DSP控制的谐波励磁同步发电机电压调节器的研制

DSP控制的谐波励磁同步发电机电压调节器的研制 DSP控制的谐波励磁同步发电机电压调节 器的研制 第4期 2003年8月 微处理机 MICROPROCE3SORS No.4 Aug.,2003 DSP控制的谐波励磁同步发电机电压调节器的研制 项安,何建峰,季国瑜,胡凌燕,朱更军 (南昌大学电气与自动化 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,南昌330029) 摘要本文介绍一种基于数字信号处理单片机(TMS320F240)构成的谐波励磁同步发电机 电压调节器,它具有硬件 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 简单,性能价格比高,可靠性好等特点. 关键词DSP谐波励磁电压调节器 DSPBasedAutomaticVoltageRegulatorforHarmonic WaveExcitedGenerator XiangAn,etal (ElectricandAutomationEngineeringCollege,NanchangUniversity,Nanchang330029) AbstractAautomaticvoltageregulatorforharmonicwaveexcitedgeneratorbasedonDSP (TM$320F240)iSpresented.Thehardwarestructureandsoftwareconfigurationarediscussed.It hasmanyadvantagessuchassimplehardwarestructure,highreliabilityandhighratiosof qualitiesandfunctionscomparedwithprice. KeywordsDSP,harmonicwaveexcitedgenerator,automaticvoltageregulator 1前言 在中小型同步发电机的励磁系统中,谐波励磁 以其独特的优势而取得了广泛的应用.在这种励磁 方式中,励磁系统具有较强的复励能力,动态特性 好,具有一定的固有电压调节率指标(士5).另外, 谐波绕组提供的功率与发电机励磁功率匹配,强励 能力好,能直接起动较大容量的电机,在不外加任何 短路电流维持装置,能产生3”-5倍的短路电流,保 证了保护装置的动作可靠性. 目前该类发电机由于技术成本等因素一直采用 模拟调节方式,存在参数稳定性差,如运放温度漂 移,电阻电容随温度变化大等不确定的因素,造成控 制精度难以保证;甚至有些地方还采用手动调节,调 节效果差.随着数字信号处理器的性能不断增强和 价格不断降低,以数字信号处理器为核心的数字励 磁调节器是一个发展方向.例如在本文介绍的系统 中,以TMS320F240芯片为核心,用TI的 TMS320F240单片微机设计的励磁调节器,其采 样,测速,通讯,脉冲和自动复位全部由CPU完成, 无需扩展外围电路,硬件开销小,接线简单.采用数 字信号处理器具有抗干扰能力强,控制 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 可实现 按系统规律设计的智能型控制策略,如自适应控制, 变参数PID控制,模糊控制,并具有逻辑判断,算术 运算等智能化功能,使励磁系统性能得到极大的改 善. 2谐波励磁系统简介 图1为DSP控制的谐波励磁无刷同步发电机 电压调节器原理图.发电机的谐波绕组产生的三次 谐波电压经过不可控全桥整成直流,给励磁机的励 磁绕组供电,相应地在励磁机的电枢绕组上感应出 三相电,经过旋转整流器,整成的直流供给主发电机 的励磁绕组.图中1,2,3是主发电机部分,4,5是励 磁机部分,对主发电机而言,励磁机起电流放大的作 用,给主发电机的励磁绕组供电,由于使用了励磁 机,使电机励磁实现了无刷化.