数字励磁调节系统的设计和实现

吴克文 黄冈职业技术学院电子信息学院 湖北黄冈 438000

【文章摘要】

本文设计了一个数字励磁调节系统，采用了以TI 公司的TMS320F240 型DSP 器件作为主要芯片，用IGBT 替代逆导可控硅，设计了H 型的可逆励磁调节系统。在此硬件电路的基础上，设计了系统软件程序，从而实现了励磁调节系统的数字化。

【关键词】

数字励磁；DSP; 调节系统

我国现有的水下舰船电力推进系统中，大部分使用的是模拟控制方式。而模拟控制方式制造出来的设备往往操作笨重且体积庞大。水下舰船其工作环境主要在水下，一旦远距离工作船员往往希望设备操作方便、简单、灵活，且生活空间宽敞。而数字控制技术在网络技术的匹配下，实现了系统的统一调度与安排，甚至可以进行远距离的遥控，如能设计出数字化设备对目前使用的模拟设备进行更新换代，对整个电力推进系统进行优化设计，提高整个电力推进系统的智能化程度，方便操作者的使用，有效地解决模拟控制带来的弊端，是我们目前面临的一个现实问题。而设计数字励磁调节系统正好满足这一要求。

1 系统的硬件电路设计

直流双闭环数字控制的励磁调节系统与模拟控制的励磁调节系统结构基本相同，主要区别是把原来由电压量表示的给定信号和反馈信号改用数字量表示，将原来由分立器件完成的各种功能集中到微处理器（控制器）的软件中实现。在励磁调节器设计中可以采用各种微处理器， DSP 是其中一种选择。微处理器完成的控制功能，主要包括数字速度调节器ASR、数字电流调节器ACR 及数字触发器。DSP 的运算性能是十分强大的，对于多种复杂控制算法都能够有效实现，并能够自行产生有死区的PWM 输出。由于IGBT 作为当前较为成熟的一种全控器件，具有多种多样的驱动，所以主回路功率器件选择应用IGBT 模块，

本调节系统采用TI 公司的TMS320F240 型DSP 器件作为主要控制芯片，借助于软件编程技术进行自动调节。在TMS320F24X 系列的DSP 中， TMS320F240 是其重要组成部分，是TI 公司针对于电机、逆变器、机器人、数控机床控制进行的专门设计。其外围设备相对健全，内核是C2XLP 16 位定点DSP 的CPU，该型号的DSP 具有较高的指令执行速度， 内嵌FlashROM 和RAM，内部的事务管理模块可以输出多路PWM 波，同时内含大量I/O 端口，包含8 路10 位A/D 通道，所以她对于简化数字控制系统的硬件电路具有重要意义。

2 驱动电路的设计

2SD315A 作为专为IGBT 和功率MOSFET 而设计的双通道驱动模块，我们使用2SD315A 驱动模块来驱动IGBT。它的尺寸不大，不具有十分复杂的电气接口，绝缘电压比较大，输出电流和驱动功率较大。该驱动模块能够在多种场合实现应用，尤其是反向电压高达1700V 的功率模块、并联电路、高功率模块驱动中。驱动器的功率高达6W（每通道3W），对于6.25KHz 的频率驱动1200A/1200V 的IGBT 模块并不成问题。

IGBT 在正常的工作过程中，存在由于短路故障造成IGBT 过流运行的情况， 我们一般把短路开始产生到损坏为止这段时间称为“短路耐量”。当器件短路耐量越低时，说明过电流越大。发生短路时， IGBT 集电极电流会增加并超过额定值。所以必须在足够短的时间内采取可行性措施消除这种状态，在不超过短路极限值的情况下关断IGBT。

3 软件系统的设计

本系统在设计过程中，软件编程技术实现了其全部的控制功能，具体涉及了速度环和电流环的计算，PWM 脉宽调制， 采集转速和励磁电流值，接受外部的控制命令等。本系统DSP 源程序的编制选择运用的是汇编语言，在CC2000 开发环境下实现调试之后，写入F240 的flashROM 中。

（ 1）系统总程序的设计

开始运行程序之后，先是进行系统的看门狗等的初始化，然后进入任务调度程序。任务调度程序根据命令口采集的命令设置程序运行环境，找出对应的任务地址，将程序转向此任务地址。调节程序的主要作用就是计算转速环和电流环，并以计算结果为依据产生PWM 波。调节程序首先会查询是否已经设置电流环及转速环的执行时标，假使设置时标，A/D 采样程序才会调用，得到计算需要的反馈值、给定值，然后采用PI 调节程序对它们进行计算，EV 模块接收计算结果并产生相应的PWM 波。假使未设置时标，则计算不执行。

