基于dsPIC的智能功率柜的設(shè)計(jì)

李志軍，李連輝，楊旭東，韓雪晶，王軍偉

（河北工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300130）

1 引言

隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展以及發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增長(zhǎng)，大型同步發(fā)電機(jī)所需的勵(lì)磁功率亦有了明顯上升，因此對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求也越來越高[1]。勵(lì)磁系統(tǒng)故障仍是發(fā)電機(jī)故障停機(jī)和非計(jì)劃停運(yùn)的主要原因。勵(lì)磁系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將影響發(fā)電系統(tǒng)的整體可靠性，可見勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性十分重要。國(guó)內(nèi)目前使用的各類勵(lì)磁調(diào)節(jié)器已經(jīng)非常先進(jìn)，但功率柜的制造水平還不高，這勢(shì)必影響到勵(lì)磁系統(tǒng)整體性能的提高，從而妨礙電力系統(tǒng)整體性能的提升。

目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的勵(lì)磁功率柜普遍存在檢測(cè)功能不全、信息傳送、控制和檢測(cè)技術(shù)落后等問題。

本文介紹的功率柜是基于dsPIC30F6014的智能勵(lì)磁功率柜，它與傳統(tǒng)的功率柜的不同之處在于在其內(nèi)部加入了智能檢測(cè)和控制電路，在減輕了調(diào)節(jié)器工作壓力的同時(shí)又提高了系統(tