1、湖南大學碩士學位論文新一代模擬發電機勵磁系統的開發與軟件設計 姓名:楚文斌申請學位級別:碩士專業:電氣工程指導教師:劉覺民20090420新一代模擬發電機勵磁系統的開發與軟件設計摘 要電力系統動態模擬是進行電力系統新技術的研究以及電力行業技術培訓等 方面不可缺少的試驗工具。同步發電機模擬勵磁裝置是電力系統動態模擬的主要 設備之一,與其他電力系統動態模擬設備共同完成電力系統的動態仿真。隨著發 電機單機容量和電網規模的日益擴大,對勵磁模擬的快速性、可靠性、魯棒性等 方面提出了越來越高的要求。為了能更加準確地模擬各種勵磁工況,本文設計了 采用高速數字信號處理器TMS320F2812作為控制核的微機模

2、擬勵磁裝置,以實 現電力系統勵磁動態模擬全數字化控制,能模擬他勵、自勵、勵磁機勵磁等多種 勵磁方式,抗干擾能力強,實時性強,具有良好的人機互交界面。本文首先介紹了模擬勵磁系統國內外的研究與發展現狀,并詳細說明了微機 控制新一代模擬勵磁系統的相關工作原理。介紹了模擬勵磁調節器、勵磁功率單 元、負阻器的硬件結構和作用。模擬勵磁調節器是整個模擬勵磁系統的控制核心, 對其硬件的設計作了詳細說明。在基于模擬勵磁調節器和控制芯片TMS320F2812硬件功能的基礎上,介紹了模擬勵磁調節器數據采樣與處理、控制調節、移相脈 沖觸發、液晶顯示以及保護等模塊的程序設計思想。采用C語言和匯編語言進行 軟件編寫,給出

3、了模擬勵磁系統主程序和各個模塊程序的設計流程圖。在實驗結 果中,建立了模擬勵磁調節器的數學模型,并在MATLAB/SIMULINK環境下進 行了仿真實驗以驗證模擬勵磁系統的設計在理論上的可行性。在CCS3.1環境下 進行了軟件的編譯和調試,對調試中所用的方法以及常見的問題進行了分析,對 基于DSP技術的模擬勵磁系統進行了硬件設計以及制定了軟件設計方案,為最終 實現數字式模擬勵磁系統奠定了理論基礎。關鍵詞:模擬勵磁系統;DSP;勵磁調節器;程序設計lIAbstractThe dvnamic simulation of power systemis indispens2Lble test tool

4、 ot carrylng on the research of the new technology in power systemand technical training of power industry.The simulation excitation deVice of synchronous generator lsone ot tne capital equipment ofdyn弧ic simulation of power system, which completes tne dvnamic emulation of the power system with othe

5、r dynamicsimulation apparatus together.With the enlargement of the generator capacity and scale of electnc gnd day by dayHave putfo刑ard hi曲er andhi曲er requirement of promptness,dependablllty and robustness in excitation system etc,In order t0imitate Various excItatlon operating modes more accurately

6、,This paperhas designedthe simulation excltatlon device controlledby high speed digital signal processorTMS320F2812In ordero realize the total digital controlling dynamic simulationof the excitatlon ln power svstem can imitate many kinds of excitationmodels such as separately exclted, self.-excited.

7、 exciter excitation etc, have strong ability0f anti-interterence and real.time character,have the good manmachine interactiVeinterfaceAt丘rst,mis paper has introduced currentsituation of the deVelopment ot the domestic and international researCh of the simulation excitation system'and nas explain

8、ed the computer contr01led releVant principleof the new generatlon slmulatlon the excitation system in detail. The simulationexcitation adjuster ls the key controlling unit of the wholesimulation excitation system.Introduces the way ot data s鋤ple and its pfocessing module,contr011ing and adjustment

9、module,moVed phase and touching module,LCD display and protectionand modules program deslgn basedon hardware of the simulation and excitation adjuster andTMS320F2812sconfiguration dennitely,supply thethe slmulatlon excitation adiuster,s math model and simulatedit in the MATLAB/SIMULINK environment,t

10、he result of the simulation validates the feasibilityof the simulatlon excitation system in theory.Debug the programin the CCS 3l enVironmentHaVe summarized the questions and experience met in the courseof proj ect implementatlon, made the plan of the software design and carriedit on the hardware de

11、slgn tor thesimulation excitation system based on DSP technology, theoretical foundation for realizing the excitation system of diIIIhave established the gitalsimulation 6nally.新一代模擬發電機勵磁系統的開發與軟件設計Key Words:Excitation system simulation; Digital signal processor; Excitation adjuster;Program design湖南大

12、學學位論文原創性聲明本人鄭重聲明:所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所 取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外,本論文不包含任 何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢 獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的 法律后果由本人承擔。作者簽名:琵姐lj71J 日期:朋7年歹月J日 學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定,同意 學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版,允許論文 被查閱和借閱。本人授權湖南大學可以將本學位論文的全部或部分內容編 入有關數據庫進行檢索,可以采用影印、