（2）任务调度程序的设计

开始运行程序之后，第一步就是执行初始化程序，实现程序运算环境，设备及变量等初始化。下一步就是进行任务调度程序的设计。首先，通过SPI 口将励磁电流值送到I/O 板显示，具体来讲就是任务调度程序先从励磁电流反馈值寄存器中取得二进制表示的励磁电流值，再将其转换成四位十进制表示方式，最后再讲这些用四个十进制的数根据由大到小的顺序分别送到SPI 口，驱动器进行显示由I/O 板上的串行显示实现。励磁电流的显示实现之后，任务调度程序会取得接下来的外部命令，这些命令是从设在F240 的数字I/ O 模块中的命令口取得的，命令口地址为7090h。调度程序通过比较分析当前命令与前一个命令，对当前命令变化情况作出合理判断，若命令已出现了变化，则调度程序就立即封锁PWM 口的输出为低，然后延时1ms 等待斩波的IGBT 完全关断。若命令未出现变化，则任务调度程序会将程序的运行转向任务寄存器所指定的任务地址。接着任务调度程序会修改转向控制信号，由数字I/O 引脚IOPB7 输出，对励磁电流方向进行控制。紧接着任务调度程序将该任务地址存放到任务寄存器中，从任务列表中查找与当前命令所对应的任务地址。执行任务过程中选择任务调度的优势就是，当系统增加新任务时，仅需要将该程序的运行地址存放到任务地址表中，单独编制实现新任务的程序即可，避免了对整个程序的结构的修改。

（3）励磁调节程序的设计

对系统的速度环和电流环进行计算是励磁调节程序的主要任务，产生相应的PWM 波之后，对PWM 变换器的输出电压的控制选择PWM 波，最终完成电机转速的闭环控制。在系统中，励磁调节程序是045

软件开发

Software Development

046

电子制作

一个重要任务，设计过程中，由任务调度程序根据外部命令来调用，在任务地址表中存放励磁调节程序运行地址。

（4）PI 调节程序的设计

在PI 调节程序设计过程中，以遇限削若积分的控制方式设计积分项，也就是说在PI 调节器的输出与限制值相同的情况下，只执行减弱积分的运算。程序首先对反馈值与给定值间的误差进行计算，再得到比例项，并对比例项是不是符合[-5， +5] 要求进行有效判断，若不在此范围，那么就需要对比例项输出取极限值。紧接着对上次输出是不是为限制值进行判断，若它超出了限制值范围那么执行正常的积分运算；若它是限制值，那么只执行削若积分运算。下一步就是由PI 调节程序对总输出进行计算，处理总输出限幅，再在寄存器中保存总的输出和积分项存到输出结果，最后返回调用程序。

（5）A/D 采样程序的设计

励磁调节程序要向A/D 采样程序传送通道选择参数，励磁调节程序也可以对A/D 采样程序进行调用，A/D 采样程序对励磁调节程序所指定的通道进行采样。为了能够更好的防止信号干扰问题的出现，需要对采样的信号做好防干扰处理，在样结果寄存器中存放采样值。

采样程序设计过程中需要强调的是， 当采样结束后，A/D 转换模块处于连续工作方式，A/D 转换模块不会马上执行停止命令，而是首先对选定通道采样一次数据后再执行停止命令，并将停止前的采用数据在A/D 转换模块的转换结果缓冲区中进行保留，其保留的时间截止到下一次A/ D 采样程序对转换结果缓冲区进行读操作，所以下一次A/D 采样程序所采的第一个数据不具有准确性，应当将其删除。

4 结束语

经过上述实验研究，我们发现在全控式的功率器件条件下，能够实现励磁电流的无触点反向，并能够在这种反向过程中达到励磁绕组中的磁场能量回馈电源的目的。通过本次研究还证明了将DSP 用于对直流励磁系统进行数字化是具有较高可行性的，使用数字控制算法进行系统控制，可以达到较好的系统性能。

【参考文献】

[1] 胡寿松. 自动控制原理. 清华大学出版社. 2000.4

[2] 王晓明. 王玲 电动机的DSP 控制——TI 公司DSP 应用. 北京航空航天大学出版社 2004.7

[3] 陈金鹰 DSP 技术及应用 机械工业出版社. 2004.6

[4] 赵世廉 TMS320×240xDSP 原理及应用开发指南. 北京航空航天大学出版社 2007.7

【作者简介】

吴克文（1980-），男，硕士. 研究领域： 电脑芯片级维修，数据恢复。