电机端电压通过图示 7电压变换环节转换成适合于AD转换端口要求的 正电压(O~--5V),另外,电机端电压的正弦波形通过 图示8波形转换环节变换成CPU的捕获端口要求 的脉冲波形. 励磁调节器的工作原理;电压传感器测量的同 步发电机端电压与给定值进行比较得到端电压偏 差,根据端电压偏差和一定的控制规律计算出控制 量来改变半导体开关管上脉冲宽度占空比,从而改 变励磁机的励磁电流达到改变发电机端电压的目 的.同时,励磁调节器还可以通过测量发电机的无功 电流实现发电机的并联运行. 项安,男,38岁,博士后,副教授,主要研究领域:电机控制,电力电子技术应用 收稿日期z2002—12—20 ?16?微处理机2003年 1.主发电机z.发电机的三次谐波绕组 3.发电机的励磁绕组4.励磁机的励磁绕组 5.励磁机的电枢绕组6.MOSFET开关管 7.电压变换环节8.波形转换环节 图1DSP控制的谐波励磁无刷同步发电机电压 调节器硬件接线原理图 3硬件设计 根据任务的不同,系统硬件可划分为以下5个 单元. 3.1CPU单元 CPU是威磁调节器的控制核心,采用 TMS320F240作为CPU.TMS320F240是TI公司 专门为电机控制设计的一款数字信号处理器,它内 部集成了为电机控制应用所必须的外围设备,如:定 时器,串行通信口,模数转换器,PWM脉宽调制等. 3.2电压变换单元 该部分如图1所示的7,将发电机端电压进行 降压,滤波处理后送入CPU的A/D转换口,由于 TMS320F240的A/D转换口需要0,5V的输入电 压,该模块的任务也就是将测量信号转换为幅值在 这一范围的输入信号. 3.3波形转换单元 该部分如图1所示的8,将发电机发出的正弦 波电压转换成脉冲,得到一系列与输入电压正弦波 相对应的脉冲.该脉冲的周期与正弦波的周期相同, 脉冲的上升沿对应于正弦波由负转正的时刻.在此, 要将TMS320F240的捕获单元设定在下一个上升 沿到来时触发一次中断,这样,就能精确地测得电压 的周期或频率,也就得到发电机的转速. 3.4TMS320F240与PC机的通讯单元 利用该模块可以与上位PC机通讯,但必须注 意的是,设置好通讯参数是很关键的,如奇偶校验 位,数据位数,波特率等.我们可以将发电机的一些 状态量发到上位机进行显示,如发电机的电压(U), 电流(I),电机转速(n),另外,还可以将一些控制量 发到下位机. 3.sPWM脉宽调制单元 控制MOS开关管的脉冲是由TMS320F240的 脉宽调制单元发出的,经过专门的驱动芯片 TLP250,驱动MOS开关管的门级.在本电路中脉 冲频率固定,宽度可调,发电机端电压在额定值时, 脉冲的占空比为50%,当发电机端电压高于额定值 时,减少PWM波的占空比,励磁电流减少,使发电 机端电压降低,趋于额定值;端电压低于额定值,则 增大占空比,使端电压升高达到额定值. 4软件设计 本文介绍的数字式电压调节器使用了TI公司 TMS3201~40芯片,其软件平台也是TI公司所设 计的,使用专门为该款芯片设计的汇编语言编写程 序.主程序的流程图如图2所示,一共包括了如下四 个功能模块: 图2主程序流程图 4.I信号输人模块 该模块有2路16个输入通道,而且具有采样和 保持功能,AD口的输入电压是0,5V,每个AD转 换位数是十位,转换后对应的结果是0~1023,转换 精度可达1‰.在程序中将该模块放在定时中断中, 定时时间到,引发中断,进行AD采样,本模块在图 2的信号输入模块中. 4.2测速模块 TMS320F240有四个捕获口,在程序设计中, 只用了捕获口1,该捕获口使用了一个捕获中断,通 用定时器2作为它的计数器.捕获单元在捕获引脚 上出现跳变(上升沿),就使能捕获中断,由于频率与 电机转速之间有一个确定的线性关系,就能得到电 机的转速.利用该捕获程序,在实验当中,50Hz的市 电,测得的周期是19.998ms,可见精确度能达到要 求.其工作情况如图2中的测速事件. 