13、縮印或掃描等復制手段保存和匯 編本學位論文。本學位論文屬于1、保密口,在 年解密后適用本授權書。2、不保密口。(請在以上相應方框內打“"作者簽名:導師簽名: 琵支娥坼認 , 。 , 多衫 朔, 咐叮 77加,1期期碩十學位論文第l章緒 論電力系統不斷的發展,相應在理論上和實踐上出現了許多以待解決的問題, 各種新型的理論需要加以驗證,各種新技術和新設備需要進行試驗等等。而由于 電力系統對其運行的安全性和可靠性有很高的要求,因此在實際電力系統進行實 驗常常受到很多限制,不可能進行充分廣泛的實驗,有些實驗甚至是不可能在實 際系統中進行。電力系統動態模擬是解決這一問題的重要方法之一,因此利用

14、在 實驗室的電力系統模擬設備再現各種現場運行工況,從而來研究電力系統以及其 各種規律是十分必須的。也是對實際電力系統進行研究、設計、和運行的一個重 要有力的實驗工具【11。電力系統動態模擬的內容很多,勵磁系統是電力系統的重要組成部分,對電 力系統的運行穩定有著非常重要的作用,也是我們研究現代電力系統運行及其過 渡過程時所必須研究的,所以對同步發電機勵磁系統的模擬是其非常重要的一個 環節。所以開發出高性能的模擬勵磁裝置,對研究電力系統的運行規律以及開發 電力系統新技術新設備具有極其重要的意義。在電力系統中需要模擬的內容包括1】【2】:(1同步發電機的模擬。為了模擬原型系統的過渡過程,除了對發電機

15、本身進 行模擬外,還必須對勵磁系統、原動機與調速器進行模擬;(2變壓器的模擬;(3輸電線路的模擬;(4負荷的模擬;(5系統中其他元件的模擬(斷路器、調壓設備、繼電保護裝置等;(6其中模擬原動系統和勵磁系統是電力系統動態模擬實驗室主要模擬的內 容。在電力系統動態模型上進行電力系統模擬試驗研究,是一項復雜而細致的工 作,其中最重要的是根據相似條件,建立與原型系統相似的模型電力系統。電力 系統模擬手段通常為:物理模擬和數學模擬。物理模型反映了原型的物理過程, 現象直觀、豐富,能直接帶模擬式自動化裝置,但使用不夠靈活,不可能模擬很 復雜的系統,其硬件實現比較困難;數學模擬就是建立數學模型,這種方法比較

16、 靈活、計算精度高、能模擬很復雜的系統、計算數據能處理和存儲,但實時性差, 難以直接替代模擬式自動化裝置。另外,由于人們對實際設備的認識有限,數學新一代模擬發電機勵磁系統的殲發0軟件設計模型并不能完全反映原型的物理過程。由于兩種手段各有特點,所以在許多情況 下相互補充。電力系統動態模擬在元件模型中也包含了許多復雜因素(如非正弦、非線性、 非工頻等的影響,因此可以非常有效地研究許多內在過程尚不清楚、難以或不能 用數學方式描述的現象,反映的物理過程是直觀、真實的,可以直接可靠地檢驗 理論分析和計算結果的正確性;可在與實際系統很近似的條件下觀察和研究電力 系統的許多特性和過程,得出用于指導實際電力系

17、統安全運行的重要結論,動模 對新技術新裝備實物的運行試驗非常方便,這是動模試驗的獨特優點。電力部門 規定某些要上網運行的電網自動化新設備,應先通過動模試驗。動模也存在一些 不足,主要是動模試驗設備的品種和規模不可能很大,參數調整范圍有一定限制, 因而對于大型電力系統的試驗需作必要的簡化,這必然影響到試驗精度。此外, 建立動模試驗設備的投資較大,建設時間較長【3】。在20世紀50年代,前蘇聯建立了電力系統物理模擬系統,對古比雪夫水電站 到莫斯科的220KV輸電線路進行試驗。國內對電力系統動態模擬的研究從50年代末開始。中國電力科學研究院與清 華大學在1958年最早建成了電力系統動態模擬實驗室,此

18、后,上海交通大學、西 安交通大學、華中科技大學、南京自動化研究院、山東大學等院校和研究單位建 立了電力系統動態模擬實驗室。目前,在從事電力系統動態模擬研究方面,全國已經有30多個院校或研究所 建立了電力系統動態模擬實驗室。2002年湖南大學成功研制原動機仿真調速器。 隨后與南京南瑞繼保有限電氣公司進行了項目合作。在模擬原動機仿真調速系統 的基礎上,其功能的不斷改進與完善過程中,隨后與中國電力科學研究院、許繼 集團展開項目合作。2008年“發電機原動系統動態仿真先進方法、技術與裝置”通 過技術鑒定,“該成果總體處于國際先進水平,其中動態仿真技術居國際領先水 平”。從電力系統動態模擬實驗室的建立開

19、始,同步發電機模擬勵磁系統的研究就 從未間斷過。對同步發電機模擬勵磁系統的研究,在國內華中科技大學與清華大 學處于技術領先水平。華中科技大學電力自動化技術研究所研制的“WL.04A微機 勵磁調節器及負阻器”,采用單片機80C196Kc為控制核,該裝置勵磁方式模擬有 勵磁機手動、他勵、自勵、勵磁機他勵、勵磁機自勵等,實現了從模擬向數字控 制方式的轉變,該項技術已經成熟,其所開發的模擬勵磁裝置已經應用在十多個 科研院所。此外還有清華大學研制了“勵磁調節器動態特性測試系統”。湖南大學從2005年開始著手模擬勵磁系統的研究,在基于原動機仿真調速器 的成熟技術基礎上,在國內率先提出將DsP技術應用到模擬

