勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，直接影響發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)運(yùn)行特性，本文介紹了一種新型的基于TMS320LF2407微控制器，采用雙通道結(jié)構(gòu)的同步發(fā)電機(jī)數(shù)字勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的開發(fā)研究。
關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁，微控制器，DSP，PID
0 勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的發(fā)展
從勵(lì)磁調(diào)節(jié)器裝置元器件和結(jié)構(gòu)的演變看, 它經(jīng)歷了電動(dòng)機(jī)械型到電磁型到半導(dǎo)體型幾個(gè)階段。過(guò)去的勵(lì)磁裝置大多數(shù)采用模擬元件組成，由于模擬元器件易受溫度影響，隨著季節(jié)的變化整定值漂移，模擬反饋信號(hào)線性差，模擬給定信號(hào)不準(zhǔn)確, 重復(fù)性差等使整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定，系統(tǒng)硬件資源損耗大，而且模擬元件改動(dòng)困難，與上級(jí)控制系統(tǒng)交換信息困難，調(diào)試不方便，不易進(jìn)行故障診斷。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，加快了控制信息處理向數(shù)字化處理的轉(zhuǎn)變，國(guó)內(nèi)外許多公司和企業(yè)都開始進(jìn)行以微型計(jì)算機(jī)為核心的微機(jī)數(shù)字勵(lì)磁裝置的研究。采用了深度數(shù)字化技術(shù)，使勵(lì)磁裝置在硬件上集成化，能方便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制要求，增強(qiáng)抗干擾能力，適合工作于惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中。在工業(yè)控制中，大多采用單片機(jī)和工控機(jī)組成勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，取得很好的效果。
1 TMS320X240X系列DSP概述
TMS320X240X是屬于TMS320系列DSP產(chǎn)品，其適用于眾多數(shù)字電機(jī)控制（DMC）和其他的內(nèi)嵌式控制的應(yīng)用，此系列產(chǎn)品是基于C2xLP 16位、定點(diǎn)、低功耗的DSP CPU，并集成了一系列片上外圍設(shè)備、片上 ROM、FLASH程序存貯器和片上雙向RAM（DARAM）。也就是把一個(gè)高性能的DSP內(nèi)核和微處理的片內(nèi)外圍設(shè)備集成為一體的芯片，TMS320X240X系列成為傳統(tǒng)的微控制單元（MCUs） 和昂貴多片設(shè)計(jì)的一種廉價(jià)的替代品。每秒3千萬(wàn)條指令的處理速度，使TMS320X240X DSP控制器可以提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器的性能。
TMS320LF2407的指令執(zhí)行速度是30MIPS，幾乎所有的指令都可以在一個(gè)33ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。這使高性能的復(fù)雜控制算法的實(shí)時(shí)執(zhí)行成為可能。具有高速信號(hào)處理和數(shù)字控制功能所必需的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有強(qiáng)大的片內(nèi)I/O端口而且他有為電機(jī)控制應(yīng)用提供單片解決的方案所必需的外圍設(shè)備。這個(gè)應(yīng)用優(yōu)化的外圍設(shè)備單元與高性能的DSP內(nèi)核一起，使在所有類型電機(jī)的高精度、高效、全變速控制使用先進(jìn)的控制技術(shù)成為可能。
以下是TMS320LF2407的性能特點(diǎn)：
·TMS320C2xx核心CPU
□ 32位的中央算術(shù)邏輯單元（CALU）,32位加法器
□ 16位并行乘法器，32位乘積，3個(gè)定標(biāo)移位寄存器
□ 8個(gè)16位輔助寄存器，帶有一個(gè)專用的算術(shù)單元，用來(lái)作數(shù)據(jù)存貯器的間接尋址
·存貯器
□ 544字x16位的雙端數(shù)據(jù)／程序DARAM
□ 2k字x16位的單端口SARAM
□ 片內(nèi)32k x16位的flash程序存貯器
□ 256字x16位片上引導(dǎo)ROM
□ 224k字x16位的最大尋址存貯器空間 (64K字的程序空間, 64K字的數(shù)據(jù)空間, 64K字的I/O空間,32K字的全局空間 )
□ 有軟件等待狀態(tài)發(fā)生器的外部存貯器接口模塊,具有16位地址總線和16位數(shù)據(jù)總線
·事件管理模塊A和B
□ 十六位通用定時(shí)器4個(gè)
□ 比較/脈寬調(diào)制(PWM)通道10/16
□ 捕獲通道/正交編碼器脈沖接口6/4
·電源
□ 靜態(tài) CMOS技術(shù)
□ 供電電壓3.3v
·看門狗定時(shí)器
·CAN接口: 與控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN2.0版兼容,有六個(gè)郵件箱)
·ADC: 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、10位、500ns轉(zhuǎn)換速度、16／8可選通道
·SPI: 外設(shè)串行接口、同步串行端口
·SCI: 串行通信端口、異步串行接口
·速度: 33ns(30MIPS)指令周期，多數(shù)指令為單周期
·外部中斷5個(gè)、數(shù)字I/O管角41個(gè)
