汽车用混合励磁发电机DSP控制系统设计与研究

李新运

【摘要】汽车发动机转速范围大、转速变化快、负载情况多样，从而对发电机的稳压控制提出了很高的要求。本文针对汽车，用混合励磁发电机设计了一个以DSP2407芯片为核心的闭环控制系统，并对设计的硬件和软件进行仿真测试。与传统发电机相比，使用DSP控制系统的发电机适应负载范围宽、过载能力强、节能效果明显，显著改善供电品质，提高了供電系统的可靠性。

【关键词】混合励磁，发电机，稳压，DSP

汽车用混合励磁发电机采用稀土永磁和电磁共同励磁，增大了发电机比功率，减小励磁电流及励磁损耗，提高发电机的效率，既具有电励磁发电机良好的调整特.陛，又具有永磁发电机的高功率密度、高效率、高可靠性的优点。

在混合励磁发电机发电系统中，要适应转速和负载在宽广的范围内变化，保证输出电压恒定，就必须设计出功能强大的励磁调节系统。励磁调节系统通过对电力系统参数的监测，控制发电机组的出力，从而决定着发电机组所送出电能的质量高低。

励磁调节器在励磁调节系统中直接担负着数字控制的任务。按照励磁调节器的发展历程，励磁调节器可分为半导体式和微机式。随着电子技术和大规模集成电路技术的发展，微机励磁调节器逐渐取代了半导体式励磁调节器。微机励磁调节器与半导体式励磁调节器相比具有许多优点。利用微处理器强有力的计算和逻辑运算能力以及软件设计的灵活性，微机励磁调节器可以实现复杂的控制策略，可以实现完备的限制及保护功能、通用而灵活的系统功能、简单的操作以及智能化的维修和试验手段，而且还具有调节准确、精度高、在线改变参数方便、可靠性高、无故障工作时间长、通信方便等优点。

基于DSP的混合励磁恒压发电机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最低限度，是未来发电机发展的主要方向之一。

本文设计了以TMS320LF2407为核心的混合励磁发电机控制系统，TMS320LF2407是电机控制专用DSP处理器，它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、高速的运算能力和丰富的片上资源等特点，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。本文对混合励磁发电机的控制电路进行了分析和设计，并对该电路进行了仿真测试，测试结果符合系统性能指标要求。

一、稳压控制总体方案

混合励磁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。

结合混合励磁发电机的工作原理可知，当发电机转速变化或者负载变化时，发电机的输出电压随之发生变化，要保持其输出电压稳定，只需要调节电励磁部分的励磁绕组电流大小或方向，从而调节气隙中的合成磁场的大小，稳定混合励磁发电机的输出电压。

考虑到混合励磁发电机的工作特性，由此提出本文所设计的稳压系统的总体方案。

发电机经整流后的直流输出电压，经过分压和限幅，输入DSP的AD（模拟/数字）转换模块，AD转换后的数据经过滤波消除干扰信号后，与基准电压值（对应AD中的某一数字量）比较，再将比较的差值通过PID控制算法运算，得到所需的调整量。最后将调整量用于控制DSP的PWM输出，驱动H桥电路，改变励磁线圈中励磁电流的大小或方向。

二、实验调试及结果

本设计初步做出了AD电路的仿真和实物，PWM驱动电路的电路仿真和实物，通过检测符合实验要求。

当输入电压大于基准值时，电机顺时针转动，并且随着电压的增加转速不断增加，直到增加到最大转速。说明当发电机输出电压大于14V时，控制系统将使励磁电流反向，减小励磁磁场的大小，从而减小定子绕组中的合成磁场，以减小发电机输出电压。

当输入电压等于基准值时，电机两端电压为O，电机保持不动。也就是说，当发电机输出电压为14V时，励磁电流为0或为恒定值，以保持发电机输出电压状态。

当输入电压小于基准值时，并且随着电压的减小转速不断增加，直到增加到最大转速。也就是说，当发电机输出电压小于14V时，控制系统将使励磁线圈流过正向电流，以增大励磁磁场的大小，从而增大定子绕组中的合成磁场，以增大发电机输出电压。

因此，稳压控制系统的作用是控制混合励磁发电机的电励磁绕组电流的大小和方向，当发电机转速及负荷改变而使得发电机端电压随之变化时，稳压控制系统能随着端电压的变化自动调节励磁电流的大小和方向，以调节励磁磁场的大小，从而调节定子绕组中的合成磁场，使发电机端电压保持在给定水平并保证较高的调压速度和精度，以满足发电机的正常发电和负载安全运行的需要。