楊寶龍, 王治國, 黃凌

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一種勵磁控制器的研究設計

楊寶龍, 王治國, 黃凌

（武漢船用電力推進裝置研究所, 武漢 430064）

文章提出了一種用于電機勵磁控制的數(shù)字化設計方案，介紹了控制對象的性能要求，詳細闡述了控制器的結構組成以及基于ARM控制芯片的硬件實現(xiàn)原理電路，簡要介紹了軟件設計思想。通過實驗說明了本控制器設計合理，性能指標能滿足要求。

勵磁 控制器 單片機

0 引言

勵磁控制器是電機勵磁系統(tǒng)的重要組成部分，對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行起著十分重要的作用。傳統(tǒng)的模擬式勵磁控制器雖然能滿足電力系統(tǒng)的要求，但其調節(jié)速度慢、硬件結構過于復雜，而且可擴展性差。隨著電子技術的發(fā)展，性能優(yōu)越的微處理器不斷涌現(xiàn)，為實現(xiàn)勵磁控制的數(shù)字化奠定了堅實的基礎。本文較詳細的論述了一種基于ARM控制芯片的勵磁控制器的設計。

1 性能要求

電機勵磁系統(tǒng)對于控制器的要求較高，主要是以下幾點：

a) 勵磁控制器對電機的電壓、電流、功率可進行限制；

b) 電機電壓、電流、定子繞組溫度超限時去磁報警；

c) 控制器具有完善的自檢功能，一旦出現(xiàn)異?；蚬收希杉皶r告警或跳閘；

d) 采樣速率、精度應能滿足系統(tǒng)控制策略及保護的要求；

e) 溫度的檢測范圍應可達到0～150℃，精度為1℃；

f) 通過自動調節(jié)勵磁機的勵磁電流實現(xiàn)連續(xù)調節(jié)電機輸出電壓和電流。

2 結構組成

根據(jù)控制對象的性能要求以及特點，該控制器結構設計為封閉式機箱通過連接器連接弱電信號，通過母排連接強電信號。機箱前部設計有指示燈。機箱內部為4塊電路板，通過底板交換信號。整個結構小巧靈活、便于安裝，因為封閉機箱，電磁兼容性較好。

3 硬件設計

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變壓器送來的交流電整流為直流，為檢測模塊提供電機交流側電壓信號；為整個勵磁調節(jié)器提供電源。功率需求粗略統(tǒng)計為≤25W。對交流電源整流后再用SYQOR電源模塊進行DC/DC轉換，該模塊輸入范圍為DC9～5V，48 。后端接濾波電感，再接TRACO電源模塊轉化為DC±15 V、+5 V等，經(jīng)底板供電。

考慮到保留“勵磁調節(jié)器電源故障”的報警功能，在電源模塊上還需增加模擬電路監(jiān)測電源，當電源模塊發(fā)生故障時，勵磁調節(jié)器無法工作，就可以通過該模擬的報警電路將報警信號送出，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通過DB-15連接器送出。

由于該電源取自電機的交流電，只有電機運行后電源模塊才能工作，考慮到調試、維護的需要，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，從而可以不啟動電機而選擇從直流24 V取電源進行靜態(tài)調試，本裝置的維修性得到大大提高。

為避免兩路同時供電，24 V直流電源經(jīng)過上述繼電器常閉觸點一對接入濾波電路。如圖1。

2) 信號檢測

信號檢測的功能是將電機的4路電流、交流側電壓、直流側電壓、勵磁電流、前/后軸承溫度、進/出風口溫度信號轉換為0～3.3 V的信號；將定子溫度報警信號變換為開關量信號；將4路電流信號疊加成一路總電流信號，送到功率輸出模塊。

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

3 ) MCU模塊

本模塊通過軟件實現(xiàn)了數(shù)字調節(jié)器的自動調節(jié)和保護功能，并實現(xiàn)檢測I/O信號、A/D轉換和通訊功能。

本模塊的MCU采用的是ARM單片機LPC2129，其內部集成了4通道10位A/D和兩路CAN控制器[2]，能完成I/O信號檢測、A/D轉換、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，實現(xiàn)對勵磁電流的斬波控制，并能獨立實現(xiàn)保護功能[3]。

本模塊用到的功率器件是IRF640，其VDS可達200 V 、電流18 A、導通電阻小于0.18 Ω。驅動芯片采用IR2110。

本模塊的保護功能獨立于數(shù)字電路單獨實現(xiàn)，避免了數(shù)字干擾、軟件延時等，保證了裝置的可靠性。保護電路通過模擬電路直接檢測來自信號檢測模塊的總電流信號、來自外部霍爾傳感器的電壓信號和來自PTC溫度傳感器信號，控制繼電器，斷開勵磁回路，從而實現(xiàn)對電機的保護。實現(xiàn)保護動作的同時，保護電路還將這些報警送到MCU模塊。

4 軟件設計

軟件使用uC/OS-II實時嵌入式操作系統(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個子任務：通訊任務、數(shù)據(jù)采集和調節(jié)控制任務。

通訊任務：接受發(fā)電機集中控制裝置發(fā)送的控制命令，實現(xiàn)對給定值的自動調節(jié)。并可以根據(jù)發(fā)電機集中控制裝置發(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)采集和調節(jié)任務：定時采集各個模擬信號、數(shù)字信號；并對模擬信號進行濾波處理，對數(shù)字信號進行5次開關量表決。根據(jù)發(fā)電機集中控制裝置的控制命令對勵磁電流進行自動調節(jié)，實現(xiàn)恒電壓、恒電流、恒功率模式的調節(jié)，并根據(jù)信號反饋，實現(xiàn)電壓限制、電流限制、功率限制。數(shù)據(jù)采集和調節(jié)任務。

5 結論

以上設計均通過了實驗驗證，結果滿足預設的性能要求，并具有一定的可擴展性。經(jīng)過較小的適應性改動即可應用于同類型的控制系統(tǒng)中，通用性較強，具有較好的市場前景。

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

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

[3] 胡漢才. 單片機原理及其接口技術[M]. 北京：清華大學出版社, 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

國家科技支撐計劃項目（2012BAG03B01）

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