20、勵磁系統中,先后發 表了系列相關研究論文,首先設計出以16位DsP控制芯片TMS320LF2407作為控制2碩十學位論文核的數字式模擬勵磁系統,擁有良好的人機界面,具有操作簡便自動化程度高顯 著特點的新一代微機控制模擬勵磁系統。但是隨著DsP技術不斷發展,本文采用 專用于電機控制的高性能32位數字信號處理器(DSPTMS320F2812作為系統數據 處理的核,同時在原有的DSP控制電路上進行了改進和優化,并增添許多新功能, 使模擬勵磁系統實現真正意義上的全數字控制。模擬勵磁系統用于在動態模擬實驗室中研究勵磁系統的性能。實際勵磁系統 在現場試驗時,為了測量勵磁調節器的動態特性必須在工業現場開啟發

21、電機,使 整個機組全部運行起來。而每一次試驗都是對發電機或電網的一次沖擊,發電機 必須承受多次啟停和多次沖擊才能完成試驗,同時在試驗中還要消耗大量的燃油 或水。即使是這樣,有的試驗仍然不易實現,比如機端三相短路試驗。在實際運 行中這樣的故障是有可能發生的。故障發生后,機組運行情況將如何,勵磁調節 器的強勵特性能不能發揮應有的作用,現場試驗根本無法測試【41。隨著數字式勵磁調節器的出現,模擬勵磁系統向數字化發展是必然趨勢。傳 統的同步發電機模擬勵磁裝置,大都采用模擬線路,線性運算放大器是構成調節 和控制的基本器件,模擬勵磁裝置進行控制是連續的,控制作用每時每刻都在進 行的,但是模擬控制器有其固有

22、的弱點,模擬式控制器運算放大器特性容易漂移, 使其特性變化,影響控制精度,硬件復雜,可靠性低,無法適應現代控制技術發 展的要求。特別是在計算機控制技術高度發展的今天,為了實現裝置智能化方向 發展,需從根本上采用微處理機實現數字式控制。模擬式向數字式控制發展經歷 了從模擬一數模混合一全數字的發展。數模混合式控制技術提高了速度控制精度, 加強了保護功能,增設了故障診斷技術,在控制技術上取得了進步,然而部分電 路仍然采用模擬式。因此,并未從根本上解決模擬式控制所固有的問題。本文設 計的同步發電機模擬勵磁系統采用最先進的數字信號處理器為控制核心,在原來 基于DSP技術的基礎上進一步改進與完善,實現全數

23、字化控制,較之模擬控制方 式的勵磁系統有明顯的優越性【5】:(1計算機具有計算和邏輯判斷功能,使得復雜的控制策略可以在勵磁控制中 得到實現。它除了可以實現模擬式調節器PID調節、PSS(電力系統穩定器附加控 制,特別是AD轉換、數據采樣和處理、移相脈沖觸發等自身具備的電路,使整 個系統運算處理速度有了質的飛躍:(2數字式勵磁系統在硬件組成上采用了大規模集成電路和微處理器作為它 的控制核心,大大降低了電子元件的使用數量,DSP(數字信號處理器具有專 門的內部ADC和PWM專用模塊,從而大大地簡化CPU的外圍電路,從而提高了整 個模擬勵磁系統的可靠性。其次硬件電路和軟件設計的模塊化結構使數字勵磁控

24、3新一代模擬發電機勵磁系統的開發j軟件設計制器的維護和替換更加方便,而且如果要擴展其他功能,只需增加相應的功能塊 并在軟件上稍微修改即可;(3模擬式模擬勵磁裝置由于運放的非理想性而造成計算誤差,使其控制精度 低,一般只能達到千分之幾。而數字式調速器采用雙字節運算,計算精度可達萬 分之一,因而數字式模擬勵磁裝置可以反映速度的微小變化,其控制精度大大高 于以普通單片機控制的模擬勵磁系統,特別是采用了傅立葉變換、移相脈沖觸發 大大降低了驅動電路的功率,克服了模擬的多路脈沖觸發不平衡度的缺點; (4數字式模擬勵磁裝置不但可以實現模擬調節裝置難以實現的控制規律和 功能。可以將集監測、分析、控制、保護和事

25、故追憶于一體。數字式勵磁控制器 的各種參數可以非常方便地在線精確整定或修改,并可通過顯示設備顯示出來, 此外可以通過操作面板輸入按鍵信號,人機對話方便、直觀;(5由于DsP技術的優越性能遠超過普通電機控制核(Intell96系列單片機。 首先,一般196單片機控制的勵磁系統,cPu外圍電路復雜,硬件電路產生干擾 性大,其I/O口、數據線和地址線往往復用,所以I/O需要擴展,其次采樣電路, 普通單片機控制的勵磁系統所帶的內部ADC轉換模塊往往不夠用,需要使用外 部AD擴展,而采用F2812芯片所帶內部ADC模塊,滿足了采樣要求。再次, 196單片機控制的脈沖觸發電路往往需要用專用芯片來產生觸發脈

