楊寶龍, 王治國, 黃凌

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一種勵(lì)磁控制器的研究設(shè)計(jì)

楊寶龍, 王治國, 黃凌

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所, 武漢 430064）

文章提出了一種用于電機(jī)勵(lì)磁控制的數(shù)字化設(shè)計(jì)方案，介紹了控制對(duì)象的性能要求，詳細(xì)闡述了控制器的結(jié)構(gòu)組成以及基于ARM控制芯片的硬件實(shí)現(xiàn)原理電路，簡要介紹了軟件設(shè)計(jì)思想。通過實(shí)驗(yàn)說明了本控制器設(shè)計(jì)合理，性能指標(biāo)能滿足要求。

勵(lì)磁 控制器 單片機(jī)

0 引言

勵(lì)磁控制器是電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著十分重要的作用。傳統(tǒng)的模擬式勵(lì)磁控制器雖然能滿足電力系統(tǒng)的要求，但其調(diào)節(jié)速度慢、硬件結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而且可擴(kuò)展性差。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，性能優(yōu)越的微處理器不斷涌現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁控制的數(shù)字化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文較詳細(xì)的論述了一種基于ARM控制芯片的勵(lì)磁控制器的設(shè)計(jì)。

1 性能要求

電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)于控制器的要求較高，主要是以下幾點(diǎn)：

a) 勵(lì)磁控制器對(duì)電機(jī)的電壓、電流、功率可進(jìn)行限制；

b) 電機(jī)電壓、電流、定子繞組溫度超限時(shí)去磁報(bào)警；

c) 控制器具有完善的自檢功能，一旦出現(xiàn)異常或故障，可及時(shí)告警或跳閘；

d) 采樣速率、精度應(yīng)能滿足系統(tǒng)控制策略及保護(hù)的要求；

e) 溫度的檢測范圍應(yīng)可達(dá)到0～150℃，精度為1℃；

f) 通過自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)電機(jī)輸出電壓和電流。

2 結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)控制對(duì)象的性能要求以及特點(diǎn)，該控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為封閉式機(jī)箱通過連接器連接弱電信號(hào)，通過母排連接強(qiáng)電信號(hào)。機(jī)箱前部設(shè)計(jì)有指示燈。機(jī)箱內(nèi)部為4塊電路板，通過底板交換信號(hào)。整個(gè)結(jié)構(gòu)小巧靈活、便于安裝，因?yàn)榉忾]機(jī)箱，電磁兼容性較好。

3 硬件設(shè)計(jì)

控制硬件電路主要有以下幾部分組成：

1） 電路

電源電路的功能是將電機(jī)變壓器送來的交流電整流為直流，為檢測模塊提供電機(jī)交流側(cè)電壓信號(hào)；為整個(gè)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器提供電源。功率需求粗略統(tǒng)計(jì)為≤25W。對(duì)交流電源整流后再用SYQOR電源模塊進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換，該模塊輸入范圍為DC9～5V，48 。后端接濾波電感，再接TRACO電源模塊轉(zhuǎn)化為DC±15 V、+5 V等，經(jīng)底板供電。

考慮到保留“勵(lì)磁調(diào)節(jié)器電源故障”的報(bào)警功能，在電源模塊上還需增加模擬電路監(jiān)測電源，當(dāng)電源模塊發(fā)生故障時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器無法工作，就可以通過該模擬的報(bào)警電路將報(bào)警信號(hào)送出，初步方案為在SYQOR電源模塊后端增加一繼電器利用其常開觸點(diǎn)通過DB-15連接器送出。

由于該電源取自電機(jī)的交流電，只有電機(jī)運(yùn)行后電源模塊才能工作，考慮到調(diào)試、維護(hù)的需要，因此增加24 V直流電源接口，將24 VDC電源經(jīng)過DB-15連接器引入，從而可以不啟動(dòng)電機(jī)而選擇從直流24 V取電源進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，本裝置的維修性得到大大提高。

為避免兩路同時(shí)供電，24 V直流電源經(jīng)過上述繼電器常閉觸點(diǎn)一對(duì)接入濾波電路。如圖1。

2) 信號(hào)檢測

信號(hào)檢測的功能是將電機(jī)的4路電流、交流側(cè)電壓、直流側(cè)電壓、勵(lì)磁電流、前/后軸承溫度、進(jìn)/出風(fēng)口溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～3.3 V的信號(hào)；將定子溫度報(bào)警信號(hào)變換為開關(guān)量信號(hào)；將4路電流信號(hào)疊加成一路總電流信號(hào)，送到功率輸出模塊。

