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基于DSP同步发电机励磁系统的开发研究

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摘要：励磁系统是同步发电机的重要组成部分，直接影响发电机及电力系统运行特性，本文介绍了一种新型的基于TMS320LF2407微控制器，采用双通道结构的同步发电机数字励磁调节器的开发研究。
关键词：同步发电机，励磁，微控制器，DSP，PID

0 励磁调节装置的发展

从励磁调节器装置元器件和结构的演变看, 它经历了电动机械型到电磁型到半导体型几个阶段。过去的励磁装置大多数采用模拟元件组成，由于模拟元器件易受温度影响，随着季节的变化整定值漂移，模拟反馈信号线性差，模拟给定信号不准确, 重复性差等使整个系统不稳定，系统硬件资源损耗大，而且模拟元件改动困难，与上级控制系统交换信息困难，调试不方便，不易进行故障诊断。

随着计算机技术的发展，加快了控制信息处理向数字化处理的转变，国内外许多公司和企业都开始进行以微型计算机为核心的微机数字励磁装置的研究。采用了深度数字化技术，使励磁装置在硬件上集成化，能方便地实现现代控制要求，增强抗干扰能力，适合工作于恶劣的现场环境中。在工业控制中，大多采用单片机和工控机组成励磁调节器，取得很好的效果。

1 TMS320X240X系列DSP概述

TMS320X240X是属于TMS320系列DSP产品，其适用于众多数字电机控制（DMC）和其他的内嵌式控制的应用，此系列产品是基于C2xLP 16位、定点、低功耗的DSP CPU，并集成了一系列片上外围设备、片上 ROM、FLASH程序存贮器和片上双向RAM（DARAM）。也就是把一个高性能的DSP内核和微处理的片内外围设备集成为一体的芯片，TMS320X240X系列成为传统的微控制单元（MCUs）和昂贵多片设计的一种廉价的替代品。每秒3千万条指令的处理速度，使TMS320X240X DSP控制器可以提供远远超过传统的16位微控制器和微处理器的性能。

TMS320LF2407的指令执行速度是30MIPS，几乎所有的指令都可以在一个33ns的单周期内执行完毕。这使高性能的复杂控制算法的实时执行成为可能。具有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构特点，有强大的片内I/O端口而且他有为电机控制应用提供单片解决的方案所必需的外围设备。这个应用优化的外围设备单元与高性能的DSP内核一起，使在所有类型电机的高精度、高效、全变速控制使用先进的控制技术成为可能。
以下是TMS320LF2407的性能特点：

·TMS320C2xx核心CPU

□ 32位的中央算术逻辑单元（CALU）,32位加法器
□ 16位并行乘法器，32位乘积，3个定标移位寄存器
□ 8个16位辅助寄存器，带有一个专用的算术单元，用来作数据存贮器的间接寻址

·存贮器

□ 544字x16位的双端数据／程序DARAM
□ 2k字x16位的单端口SARAM
□ 片内32k x16位的flash程序存贮器
□ 256字x16位片上引导ROM
□ 224k字x16位的最大寻址存贮器空间 (64K字的程序空间, 64K字的数据空间, 64K字的I/O空间,32K字的全局空间 )
□ 有软件等待状态发生器的外部存贮器接口模块,具有16位地址总线和16位数据总线

·事件管理模块A和B

□ 十六位通用定时器4个
□ 比较/脉宽调制(PWM)通道10/16
□ 捕获通道/正交编码器脉冲接口6/4

·电源

□ 静态 CMOS技术
□ 供电电压3.3v

·看门狗定时器
·CAN接口: 与控制器局域网络(CAN2.0版兼容,有六个邮件箱)
·ADC: 模数转换器、10位、500ns转换速度、16／8可选通道
·SPI: 外设串行接口、同步串行端口
·SCI: 串行通信端口、异步串行接口
·速度: 33ns(30MIPS)指令周期，多数指令为单周期
·外部中断5个、数字I/O管角41个