26、沖如(TC787, 在電力系統裝備中得到了廣泛地運用,為了與目前電力系統中廣泛應用的DsP數 字式勵磁系統相適應,模擬勵磁裝置的全數字化控制乃必然趨勢;(6本裝置基于數據處理功能最強大的32位DSP芯片作為控制的模擬勵磁系 統的核心,電路簡單、測量精度高,實時性好,冗余容錯能力強、運行可靠性高, 是真正實現了高精確度、多功能化、實時性強、低功耗的模擬勵磁裝置。且目前, 國內外尚無開發出上述模擬勵磁系統的文獻報導。本文查閱大量國內外勵磁系統相關資料,深入研究了同步發電機模擬勵磁系 統的功能特征,詳細地研究和分析了基于DSP技術的新一代模擬同步發電機勵磁 模擬勵磁裝置的功能和特點,基于湖南大學原先

27、以TMS320LF2407作為控制核的 模擬勵磁系統基礎上,對以前裝置所出現的問題從技術上作出改進。在基于DSP (TMS320F2812硬件處理功能上,簡化了外圍硬件電路增添了新的功能。完成 了主回路與操作回路方案的初步設計,確定了元件參數的選型;模擬勵磁調節器 的硬件設計,負阻器的硬件設計,包括原理圖與PCB;在設計完成的硬件電路上 進行了部分軟件的調試,包括按鍵程序、液晶顯示程序與觸發脈沖程序等。 與以往模擬勵磁系統的研究相比,本文的創新點主要體現在以下幾個方面: (1采用高速數字信號處理器(TMS320F2812作為控制核心,其數據運算速4碩十學位論文度快,精度高,實現的功能強大,使用

28、內部自帶ADC模塊,無須采用外部AD 轉換芯片,操作回路由DSP的I/O口來控制實現,觸發脈沖由DSP芯片的PWM 引腳觸發,實現全數字控制,大大簡化了外圍硬件電路,(2結合DSP2812的硬件資源,模擬勵磁裝置的數據采集與處理程序,采用 快速傅立葉變換(FFT算法,數據采集和處理速度快,精確度高。設計了觸發 脈沖程序、控制算法程序等;(3擁有良好的人機界面。改進原有并口液晶顯示電路.采用51單片機與DsP 芯片之間進行簡單通訊來控制顯示內容,51單片機串口控制采用LcD實時參數 的顯示,從而減輕DSP處理負擔,并具有故障錄波、事故追憶等功能;(4建立模擬勵磁調節器的數學模型,利用MATLAB

29、/SIMuLINK在各種暫態 條件下進行了各種仿真實驗,驗證該模擬勵磁調節器在理論上設計的正確性; (5在國內率先開展具有功能最強大的TMs320F2812芯片控制同步發電機模 擬勵磁裝置的研究,并取得了階段性研究成果;對關鍵部分的軟硬件調試過程中所遇到的問題和經驗進行了總結,指出存在 的問題和不足,提出了下一階段的任務和預案。5第2章同步發電機模擬勵磁系統在電力系統動態模擬實驗室勵磁系統的模擬內容主要有:(1勵磁功率單元模擬包括:勵磁方式模擬(勵磁機手動、他勵、自勵、勵磁 機他勵、勵磁機自勵、可控硅整流橋模擬、交流勵磁機模擬、交流副勵磁機模擬; (2勵磁調節器的模擬:恒機端電壓控制方式、恒勵

30、磁電流控制方式、恒觸發 角a控制方式、恒無功功率控制方式;(3調節特性模擬:提供PID控制參數、PSS控制參數等性能控制參數的修改 功能,以得到不同的勵磁控制系統性能特性;要在動態模擬實驗室內完成以上勵磁系統功能模擬,必須具備功能強大的模 擬勵磁系統裝置。同步發電機模擬勵磁系統由勵磁功率單元、勵磁調節器和負阻器三部分組成。 模擬勵磁系統框圖如圖2.1所示,方框內為模擬勵磁調節器。勵磁功率單元向同 步發電機轉子提供勵磁電流,而模擬勵磁調節器則根據輸入信號和給定的調節準 則控制勵磁功率單元的輸出。勵磁系統的自動勵磁調節器對維持同步發電機機端 電壓處于恒定水平,對整個模擬勵磁系統的調節與穩定具有相當

31、大的作用。但由 于模擬發電機的勵磁繞組時間常數小于原型發電機的勵磁繞組時間常數,必須串 接負阻器來增大時間常數;勵磁調節器根據輸入勵磁電流和機端電壓大小給定的 調節準則控制勵磁功率單元的輸出【51。6碩I:學位論文由勵磁調節器、勵磁功率單元和發電機一起組成的整個系統稱為勵磁系統控 制系統。勵磁控制系統是模擬勵磁系統的重要組成部份,是整個模擬現實勵磁工 況的組成核心。本文所研究的同步發電機模擬勵磁系統緊密跟蹤現代電力系統自動勵磁調節 系統的發展,采用DsP技術控制,可模擬不同的勵磁方式(自勵、他勵,手動、 自動等和發電機的勵磁繞組時間常數,以保證其模擬的準確性,實現全數字化, 勵磁功率單元采用可

32、控硅整流橋提供勵磁功率,可對半導體直接勵磁方式與半導 體一勵磁機勵磁方式進行模擬,對手動和自動、他勵和自勵勵磁方式進行選擇和切 換。整個模擬勵磁系統的原理圖如圖2.2所示。本勵磁系統是對15KVA機組設計 的,勵磁電流為3.5A,勵磁電壓為200V。控制箱為勵磁調節器,三相全控整流 橋為勵磁功率單元。圖2。2同步發電機模擬勵磁系統原理圖模擬勵磁系統的要求:模擬勵磁系統能夠正確而全面地反映勵磁系統的物理過程時,需要滿足下列 條件。本文研究的同步發電機模擬勵磁系統在設計之初,就以下要求為目標,力 求達到系統的準確完善。(1模擬勵磁調節裝置和原型的勵磁調節裝置,具有相同的特性,通常要求調 節器的型式