不同信號(hào)的檢測電路基本相同，都是采用兩級(jí)放大電路調(diào)理成0～3.3 V的電壓送到MCU模塊的A/D[4]。其中4路溫度信號(hào)由于是緩慢變化信號(hào)，就沒有單獨(dú)進(jìn)行調(diào)理，而是通過選通集成到一路調(diào)理電路中[1]

3 ) MCU模塊

本模塊通過軟件實(shí)現(xiàn)了數(shù)字調(diào)節(jié)器的自動(dòng)調(diào)節(jié)和保護(hù)功能，并實(shí)現(xiàn)檢測I/O信號(hào)、A/D轉(zhuǎn)換和通訊功能。

本模塊的MCU采用的是ARM單片機(jī)LPC2129，其內(nèi)部集成了4通道10位A/D和兩路CAN控制器[2]，能完成I/O信號(hào)檢測、A/D轉(zhuǎn)換、CAN通訊和PWM輸出控制功能，外圍電路減少，可靠性得到很大提高。

4) 功率輸出

本模塊接收MCU模塊控制輸出PWM控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電流的斬波控制，并能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能[3]。

本模塊用到的功率器件是IRF640，其VDS可達(dá)200 V 、電流18 A、導(dǎo)通電阻小于0.18 Ω。驅(qū)動(dòng)芯片采用IR2110。

本模塊的保護(hù)功能獨(dú)立于數(shù)字電路單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，避免了數(shù)字干擾、軟件延時(shí)等，保證了裝置的可靠性。保護(hù)電路通過模擬電路直接檢測來自信號(hào)檢測模塊的總電流信號(hào)、來自外部霍爾傳感器的電壓信號(hào)和來自PTC溫度傳感器信號(hào)，控制繼電器，斷開勵(lì)磁回路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的保護(hù)。實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作的同時(shí)，保護(hù)電路還將這些報(bào)警送到MCU模塊。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件使用uC/OS-II實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，編程語言主要采用了C語言，部分中斷程序、初始化程序采用了ARM7的匯編語言。

本控制器的軟件流程分了2個(gè)子任務(wù)：通訊任務(wù)、數(shù)據(jù)采集和調(diào)節(jié)控制任務(wù)。

通訊任務(wù)：接受發(fā)電機(jī)集中控制裝置發(fā)送的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)給定值的自動(dòng)調(diào)節(jié)。并可以根據(jù)發(fā)電機(jī)集中控制裝置發(fā)送的命令修改控制的PI參數(shù)、采樣的KP參數(shù)。

數(shù)據(jù)采集和調(diào)節(jié)任務(wù)：定時(shí)采集各個(gè)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)；并對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波處理，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行5次開關(guān)量表決。根據(jù)發(fā)電機(jī)集中控制裝置的控制命令對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)恒電壓、恒電流、恒功率模式的調(diào)節(jié)，并根據(jù)信號(hào)反饋，實(shí)現(xiàn)電壓限制、電流限制、功率限制。數(shù)據(jù)采集和調(diào)節(jié)任務(wù)。

5 結(jié)論

以上設(shè)計(jì)均通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果滿足預(yù)設(shè)的性能要求，并具有一定的可擴(kuò)展性。經(jīng)過較小的適應(yīng)性改動(dòng)即可應(yīng)用于同類型的控制系統(tǒng)中，通用性較強(qiáng)，具有較好的市場前景。

[1] 美國ADI公司．電子產(chǎn)品手冊(cè)[EB／0L]．AD7656 Datasheet.

[2] 周立功. ARM 與嵌入式系基礎(chǔ)教程[M]. 北京：北京航天航天大學(xué)出版社, 2002．

[3] 胡漢才. 單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 1995．

Research and Design of a Kind of Excitation Controller

Yang Baolong，Wang Zhiguo，Huang Ling

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064，China )

TM571

A

1003-4862（2014）09-0041-02

2014-07-15

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAG03B01）

楊寶龍(1977-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：嵌入式控制系統(tǒng)。