3 TMS320LF2407 DSP励磁调节器的硬件组成

DSP励磁调节器采用双通道结构，由硬件完全相同而又独立的两个通道组成，每个通道具有两种基本运行方式: 电压调节AVR(Automatic Voltage Regulator)和电流调节方式FCR( Field current Regulator)。AVR方式以发电机机端电压为调节对象，根据机端电压变化自动调节励磁电流，达到恒定机端电压运行的目的。FCR方式以发电机励磁电流为调节对象，实现恒励磁电流运行，适合于在调试、短路试验和其它机端电压测量信号时运行。
DSP励磁调节器的系统原理图（见下图1）。

图中，调节器的一个硬件通道包括以下部分: 测量适配器、有功／无功变换器、模拟量处理单元、隔离输入单元、开关量输入单元、开关量输出单元、主控单元、脉中放大单元、键盘和液晶显示单元等。

测量适配器单元的主要输入量是机端电压PT信号、机端电流CT信号和励磁电流信号; 输出量是经过处理后的适合于微机采样的励磁电流信号以及降压后的PT信号和变成电压信号CT信号。

有功／无功变换器主要用于产生定子电流的有功分量Icos 和无功分量Isin 。
模拟量输入单元主要用于机端电压的整流与滤波、同步信号的预处理、测频信号的产生以及 Icos 和Isin 的适配，其输出送入主控单元。
隔离输入单元主要是将机组开关状态和外部命令通过光耦合器件隔离变换为24v内部信号。
开关量输入单元将隔离输入单元的24v信号变换成适合微机输入的5v信号，并实现与主控单元的接口。
开关量输出单元通过自身的接口将主控单元的控制命令和状态信号转换为输出的开关量，经光电隔离后输出。
隔离输出单元将开关量输出单元的信号进行继电器隔离，操作外部强电回路。
主控单元（CPU）是调节器的核心，他完成信号综合、给定值产生、PID运算、移相触发、通道跟踪、串行通信、限制保护以及参数的显示、修改和存贮等核心工作。
脉冲放大单元将主控单元产生的双窄触发脉冲放大以后，输出值励磁整流柜，触发脉冲在整流柜经脉冲末级放大后触发整流桥晶闸管。
键盘和液晶显示单元是显示和修改数据的人机接口。

4 励磁装置的软件设计

软件的开发工具采用基于EEP并口的DSP开发系统 TDS-EEP-XDS510,在CC/CCS(code composer studio)集成开发环境下进行。在编程过程中采用C语言和汇编语言的混合编程。

励磁调节器PID控制器的软件程序流程图设置如下：

软件程序流程图

在PID调节器设计中参数的选择是非常重要的，参数的好环关系到整个系统的动态特性和静态特性。模拟PID调节器的整定是按照工艺对控制性能的要求，决定调节器的参数Kp、Ki、Kd、、Ti。数字PID参数的整定，除了需要确定上述参数外，还要确定系统的采样周期T。

采用c 语言编程如下：

#include "math.h"
void pid(void)
{int kp,ki,kd,Uref,u;
float Ek,Ek1,Ek2,Uk1; /*k1表示k-1*/
float tempui,tempup,tempud,tempu,pidout;
Ek=u-Uref;
tempui=ki*Ek;
tempup=kp*(Ek-Ek1);
tempud=kd*(Ek-2*Ek1+Ek2);
tempu=tempui+tempup+tempud;
pidout=tempu+Uk1;
pidout=Uk1;
Ek2=Ek1;
Ek1=Ek;
if(pidout>0)
{...}
}

5结束语

针对低端产品设计的样机容量规格：

直流输出容量：400ADC、250VDC

主要功能：

PID自动控制(机端电压闭环控制)
软起励、PT断线监视、转子过流限制
欠励限制、无强励判断、无强减判断、V/Hz限制
PI手动控制（转子电流闭环控制）
恒功率因数的控制

参考文献
1.数字式励磁装置讲义.崔建华,河北工业大学电工厂. 天津 2001
2.DSP芯片的原理与开发应用.张雄伟, 电子工业出版社. 北京2000
3.WT2407EVM板使用说明书.北京闻亭公司
4.现代同步发电机励磁系统设计及应用.李基成, 中国电力出版社 2002(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/2/2005)


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