4.3脉冲产生模块 在本程序中,由于通用定时器1,2都被用掉了, 那就只能用通用定时器3来产生PWM波,PWM 脉冲的周期对应于定时器3的周期寄存器(即 T3PR)设定的值,PWM脉冲的宽度对应于定时器3 的比较寄存器(即T3CMPR)设定的值.周期寄存器 的值固定不变,而比较寄存器的值根据偏差量进行 调整,从而产生出频率不变,宽度可调的脉冲.如图 4期项安等:DSP控制的谐波励磁同步发电机电压调节器的研制.17. 2所示,是DSP芯片发出的占空比为4oE,频率为 2KHz的PWM波.本模块在信号输入事件当采样 次数等于20时的脉宽调节中. 4.4与上位PC机通讯模块 如果要将数据传送到上位机,只要将数据写入 发送缓冲区I有数据要传送到CPU,就会 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 到接 收寄存器的 标志 禁止坐卧标志下载饮用水保护区标志下载桥隧标志图下载上坡路安全标志下载地理标志专用标志下载 位发生改变,然后跳到数据接收子 程序将数据从接收缓冲区读取,其脉冲程序放在主 程序流程图的通讯事件中,采用查询的工作方式.由 于串行通讯传输速率慢,数据易丢失,为了保证通讯 的准确,在程序中,不管是接收数据还是发送数据到 上位机,都要在起始处发送校验码.而且实时发送电 机状态量到上位机的事件,是每隔100ms触发一 次. 相关程序如下: LDP#224 SPLK#O0010111b,SCICCRI1位停止位无奇偶校验 8位数据位 SPLK#00o0000000010011b,SClCCRI使能接收和发 送时钟 SPLK#0082h,SCILBAUDI波特率设置为9600 SPLK#0000h,SCIRXBUFI清除接收缓冲区 SACLSCITXBUFI发关数据到上位机 BITSCIRXST,BIT6I检测是否有数据发送过来 LDP#224 LACCSCIRXBUFI将输入缓冲区的数据读出 5实验结果 该电压调节器配在40kw无刷三次谐波励磁同 步发电机上进行试验,电机在空载和功率因数分别 为1和0.8的额定负载下进行测试,其稳态电压调 整率保持在1以下,而且其动态加减负载的调节 时间都不会超过2s.图3是加额定有功负载,电压 调节的波形,其动态调整时间是1.6s,图4是电机 在额定负载下,开关管的G,S两端的脉冲波形,占 空比为27%,脉冲频率为IKHz. 6结论 主要结论如下: (1)本装置采用DSP和高频开关管构成的数字 励磁调节器具有硬件电路结构简单,可靠性高的优 点,通过软件的子程序完成各种控制功能,设计合 理,除一般的PID调节外,还可以选用一些比较先 进的调节方式,如变参数PID调节和模糊控制.无 需更改硬件,只要在软件中进行设定,就能够增加如 强励限制和欠励限制等功能. (2)采用VB6.0设计了DSP与PC通讯的上位 机部分,界面友好,运行显示直观,具有在线修改 PID参数和监测电机运行状态的功能,界面如图5 所示.对不同型号的电机,无须更换调节器,只需修 改各项参数,能够做到电压调节装置的系列化,通用 化. ?曩r’ 1f|.?T啦珥’.:啊I憎- .I.. 图3加7f功贝_拔.f压&;,; … 门?I=I_?_ -’ -’ ? I’rlI_?1I髓?a?:一?_?l 图4额定贝耿下,Mosfet管的触发脉冲 图5上位饥的通讯界面 参考文献 1TICompany.TMS320F240.DSPControllersReference Guide—CPUandInstructionSet.LiteratureNumbert SPRU160C.TICompany.1999--06 2赵良炳.现代电力电子技术基础.北京:清华大学出版社, 1994 3肖扬等.新一代DSP电机控制器的开发与应用.电工技 术,2002;4(5) 4北京闻亭科技发展有限公司.TMS320F24X高速数字信 号处理器原理与应用.北京闻亭公司,1998 5王晓明.电动机的单片机控制.北京:北京航空航天大学 出版社,2002