33、相同,調節的時間常數相同,強行勵磁的倍數相同等;(2模擬同步發電機轉子勵磁回路與原型同步發電機,具有相同的標么值參 7新一代模擬發lU機肋磁系統的開發1j軟件設計數,即勵磁繞組尺,電抗Xr,漏抗X,以及定子和阻尼繞組開路時的勵磁繞組 時間常數%等參數的標么值應該相等;(3模擬勵磁系統元件和原型勵磁系統中相應的元件,具有相似的靜態和動態 特性,例如發電機勵磁系統中的勵磁機和副勵磁機的特性。通常要求勵磁機的勵 磁繞組的時間常數乃與原型相等。勵磁機的空載和負載特性與原型相似。在可控 硅勵磁系統中,輔助發電機和勵磁變壓器的特性要求相似等;(4要求模擬同步發電機的勵磁系統參數能在廣泛范圍內進行調整,并能

34、夠方 便地改變模擬勵磁系統的勵磁方式,使之適合于不同模擬對象;同步發電機模擬勵磁系統的勵磁調節器負責根據檢測到的信號,按照給定的 勵磁控制準則自動調節勵磁功率單元的輸出。在系統中,模擬同步發電機提供給 勵磁調節器輸入信號,包括三相電壓、三相電流等。同時勵磁調節器的輸出信號 送給模擬同步發電機這樣就構成了完整的閉環。勵磁調節器一般由基本控制、輔 助控制和勵磁限制三大部分組成【6l。基本控制部分的核心是勵磁調節器,它主要實現模擬同步發電機的機端電壓 穩定和無功分配等最為基本的控制功能。它通常包括了以下幾個單元:測量比較 單元、調差單元、綜合放大單元和移相觸發單元。模擬勵磁調節器的主要作用有:(1根

35、據發電機負荷的變化相應的調節勵磁電流,以維持機端電壓為給定值;(2控制并列運行各發電機間無功功率分配;(3提高發電機并列運行的靜態穩定性;(4提高發電機并列運行的暫態穩定性;(5在發電機內部出現故障時,進行滅磁,以減小故障損失程度;(6根據運行要求對發電機實行最大勵磁限制及最小勵磁限制。輔助控制部分主要是根據運行的需要,在基本控制部分之外,附加的一些穩 定控制部分和補償環節,用來改善勵磁控制系統和同步發電機與之相連的電力系 統的穩定性,如電力系統穩定器(PSS主要增加勵磁系統阻尼特性,以防止勵磁系 統產生低頻震蕩【7l。勵磁限制部分主要是在各種異常運行情況下,提供必要的勵磁限制信號,并 封鎖基

36、本控制信號和輔助控制信號以保證機組的穩定和安全運行。它主要包括:最大勵磁電流瞬時限制、欠勵限制、反時限延時過勵磁電流限制、空載強勵限制、 伏赫限制和無功功率過載限制等。8碩上學位論文勵磁功率單元向模擬同步發電機勵磁繞組提供直流電流【8】,即勵磁電流。在 同步發電機模擬勵磁系統中,勵磁電源一般取自電網、模擬同步發電機機端或模 擬勵磁機。采用電力電子器件與微機控制技術,來模擬勵磁系統的多種勵磁方式。同步發電機勵磁系統中的直流勵磁電流是通過把交流勵磁電源經可控硅整流 后得到的,本文的采用全控整流橋如圖2.3所示。本文中的勵磁功率單元采用六 個晶閘管組成的全控橋,其電源可采用外界電源他勵半導體勵磁方式

37、、自勵 半導體勵磁方式和交流勵磁機勵磁方式。其脈沖觸發電路由勵磁調節器產生。K1垃1; 建薹 建 一 一 【vTl 廠 . j. 丑相 功=B相 l緩一國 C相晴qK4建三建三 乾nR42么LJ >一 L l 一寸一。VT4I垡T 圖2.3勵磁功率單元 2.1.3負阻器 同步發電機的勵磁繞組時間常數T=三/月,在模擬同步發電機中,勵磁繞組內 阻R較大,負阻器串接在勵磁繞組回路中,產生負電阻,以減小R增大勵磁繞組 時間常數%,使之與原型同步發電機的勵磁繞組時間常數%一致。模擬勵磁系統中的負阻器的要求:(1靜態特性為電壓電流外特性曲線為一條直線;(2動態特性:電壓電流動態響應曲線同相無滯后,

38、波形相同;(3功率要有足夠補償容量。本章介紹了模擬勵磁系統所要模擬的內容。同步發電機模擬勵磁系統的組成, 包括勵磁調節器、勵磁功率單元與負阻器等,并將各部分功能進行了簡單的介紹, 提出了模擬勵磁系統對各部分的功能要求,對該模擬勵磁系統的硬件設計打下理 論基礎。 9本文所設計的模擬勵磁調節器基于數字處理芯片TMS320F2812為控制核的 模擬勵磁調節器,在本著加強裝置功能和提高整個裝置的可靠性和抗干擾能力的 目的,設計了新的硬件電路以實現勵磁系統的全數字化控制。本章內容結合硬件 裝置,分析介紹了模擬勵磁裝置的電源與功率驅動電路采樣電路、脈沖觸發電路、 測頻電路、掉電保護,擴展程序/數據電路、R

