一种励磁控制器的研究设计

杨宝龙, 王治国, 黄凌



一种励磁控制器的研究设计

杨宝龙, 王治国, 黄凌

（武汉船用电力推进装置研究所, 武汉 430064）

文章提出了一种用于电机励磁控制的数字化设计方案，介绍了控制对象的性能要求，详细阐述了控制器的结构组成以及基于ARM控制芯片的硬件实现原理电路，简要介绍了软件设计思想。通过实验说明了本控制器设计合理，性能指标能满足要求。

励磁 控制器 单片机

0 引言

励磁控制器是电机励磁系统的重要组成部分，对于电力系统的安全稳定运行起着十分重要的作用。传统的模拟式励磁控制器虽然能满足电力系统的要求，但其调节速度慢、硬件结构过于复杂，而且可扩展性差。随着电子技术的发展，性能优越的微处理器不断涌现，为实现励磁控制的数字化奠定了坚实的基础。本文较详细的论述了一种基于ARM控制芯片的励磁控制器的设计。

1 性能要求

电机励磁系统对于控制器的要求较高，主要是以下几点：

a) 励磁控制器对电机的电压、电流、功率可进行限制；

b) 电机电压、电流、定子绕组温度超限时去磁报警；

c) 控制器具有完善的自检功能，一旦出现异常或故障，可及时告警或跳闸；

d) 采样速率、精度应能满足系统控制策略及保护的要求；

e) 温度的检测范围应可达到0～150℃，精度为1℃；

f) 通过自动调节励磁机的励磁电流实现连续调节电机输出电压和电流。

2 结构组成

根据控制对象的性能要求以及特点，该控制器结构设计为封闭式机箱通过连接器连接弱电信号，通过母排连接强电信号。机箱前部设计有指示灯。机箱内部为4块电路板，通过底板交换信号。整个结构小巧灵活、便于安装，因为封闭机箱，电磁兼容性较好。

3 硬件设计

控制硬件电路主要有以下几部分组成：

1） 电路

电源电路的功能是将电机变压器送来的交流电整流为直流，为检测模块提供电机交流侧电压信号；为整个励磁调节器提供电源。功率需求粗略统计为≤25W。对交流电源整流后再用SYQOR电源模块进行DC/DC转换，该模块输入范围为DC9～5V，48 。后端接滤波电感，再接TRACO电源模块转化为DC±15 V、+5 V等，经底板供电。

考虑到保留“励磁调节器电源故障”的报警功能，在电源模块上还需增加模拟电路监测电源，当电源模块发生故障时，励磁调节器无法工作，就可以通过该模拟的报警电路将报警信号送出，初步方案为在SYQOR电源模块后端增加一继电器利用其常开触点通过DB-15连接器送出。

由于该电源取自电机的交流电，只有电机运行后电源模块才能工作，考虑到调试、维护的需要，因此增加24 V直流电源接口，将24 VDC电源经过DB-15连接器引入，从而可以不启动电机而选择从直流24 V取电源进行静态调试，本装置的维修性得到大大提高。

为避免两路同时供电，24 V直流电源经过上述继电器常闭触点一对接入滤波电路。如图1。

2) 信号检测

信号检测的功能是将电机的4路电流、交流侧电压、直流侧电压、励磁电流、前/后轴承温度、进/出风口温度信号转换为0～3.3 V的信号；将定子温度报警信号变换为开关量信号；将4路电流信号叠加成一路总电流信号，送到功率输出模块。

不同信号的检测电路基本相同，都是采用两级放大电路调理成0～3.3 V的电压送到MCU模块的A/D[4]。其中4路温度信号由于是缓慢变化信号，就没有单独进行调理，而是通过选通集成到一路调理电路中[1]

3 ) MCU模块

本模块通过软件实现了数字调节器的自动调节和保护功能，并实现检测I/O信号、A/D转换和通讯功能。

本模块的MCU采用的是ARM单片机LPC2129，其内部集成了4通道10位A/D和两路CAN控制器[2]，能完成I/O信号检测、A/D转换、CAN通讯和PWM输出控制功能，外围电路减少，可靠性得到很大提高。

4) 功率输出

本模块接收MCU模块控制输出PWM控制信号，实现对励磁电流的斩波控制，并能独立实现保护功能[3]。

本模块用到的功率器件是IRF640，其VDS可达200 V 、电流18 A、导通电阻小于0.18 Ω。驱动芯片采用IR2110。

本模块的保护功能独立于数字电路单独实现，避免了数字干扰、软件延时等，保证了装置的可靠性。保护电路通过模拟电路直接检测来自信号检测模块的总电流信号、来自外部霍尔传感器的电压信号和来自PTC温度传感器信号，控制继电器，断开励磁回路，从而实现对电机的保护。实现保护动作的同时，保护电路还将这些报警送到MCU模块。

4 软件设计

软件使用uC/OS-II实时嵌入式操作系统，编程语言主要采用了C语言，部分中断程序、初始化程序采用了ARM7的汇编语言。

本控制器的软件流程分了2个子任务：通讯任务、数据采集和调节控制任务。

通讯任务：接受发电机集中控制装置发送的控制命令，实现对给定值的自动调节。并可以根据发电机集中控制装置发送的命令修改控制的PI参数、采样的KP参数。

数据采集和调节任务：定时采集各个模拟信号、数字信号；并对模拟信号进行滤波处理，对数字信号进行5次开关量表决。根据发电机集中控制装置的控制命令对励磁电流进行自动调节，实现恒电压、恒电流、恒功率模式的调节，并根据信号反馈，实现电压限制、电流限制、功率限制。数据采集和调节任务。

5 结论

以上设计均通过了实验验证，结果满足预设的性能要求，并具有一定的可扩展性。经过较小的适应性改动即可应用于同类型的控制系统中，通用性较强，具有较好的市场前景。

[1] 美国ADI公司．电子产品手册[EB／0L]．AD7656 Datasheet.

[2] 周立功. ARM 与嵌入式系基础教程[M]. 北京：北京航天航天大学出版社, 2002．

[3] 胡汉才. 单片机原理及其接口技术[M]. 北京：清华大学出版社, 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

国家科技支撑计划项目（2012BAG03B01）

杨宝龙(1977-)，男，高级工程师。研究方向：嵌入式控制系统。