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(diǎn)，在很多場合還有著廣泛的應(yīng)用。對(duì)于完全采用弱磁調(diào)速的直流電機(jī)來說，這是一種理想的辦法。本文采用DSP控制器，設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jī)，一般應(yīng)用于對(duì)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(jī)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(diǎn)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(jī)床等對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)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(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)，例如軟啟動(dòng)、最小弱磁電壓限制等，都可以通過脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）實(shí)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制器設(shè)計(jì)。
　　本文針對(duì)完全采用弱磁調(diào)速的直流電機(jī)，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(jì)了一個(gè)弱磁穩(wěn)速控制系統(tǒng)。
　　2 系統(tǒng)分析及功能要點(diǎn)
　　針對(duì)被控電機(jī)的特點(diǎn)以及所采用的調(diào)速方法，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)。
　　2）弱磁調(diào)速方法存在機(jī)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(jī)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(shí)，最小弱磁限制為常數(shù)；當(dāng)電壓波動(dòng)時(shí)，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(jī)又要穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速，并且輸出轉(zhuǎn)矩不變，此時(shí)電機(jī)的工作電流會(huì)增大，為抑制電流的變化使電機(jī)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(jì)中，還必須解決電機(jī)啟動(dòng)電流問題。軟啟動(dòng)無疑是一種很好的辦法。此外，采用軟關(guān)斷來停止電機(jī)工作，對(duì)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(jì)的控制系統(tǒng)需具有以下功能：軟啟動(dòng)、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(gè)系統(tǒng)可分為兩個(gè)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(jī)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(hào)，一方面采集電流電壓和轉(zhuǎn)速信號(hào)實(shí)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(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組串接，控制勵(lì)磁回路電壓。T2與電樞繞組串接，主要解決電機(jī)啟動(dòng)問題。二極管D1與勵(lì)磁繞組并接，在開關(guān)管T1關(guān)斷時(shí)為勵(lì)磁繞組回路提供釋放電感儲(chǔ)能的續(xù)流回路。二極管D2與電機(jī)電樞繞組并接，在開關(guān)管T2關(guān)斷時(shí)為電
　　

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　　樞回路提供續(xù)流回路。系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速信號(hào)由光盤編碼器檢測，電樞電流、電壓信號(hào)則由霍爾傳感器來測量。
　　直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，必須先保證先有磁場，而后加電樞電壓。啟動(dòng)時(shí)首先由T1管輸出一個(gè)具有固定占空比的PWM信號(hào)，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(duì)電樞電壓的控制，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，啟動(dòng)完畢后開關(guān)管T2直通，系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)狀態(tài)。此時(shí)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(hào)占空比，從而改變勵(lì)磁電壓，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到給定值。
　　4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方法
　　1）軟啟動(dòng)和軟關(guān)斷
　　當(dāng)DSP控制系統(tǒng)檢測到外部啟動(dòng)信號(hào)，則發(fā)出PWM信號(hào)啟動(dòng)系統(tǒng)。軟啟動(dòng)實(shí)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(jī)停止時(shí)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(shí)應(yīng)先關(guān)斷電樞電壓然后切斷勵(lì)磁，否則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)飛車。
　　2）最小弱磁限制
　　直流電機(jī)轉(zhuǎn)速特性：
　　

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　　對(duì)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(duì)應(yīng)的曲線以上時(shí)（安全工作區(qū)），其轉(zhuǎn)速不可能超過。
　　然而實(shí)際工作中，電機(jī)參數(shù)很難準(zhǔn)確取得，由（4）式得到的最小弱磁曲線與實(shí)際曲線存在一定的誤差。但在初始設(shè)計(jì)階段，我可以對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行簡單的測量和估算，根據(jù)測量值設(shè)計(jì)一條初始曲線，然后通過實(shí)驗(yàn)來校正，直到達(dá)到滿意的控制效果。圖2是我們實(shí)際測得的某電機(jī)最小弱磁曲線。
　　最小弱磁限制的另一個(gè)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(shí)斬波器的輸出就是根據(jù)最小弱磁曲線計(jì)算出的占空比。
　　3）轉(zhuǎn)速閉環(huán)PI調(diào)節(jié)
　　

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　　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(hào)，輸出為PWM占空比。這是一個(gè)具有限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器。如前所述，PWM信號(hào)占空比不能小于最小弱磁限制，顯然對(duì)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(shí)際最小弱磁曲線比理想曲線（轉(zhuǎn)速n對(duì)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(duì)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(shí)際PI調(diào)節(jié)器是工作在一個(gè)帶型區(qū)域內(nèi)，其上下限幅點(diǎn)隨著供電電壓決定的最小弱磁點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化。這樣，供電電壓的波動(dòng)作為一個(gè)可測量的擾動(dòng)信號(hào)，通過前饋的方式參與系統(tǒng)工作，既有效防止了電機(jī)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(jī)電流，當(dāng)其大于某一值時(shí)，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(shí)，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(duì)于過流、過壓等對(duì)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(duì)于欠壓、功率、超速等對(duì)電機(jī)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(jì)
　　5．1 DSP控制器硬件結(jié)構(gòu)
　　

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　　DSP控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。電樞電壓和電流信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路接到DSP的AD采樣口；啟動(dòng)停止信號(hào)通過捕獲單元來獲取；電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)為正弦波，需經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路濾波整形變成一個(gè)方波信號(hào)，才能接到DSP的捕獲單元。DSP的輸出信號(hào)分別為通用定時(shí)器1和通用定時(shí)器2產(chǎn)生的PWM信號(hào)，對(duì)應(yīng)DSP的T1PWM和T2PWM引腳。T1PWM輸出信號(hào)作為開關(guān)管T1的控制信號(hào)，T2PWM則為開關(guān)管T2的控制信號(hào)。來自功率驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)信號(hào)接到DSP的功率保護(hù)引腳PDPINTA上。
　　

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5．2 軟件設(shè)計(jì)
　　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(hào)來確定是否啟動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)捕獲單元2捕獲到啟動(dòng)信號(hào)，捕獲單元2發(fā)生中斷，并向DSP發(fā)出中斷請(qǐng)求。在中斷服務(wù)程序中將系統(tǒng)啟動(dòng)標(biāo)志置1，主循環(huán)檢測該標(biāo)志，并在標(biāo)志為1時(shí)進(jìn)入啟動(dòng)系統(tǒng)子程序。同樣，當(dāng)捕獲單元1捕獲到停止脈沖信號(hào)，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(dòng)子程序
　　系統(tǒng)啟動(dòng)子程序需要完成兩個(gè)功能：軟啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，流程圖如圖6所示。
　　軟啟動(dòng)設(shè)有軟啟動(dòng)標(biāo)志，只有在該標(biāo)志為1時(shí)執(zhí)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)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(gè)部分：PI調(diào)節(jié)器輸出計(jì)算和PWM脈寬調(diào)節(jié)。PI調(diào)節(jié)器輸出計(jì)算在轉(zhuǎn)速值更新后進(jìn)行，否則輸出脈寬只根據(jù)PI運(yùn)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(jì)算出的新值，實(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速，I和U分別為采樣得到的電機(jī)電流和電壓信號(hào)。PI調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋的誤差信號(hào)e=N-n，計(jì)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：
　　

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　　其中 _min 為由前饋電壓信號(hào)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(shí)，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(xiàng)功能。軟關(guān)斷過程與軟啟動(dòng)過程類似，只是PWM信號(hào)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(dòng)時(shí)用到的變量需要重新初始化。
　　

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　　4） 軟件抗干擾設(shè)計(jì)
　　
　　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(hào)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(duì)電壓、電流以及轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行采集，為消除功率電路及電機(jī)上的高頻干擾信號(hào)，采用了防脈沖干擾的滑動(dòng)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(yùn)行?？撮T狗定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間稍大于主程序正常運(yùn)行一個(gè)循環(huán)的時(shí)間，在主程序運(yùn)行過程中執(zhí)行一次定時(shí)器時(shí)間常數(shù)刷新操作。程序正常運(yùn)行時(shí)，定時(shí)器不會(huì)出現(xiàn)定時(shí)中斷。一旦程序運(yùn)行失常，不能及時(shí)刷新定時(shí)器時(shí)間常數(shù)而導(dǎo)致看門狗溢出，系統(tǒng)就會(huì)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(shí)器，其定時(shí)時(shí)間大于中斷時(shí)間，在中斷程序中執(zhí)行一次軟件計(jì)數(shù)器刷新操作。當(dāng)中斷失效不能刷新計(jì)數(shù)器時(shí)，軟件定時(shí)器出現(xiàn)溢出，系統(tǒng)復(fù)位。
　　6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝完成后，我們對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行如下三個(gè)方面測試：
　　1）啟動(dòng)電流和工作異常保護(hù)點(diǎn)測試。實(shí)驗(yàn)測試到電機(jī)啟動(dòng)電流接近于電機(jī)的工作電流，測試到的保護(hù)點(diǎn)與設(shè)計(jì)保護(hù)點(diǎn)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(jī)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(shí)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(jī)也不會(huì)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(shí)間小于１s。
　　大量的實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)控制效果良好，可靠性高，穩(wěn)定性好，對(duì)于完全采用弱磁調(diào)速的直流電機(jī)來說是一個(gè)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(shí)間，簡單易行。