基于DSP的复合励磁恒压同步发电机控制器

丁晓峰，刘景林，张鑫

(西北工业大学，陕西西安710072)

    摘要：通过采用数字电压调节器对复合励磁同步发电机进行自适应控制，实现发电机的高精度稳压输出。分析了复合励磁同步发电机的工作原理，设计了一套以DsP2407为控制核心的复合励磁同步发电机控制器，对主功率电路、励磁电路和控制电路进行了分析和设计，并对该套电路进行了试验测试，性能指标符合要求。

  关键词：复合励磁；同步发电机；DsP2407；控制器

  中图分类号：TM341    文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)06—0042—04

0引  言  

    基于DsP的复合励磁恒压同步发电机集电机、电力电子技术、高性能微型处理器、新材料等技术于一体，是兼有高科技含量和市场前景的新型机电一体化产品。与传统的发电机相比，性能指标显著提高。该种发电机电压调整率很小，具有接近水平的外特性，全自动调压，可动态实时调节输出功率，发电机适应负载范围宽，过载能力强，节能效果明显，可显著改善供电品质，提高供电系统的可靠性，使不同的用电负载之间的相互干扰和影响降低到****限度，是未来发电机发展的主要方向之一。

    本文设计了一套以DSP2407为控制核心的复合励磁同步发电机控制器，DsP2407将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，具有灵活的指令集、内部操作灵活性、高速的运算能力、改进的并行结构和有效的成本，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。另外，对+27 V和±13 V主功率电路、±13 V中线调零电路、励磁驱动电路和控制电路进行了分析和设计，并对该套电路进行了试验测试，测试结果符合系统性能指标要求。

1 复合励磁同步发电机

同步电机主要用作发电机，工农业生产和日常生活中所用的电能一般均是由同步发电机供给的。现在广泛应用的是普通的电励磁同步发电机，这种发电机的磁场控制可以方便地通过励磁电流的调节来实现，输出实时胜较好，但运行效率低。永磁发电机制成以后，难以调节磁场以控制其输出电压和功率因数，且永磁材料的温度系数较大，在其原动机、负载或者环境温度变化时将引起发电机输出电压的波动，影响负载的正常工作，从而限制了它的应用范围。

    自适应复合励磁恒压同步发电机的出现，较好地解决了永磁发电机的电压难以调节的困难，综合了永磁发电机和电励磁发电机的特点，使两种模式优势互补，从而获得优越的性能。由于稀土永磁体具有高磁能积和高矫顽力，特别是高内禀矫顽力，采用稀土永磁后可以增大气隙磁密，从而缩小电机体积，减轻质量，提高功率质量比。

    复合励磁稀土永磁同步发电机是一种能解决永磁发电机电压调节问题的新型发电机，这种发电机可以看成是由两部分组成：主要部分和稀土永磁发电机相同，称为主发电机部分；而辅助调节电压的部分类似于电励磁发电机，称为辅助电励磁部分。两部分共有一套电枢绕组，主发电机部分承担主要的能量输出任务，电压调节所需要的磁场变化部分由辅助电励磁部分的电励磁绕组来实现。这种复合励磁稀土永磁同步发电机具有以下特点：

    (1)辅助电励磁部分的损耗小，具有永磁发电机的高效率特点；

    (2)磁场调节方便，解决了永磁发电机电压调节难的问题；

    (3)励磁电流比电励磁发电机小得多，励磁损耗小。

2系统总体设计

    图l为系统总体框图。在本系统中，通过分析系统的功能和比较各微处理器的性能等，最终系统选择DSP2407作为控制系统的核心。控制电路的主要作用是通过对发电机输出量，控制器输出量进行在线测量，将在线测量值送人DsPA407进行数据处理，从而对发电机的励磁及控制器中的主功率驱动电路协调控制，实现闭环及保证在可变负载条件下均能保持输出电压稳定不变，用电设备始终工作在****状态。