3 TMS320LF2407 DSP勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件組成
DSP勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用雙通道結(jié)構(gòu)，由硬件完全相同而又獨(dú)立的兩個(gè)通道組成，每個(gè)通道具有兩種基本運(yùn)行方式: 電壓調(diào)節(jié)AVR(Automatic Voltage Regulator)和電流調(diào)節(jié)方式FCR( Field current Regulator)。AVR方式以發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為調(diào)節(jié)對(duì)象，根據(jù)機(jī)端電壓變化自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，達(dá)到恒定機(jī)端電壓運(yùn)行的目的。FCR方式以發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流為調(diào)節(jié)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)恒勵(lì)磁電流運(yùn)行，適合于在調(diào)試、短路試驗(yàn)和其它機(jī)端電壓測(cè)量信號(hào)時(shí)運(yùn)行。
DSP勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)原理圖（見(jiàn)下圖1）。
圖中，調(diào)節(jié)器的一個(gè)硬件通道包括以下部分: 測(cè)量適配器、有功／無(wú)功變換器、模擬量處理單元、隔離輸入單元、開關(guān)量輸入單元、開關(guān)量輸出單元、主控單元、脈中放大單元、鍵盤和液晶顯示單元等。
測(cè)量適配器單元的主要輸入量是機(jī)端電壓PT信號(hào)、機(jī)端電流CT信號(hào)和勵(lì)磁電流信號(hào); 輸出量是經(jīng)過(guò)處理后的適合于微機(jī)采樣的勵(lì)磁電流信號(hào)以及降壓后的PT信號(hào)和變成電壓信號(hào)CT信號(hào)。
有功／無(wú)功變換器主要用于產(chǎn)生定子電流的有功分量Icos 和無(wú)功分量Isin 。
模擬量輸入單元主要用于機(jī)端電壓的整流與濾波、同步信號(hào)的預(yù)處理、測(cè)頻信號(hào)的產(chǎn)生以及 Icos 和Isin 的適配，其輸出送入主控單元。
隔離輸入單元主要是將機(jī)組開關(guān)狀態(tài)和外部命令通過(guò)光耦合器件隔離變換為24v內(nèi)部信號(hào)。
開關(guān)量輸入單元將隔離輸入單元的24v信號(hào)變換成適合微機(jī)輸入的5v信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)與主控單元的接口。
開關(guān)量輸出單元通過(guò)自身的接口將主控單元的控制命令和狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出的開關(guān)量，經(jīng)光電隔離后輸出。
隔離輸出單元將開關(guān)量輸出單元的信號(hào)進(jìn)行繼電器隔離，操作外部強(qiáng)電回路。
主控單元（CPU）是調(diào)節(jié)器的核心，他完成信號(hào)綜合、給定值產(chǎn)生、PID運(yùn)算、移相觸發(fā)、通道跟蹤、串行通信、限制保護(hù)以及參數(shù)的顯示、修改和存貯等核心工作。
脈沖放大單元將主控單元產(chǎn)生的雙窄觸發(fā)脈沖放大以后，輸出值勵(lì)磁整流柜，觸發(fā)脈沖在整流柜經(jīng)脈沖末級(jí)放大后觸發(fā)整流橋晶閘管。
鍵盤和液晶顯示單元是顯示和修改數(shù)據(jù)的人機(jī)接口。
4 勵(lì)磁裝置的軟件設(shè)計(jì)
軟件的開發(fā)工具采用基于EEP并口的DSP開發(fā)系統(tǒng) TDS-EEP-XDS510,在CC/CCS(code composer studio)集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行。在編程過(guò)程中采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合編程。
勵(lì)磁調(diào)節(jié)器PID控制器的軟件程序流程圖設(shè)置如下：
軟件程序流程圖
在PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)中參數(shù)的選擇是非常重要的，參數(shù)的好環(huán)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。模擬PID調(diào)節(jié)器的整定是按照工藝對(duì)控制性能的要求，決定調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kp、Ki、Kd、、Ti。數(shù)字PID參數(shù)的整定，除了需要確定上述參數(shù)外，還要確定系統(tǒng)的采樣周期T。
采用c 語(yǔ)言編程如下：
#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結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)低端產(chǎn)品設(shè)計(jì)的樣機(jī)容量規(guī)格：
直流輸出容量：400ADC、250VDC
主要功能：
PID自動(dòng)控制(機(jī)端電壓閉環(huán)控制)
軟起勵(lì)、PT斷線監(jiān)視、轉(zhuǎn)子過(guò)流限制
欠勵(lì)限制、無(wú)強(qiáng)勵(lì)判斷、無(wú)強(qiáng)減判斷、V/Hz限制
PI手動(dòng)控制（轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)控制）
恒功率因數(shù)的控制
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