39、S485通信電路、鍵盤和LCD顯示 電路等。外部模塊包括:電源轉換模塊,信號采集模塊,掉電保護,擴展程序/數據模 塊,RS485通信模塊,鍵盤和LCD顯示模塊,PwM輸出隔離放大模塊,同步信號 捕獲模塊。系統的工作原理是:發電機組機端電壓、電流經過電壓互感器和電流 互感器輸入到信號轉換模塊,輸出O.3v信號送入A/D轉換通道;同時勵磁電壓、 電流經信號轉換模塊變換為O.3v的信號,送入AD芯片。TMS320F2812對采樣的 結果根據控制參數、工作方式、限制保護條件進行控制算法運算,得到結果后, 作為輸出送給事件管理器(EVA,輸出PwM信號,同時有關的警告信號或顯示信息 送給51單片機,單片

40、機根據收到的控制字來控制LCD顯示模塊的顯示。PwM信號 經PwM輸出放大模塊,輸出后直接驅動可控硅的觸發極,控制勵磁電流大小,從 而調節機端電壓。同時,故障監測模塊實時監測系統的輸入和輸出。當監測到故 障發生時,立即以中斷方式通知DSP,讓DSP快速處理故障事件。另外, TMS320F2812還可以與上位機進行通信,交換數據。微機勵磁勵磁調節器內部功 能框圖如圖3.1所示。監視與掉電保護同步號號送入cAP糾測頻信號 看門狗 k p采樣信號爿三三三p ;:7。輸入輸出 J鍵盤與縫電器 DSPSCI串行通信 TMS320F2812SCI外設亙圃叫Rs485通信l目 I 5嬋片機同巫lO碩十學位論

41、文TMS320F2812是TI公司2002年推出的最新定點數字信號處理器。器件上集 成了許多先進的外設資源,主要有模數轉換模塊(ADC、事件管理器模塊(EV、 串行外設接口模塊(sPI、串行通信接口模塊(SCI、CAN控制器模塊(EcAN等。 為電機及其他運動控制應用的實現提供了良好的平臺;同時,它提供了足夠的處 理能力,使一些復雜的實時控制算法的應用成為可能。TMS320F2812的主要特點【9】:TMS320F2812具有32位處理器、最高150MHz 的主頻6.67ns的指令周期、外部采用低頻時鐘、通過片內鎖相環倍頻。片上有18K 字的高速RAM,128K字的可加密FLASHROM。采用

42、高性能CMOS制造技術, I/O供電電壓及F1ash編程電壓為3.3V,內核供電電壓為1.8V。16通道的12位 模數轉換器(ADc,內部含兩路采樣保持器,一個轉換單元,可實現雙通道同步 采樣,最小轉換時間為80ns。片上含兩個事件管理單元(EvA,EvB,設計用于 頻率測量PWM生成。利用TMS320F2812片內ADC可對機端電壓、機端電流、勵磁電壓、勵磁電 流進行采樣,以實現對電量的精確測量。利用EV的捕獲單元可實現頻率的測量 以及同步信號的獲取,Ev中的計數器帶有周期寄存器和比較寄存器,當計數器 的計數值同周期寄存器或比較寄存器中的數值相匹配時,將會產生周期匹配事件 和比較匹配事件,利

43、用計數器的這一特性并結合捕獲單元可形成移相脈沖。通信新一代模擬發f乜機勵磁系統的開發與軟件設計接口含2個串行通信接口(Serial Communicators Interface、1個串行外圍接口 【Serial Peripheral Interface、1個CAN控制器(Enhanced Controller Area Network 和1個多信道緩沖串行端口(Multi.channel Buffered Serial Port。56個獨立配置的 通用多功能I/O口(GPIo。擴展存儲器接口(External Memory Interface讀寫時序可 編程,三路獨立片選(CS可以兼容同速率

44、的外設擴展。TMS320F2812控制器功能 結構圖如圖3.2所示。TMS320F28l 2內部繼承了A/D和采樣保持電路,并優化了FFT指令,使得 它在交流采樣計算時具有快速準確的優勢:TMS320F2812的A/D模塊根據機端 電壓頻率對經過調理之后的機端電壓、機端電流信號進行采樣,通過交流采樣的 算法可以得到機端電壓、機端電流基波分量的實部和虛部,由此可以算出機端電 壓、機端電流基波分量的有效值、發電機的有功功率、無功功率和功率因數。同 時TMS320F2812的A/D模塊還對經過調理的勵磁電壓、勵磁電流信號采樣,通 過數字濾波可以得到勵磁電壓、勵磁電流的平均值。利用DSP的比較單元產生

45、移 相觸發脈沖,此脈沖經過功率放大后去觸發可控硅組件,通過控制發電機轉子勵 磁電流達到控制和調節發電機端電壓和無功功率的目的。同時,勵磁調節器還將 根據現場輸入的操作和狀態信號進行邏輯判斷,實現各種運行方式所需的勵磁調 節和限制、保護、檢測和故障判斷功能。通過以上比較表明TMS320F2812的性能指標與TMS320LF2407相比有了質 的飛躍,F2812的控制性能要優于F2407,更適用于高精度、復雜、實時性要求 高的控制領域。因此,TMS320F2812處理器的引入將大大簡化勵磁調節器的硬件 結構,從而可以提高勵磁調節器的多功能性和可靠性。12碩上學位論文TI公司的DSP家族一般要求有獨