3控制器硬件设计

3．1 DSP最小系统及外围电路

    在本最小系统中，选择DSP2407作为它的核心器件，有源晶振的频率为10 MHz，4倍频之后，DSP2407可以达到它的****工作频率40 MHz。如图2所示。JTAG口可以实现DSP2407的在线仿真。由于DSP2407采用高性能静态cMOs技术，使得供电电压降至3．3 V，减小了控制器的功耗，同时外扩存储器时也需选择3．3 v供电的存储器，本系统选择了IS61LV6416。IS61LV6416为3．3 V供电、64 k高速cM0s静态数据存储器，****可达8 ns。由于在中线调零电路中的中线电压有可能为正，也有可能为负，而。DSP22407内部自带的A／D转换器的输入范围为O～3．3 V，所以采用了电压输入范围为-lO～lO v的AI)7862进行模数转换之后再送入DSP2407。AD7862的供电电压为5 V，所以在送人DsP2—407之前需要进行电平转换，将O～5V转换到O～3．3 V，本系统采用LV他45。

3．2 27 V一路主功率电路

    复合励磁恒压同步发电机发出36 V交流电，通过全桥整流可产生50 V直流电，然后由BucK电路斩波降压，如图3所示。由信号s他7输入PwM波信号来控制功率管Q5的导通与关断，通过调节PwM波的占空比控制功率管的导通时间，从而达到输出电压为27V的目的。

    图3中D₁₀、R₂₂和C₁₅构成了缓冲保护电路，由于功率管在开通时会产生冲击电流，关断时会产生冲击电压，这些都会影响功率管的正常工作，缩短功率管寿命。在本系统中功率管的关断所产生的冲击电压是影响电路正常工作的主要原因，因此本电路系统对主功率的降压斩波电路中的功率管都加有针对开关管关断时的缓冲保护电路。当Q₅关断时，负载电流经二极管D₁₀给电容充电，Q₅集电极电流逐渐减小。因为电容c₁₅两端电压不能突变，Q5集电极与发射极两端电压上升率d_v/d_t被限制，电容越大，d_v/d_t越小，即d_v/d_t=Im/c，式中I_m为负载****电流。Q5集电极电压被电容电压牵制，在这种情况下，不会出现集电极电压和集电极电流同时达到****的情况，因而不会出现****的瞬时尖峰功耗。在图3中，D₁₁、L₂、C₁₆和C₁₇，构成了续流电路。输入电流在功率管的作用下是脉动的，输出电流在电感、电容和二极管的作用下是连续的、平稳的。

3.3±13 V一路主功率电路

    如图4所示，±13 V一路主功率电路可以看作是由一般的BucK电路通过变形组合而获得的，Q6、Q7、Q8和Q9分别与相应的电感、电容以及保护电路构成了四个斩波降压器，功能实现同27 V一路主功率电路。其中LA-28NP和LV-28P分别电流互感器和电压互感器。

    此电路中R₂₉和R₃₀作为分压电阻，阻值相等，所以将50 V(Dc)分成两个25 V，然后分别通过上下两个斩波器斩波降压至13 v。

    为了如果进一步稳定±13 V的电压，采用了中线调零技术，通过电压互感器Lv-28t，对d、B两点电压差进行采样，当A点电压高于B点时，说明+13 V一路电压值的****值大于-13 v一路电压值的****值，此时就给Q8输入PwM波控制信号进行斩波降压直到两点电压差为零。同样，当B点电压高于A点时，处理方法类似。

3.4 H桥励磁电路

    控制器的核心思想是电压稳定输出，因此首先要稳住发电机机端电压，因此励磁控制部分很重要。图5为H桥励磁电路，当检测到发电机输出电压低于额定值时，将通过DsP控制Q1和Q3的导通进行正向励磁；当输出电压高于额定值时就使Q2和Q4导通进行反向励磁，从而达到稳定电压的目的。

3．5 A／D转换电路

    由于±13 V一路的中线调零电路中的电压采样值有可能为正，也有可能为负，而DsP2407中自带的AD转换器的模拟输入量为0～3．3 v，因此得另选一款模数转换芯片。AD7862是美国AD公司推出的一种高性能、低功耗、单+5 v电源工作的双12位4通道双路同时采样转换高速模数转换器，AD7862-10芯片的模拟输入范围为一10～10 v，因此在本系统中选用该芯片对±13 v一路的中线调零电路中的电压采样值进行模数转换。

