器时，软件定时器出现溢出，系统复位。
　　6 实验结果
　　系统设计安装完成后，我们对系统的性能进行如下三个方面测试：
　　1）启动电流和工作异常保护点测试。实验测试到电机启动电流接近于电机的工作电流，测试到的保护点与设计保护点相同。
　　2）开环弱磁曲线测试。开环条件下，改变作为前馈环节的供电电压，使系统工作在最小弱磁曲线上，测得电机转速高于额定转速5%。这说明一方面系统在闭环时有足够的余量可调节，另一方面即使转速环节出现问题，电机也不会飞车。
　　3）闭环稳速性能测试。转速闭环条件下，测得PI调节器的转速稳定性高，超调量为5%，调节时间小于１s。
　　大量的实验证明，本系统控制效果良好，可靠性高，稳定性好，对于完全采用弱磁调速的直流电机来说是一个理想的调速方案。由于采用了数字PI调节器，PI参数修改方便，大大缩短了系统的调试时间，简单易行。