46、立的內核電源和I/O電源,并不要求有這兩 種電源之間有特殊的上電順序【lo】。但從系統級考慮,總線競爭會要求按順序上電。 通常情況下,要求CPu內核電源先于或同步于I/O上電,二者時間相差不能太長 (一般不能大于l s,否則會影響器件的壽命或損壞器件。TMS320F2812通常上 電順序要求I/O先上電,核后上電,TMS320F2812的核電壓為1.8V。I/o電壓為 3.3V;因此,傳統的線性穩壓器(如78xx系列已經不能滿足要求。我們選用具 有雙路輸出電壓的TPS767D318來設計其電源系統。基于此,設計了基于 TPS767D318的TMS320F28l 2的電源電路。微機電源的設計既要

47、保證DSP能夠 長期工作在穩定的狀態,又能降低功耗,提高TMS320F2812的工作效率,設計 構成原理圖如圖3.3所示。TPS767D318是TI公司推出的雙路低壓差電源調整 器.主要應用在需要雙電源供電的DSP設計中。具有可單獨供電的雙路輸出,一 路固定輸出電壓為3.3V,另一路固定輸出電壓為1.8V。每路輸出電流的范圍在 0.1A。TMS320F2812的電源電路如圖3.4所示。33v 墼!扭 上B鯉 飛心盟22IlF,lOV爿=c1D blTPS767D318芯片采用5V電源輸入,1.8V和3.3v電源輸出,經電容接地濾 波抗干擾。模擬電源和數字電源之間采用磁珠將數字地與模擬地分開【l

48、 01。DSP外圍時鐘采用DSl305作為電源管理單元的時鐘源,DSl305采樣用二進制 編碼的十進制(BcD碼表示實時時鐘的秒、分、小時、星期、日、月和年的時間 信息。其引腳相連圖如圖3.5所示。DSl 305支持通過SPI串行數據端口或者標準的13餐 一 一 一 一 一 刪 心 一 剁 必 珊 新一代模擬發電機勵磁系統的開發勺軟件設計三線接口進行時間的校正和數據的讀取,可進行單字節的或連讀字節束發方式的 訪問。SERMODE接地,串口訪問模式設定為標準3線模式:SDI(串口數據輸入 與SDo(串口數據,輸出連接在一起作為單一的I/O引腳,它與cE,scLK組成 3線模式。sERMoDE接v

49、CC選擇SPI通信模式。INTO,INTl提供兩個可編程的中 斷報警信號,可通過串行總線訪問和設定秒、分、時、星期的報警時間。X1、X2引腳直接連接標準的32.768kHz晶振,無需外接其它元件。 r下rJ.螋叫Ih 1尸黽鞒 均劉基囊j 圖3.52812的時鐘管理模塊 由DsP控制啟動與關閉,確保CPU正常工作這樣,只有在DSP工作時才消耗 電能,DSl305自身又是微功耗器件,所以整個設備耗電很少,只要用較少的化學 電池就可以維持。TMs320F2812內部集成了上有18K字的高速RAM和128K字的可加密 FLASHRoM,32K FLASH容量已基本夠用,但是在調試時,如果每次將程序燒

50、到 片內FLASH中,速度慢,而且容易損壞TMS320F2812,為調試方便和保護DSP芯 片,所以在外部擴展了程序存儲器【19】。同時內部的RAM存儲空間太小,為保存大 量的采樣數據、運算的中間結果和提高系統的運行速度,需要擴展外部數據存儲 器(RAM,考慮到片外程序存儲器在調試后可以不用,故將程序存儲器與數據存 儲器共用一塊芯片,采用芯片IS61LV25616。IS61LV256l 6是一款高速靜態隨機存取存儲器,采用IsIs公司的高性能 cMoS技術,其接口簡單,控制也比較方便。地址總線(AO.A17,輸出總線(I/OO. I/015,片選(nCE,輸出使能(noE,輸入使能端(new,

51、低字節選擇端(nLB,高 字節選擇端(nuB,電源輸入端。具體連接圖如下圖3.6所示。DSP系統上電初始化后,程序空間用于存放所有的程序,放在程序空間RAM 中可以減少調用程序的時間,數據空間主要用于放置處理過的數據和運算過程中 的許多中間變量,用于模板匹配的模板數據也放在數據空間中,因為模板數據要 多次使用,放在數據空間中可以提高調用速度。14一帕K 一 扣 一 一 一碩十學位論文TMs320F2812帶有看門狗定時器模塊,防止程序跑飛。但卻沒有掉電保護功 能,系統每次開機運行時都需要重新設定參數,對上次設定的參數不能保留,為 此,設計了外部看門狗掉電保護電路,一是防止程序跑飛,二是保存設置

52、參數, 在每次運行時,程序可以首先讀取上次設定參數值【111。其電路如圖3.7所示。該電路采用一片看門狗芯片x5163,該芯片為E2PRoM芯片,把看門狗定時 器、工作電壓監控和E2PRoM三種功能組合在一個封裝內,并采用三線總線工作 的串行外設接口(sPI和軟件協議,提高了系統的工作可靠性,適合于需現場修改 數據的場合。在應用中,對存儲陣列的讀寫、看門狗定時器的設置則需通過芯片 要求的指令來完成。X5163的串行輸入輸出口與TMS320F2812的串行外設接口(SPI相接,采用SPI 時鐘輸入,DSP的IoPC0作為片選控制腳,復位信號輸出引腳接DSP的復位腳,當 程序跑飛或死機狀態時,x5