    AD7862在本控制系统中的接线方式如图6所示。由于本系统只接了AI)7862的8根数据总线，DBll是AD7862的****信号位，也是用于判断采样电压的正负号位，因此将数据线中的DB7接到AD7862的****位数据位DBll上。AD7862的片选端接在DsP的IOPK引脚，通过DSF’输出O和1从而控制AD7862的选通与否。模数转换信号(8脚)由接在DSP的IOPcO引脚控制，AD7862在本系统中只用于对±13 V一路中线调零电路中的电压采

样进行模数转换，即只有一个模拟输入量(svM)，通过将Ao置零选择A组通路，从图6可以看出，启动A／D转换后，第一个读信号读取Avl，第二个读信号读取Av2，因而在本系统中将A组两路信号输入端接在一起，第二个读信号读取的仍然是svM信号。

3．6其它硬件电路

    DsP2407产生的PwM波和过流保护信号一起经逻辑综合电路(GAl20V8)进行逻辑综合送入反向放大器后再经过光电耦合电路后分别送人IR2130、IR2118和[R2110驱动芯片进行励磁电流调节，输出电压调节和±13 v一路中线调零控制。此外，为了提高系统可靠性，该电路设计了过流保护电路。

    电路中还采用光电隔离等技术，在控制电路与功率驱动之间利用光电耦合器件TLP558芯片组成隔离电路，并适当加粗主功率及接地线路的布线宽度，提高驱动系统的电磁兼容性和抗干扰能力，提高工作的稳定性。

    总之，硬件部分设计的宗旨是：合理设计硬件电路，实现发电机机端电压稳定输出以及尽可能地提高整个电路的抗电磁干扰的能力。

4控制器软件设计

    系统中控制任务的实现是靠控制软件来完成的，控制软件的设计将直接决定整个系统的控制性能。DsP2407软件编程语言通常有c语言和汇编语言，本系统采用直接面向硬件的汇编语言，因为这种低级语言是直接对硬件操作的语言，每一条汇编语句对应一定的硬件操作，意义明确，调试时十分方便，而且每条汇编语句都有固定的机器周期，因此使用汇编语言能对时间进行精确的控制。

    本系统的控制软件主要分为系统正常工作模块和故障工作模块两大类。正常工作模块可以分为以下几个模块：

  (1)励磁控制模块；

  (2)27 v(Dc)一路主功率电路斩波控制模块；

  (3)±13 V(Dc)主功率电路斩波控制模块；

  (4)中线调零电路斩波模块。

故障工作模块可分为以下几个模块：

  (a)励磁控制电路出现过流情况；

  (b)27 V(Dc)主功率电路出现过流情况；

  (c)±13 V(Dc)主功率电路出现过流情况。

  图7为主程序流程图。其中左侧为系统正常工作程序，右侧为故障模块产生故障信号，系统进行故

障处理的程序。系统在初始化完后，首先要从全波整流桥的电压采样值判断是否需要加直流励磁电流，若需要则要判断是加正向直流励磁电流还是加反向直流励磁电流，让H桥按要求开通以稳住复合励磁同步发电机的输出端电压。第二步，将直流27V端电压采样值送人DsP中进行PID控制算法运算，将算出的占空比的数值送人相应的寄存器中以控制27 V一路的PwM波，从而实现直流27 V一路的电压相对稳定输出。第三步，将直流一13 V端电压采样值送人DsP中进行PID控制算法运算，将算的占空比的数值送入相应的寄存器中以控制-13V一路的PwM波。第四步，将直流+13 V端电压采样值送人DsP中进行PID控制算法运算，将算出的占空比的数值送人相应的寄存器中以控制+13 V一路的PWM波。第五步，根据中线电压采样值判断是否需要开启中线调零电路，若需要则要判断是上管导通还是下管导通，开关管开通大小依据从中线中采得的电压值经AD7862数模转换后送人D，sP中进行PID运算处理后算出的值来执行。最后程序进入循环体。

    当系统中任何一路出现过流情况时，由综合逻辑控制电路对相应的故障线路实行封锁，待故障清除后，由故障工作子程序对故障线路实现自恢复处理，而不影响其它的正常几路的工作。

5测试结果

  表1为在空载和加不同负载时所测试的结果。随着负载的变化，电压基本稳定在27 V，符合系统的性能指标。

    本控制器是一个高精度、高实时性的控制器，使复合励磁恒压同步发电机具有接近水平的外特性，电压稳定，电压调整率小于百分之3，可以为负载提供稳定性良好的电力。