53、163發出低電平,讓DsP復位,系統重新啟動。本勵磁裝置開入電路包括采樣電路,測頻電路。同步發電機模擬勵磁系統共 15新一代模擬發I乜機勵磁系統的開發jj軟件設計須采樣9路信號(三相機端電壓、三相機端電流、勵磁電流、勵磁電壓、勵磁電 源電壓同時輔助測頻電路。根據采樣信號的不同,可分為直流采樣和交流采樣兩大類【10】【11】。直流采樣利 用般的模擬量變送器作為測量部件(如傳感器,將輸入的交流量轉化為成比 例的、可供微機采樣的直流量。這種方法的主要優點是程序設計比較簡單,精度 要求不高,可以采用單極性的A/D轉換器,同時對轉換速度的要求較低,容易實 現,但其輸入回路因要濾去整流后的紋波,往往采用R

54、C濾波電路,其時間常數較 大(一般幾十毫秒一一幾百毫秒1,因此采樣結果實時性差,而且無法反映被測模 擬量的波形,僅能反映被測量的單一信息(如有效值等。交流采樣采用交流接口把機端電壓互感器二次側電壓以及電流互感器二次側 電流經過中間預處理與濾波限幅環節轉換為與其成比例幅值適當的交流電壓,以 便于微機對其進行采樣。實時性好,相位失真小,投資少、便于維護,但其缺點 是算法復雜,對A/D轉換速度和CPu處理速度要求較高,交流采樣按照采樣周期 值、采樣點位置以及被采樣信號在時間上的相互關系可分為異步采樣和同步采樣。 異步采樣的采樣周期固定不變,當系統頻率改變時會帶來較大的誤差【111。此模擬勵磁調節器中

55、需要采樣的電量有三相機端線電壓、三相機端線電流 J,、勵磁電源電壓以。、勵磁電壓以、勵磁電流L,共9路信號,這些電量中機端 電壓、機端電流、勵磁電源電壓為交流量;勵磁電壓和勵磁電流為直流量。對于 機端電壓和機端電流采用交流采樣,勵磁電源電壓采用直流采樣,這些電量的測 量原理框圖如圖3.8所示。交流采樣部分的硬件包括隔離變換電路、電平轉換電路、通道選擇電路、同 步方波捕獲電路、模數轉換及控制電路。隔離變換電路:將系統PT(測量機端電 壓、CT(測量機端電流二次端的電壓、電流信號轉換為同波形的弱電信號, 常用器件為帶有磁補償的霍爾傳感器、電流變換器等;電平轉換電路:將隔離變 換后的采集的信號轉換成

56、A/D所能識別的有效信號,且維持原波形的信息,如濾 波、限幅等;同步方波捕獲電路:跟蹤捕獲交流信號的過零點,為采樣系統提供 工頻變化的采樣周期;在F2812內部ADc轉換模塊將模擬量轉換成數字量。16主碩上學位論文(1勵磁電壓采樣勵磁系統中,勵磁電壓幅值為O220V,需將其轉換為DSP能識別的O一3V 的弱電信號,電路如圖3.9所示,霍爾電壓傳感器采用VsM025A,能在電隔離條 件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規則電壓波形。電壓傳感器原邊額定電流 為1OmA,副邊額定電流為25mA,±12V電源供電。限流電阻R40為22艘/3W, 采樣電阻R41為120Q,輸出電壓范圍為O3V接

57、入A/D轉換器。T10UL+R40 R42 ULl22K 。+。2v1。.去電壓傳UL2感器 ,mv仁一c5(2勵磁電流采樣勵磁電流的幅值為05A左右,采用霍爾電流傳感器CSM025A,硬件如圖 3.10所示。TllIL+¨R44 ULl電流傳 。:+。2v。.,去感器 。2v掣c6 IL。6將電流傳感器csM025A的輸入端串接在勵磁回路中,采用±12y電源供電, 輸出O25mA電流,采樣電阻R43為120Q,將勵磁電流轉換成O3V的電壓信 號,接入A/D轉換器。防止在故障狀況時,輸出電流過大,損壞A/D轉換芯片, 添加濾波C6電容,濾去諧波抗干擾。(3機端電壓、電流采樣

58、模擬同步發電機的機端電壓經過PT、CT變換成O100V、O5A的交流信號, 為了使其適應A/D轉換信號,需要對信號進行隔離抗干擾處理和電平轉換,電路 如圖3.11所示的機端電壓交流采樣電路。亨17新一代模擬發電機勵磁系統的開發與軟件設汁采用精密電流型電壓互感器Tvl013.1,輸入輸出的額定電流為2mA/2mA, 在互感器輸入端限流電阻Rl為51KQ。其輸出端電流為2mA,采樣電阻R2為 250Q,轉換成電壓信號的幅值在.0.5vO.5v之間。為了配合單極性A/D轉換器 的信號需求,采用電平抬升與三倍的放大電路,輸出信號為O3V的脈動直流電 流,與原始信號同波形,送入刖D轉換器,出于同樣的設計原理,交流電流采樣 電路如圖3.12所示,每周期采樣64點,根據快速傅立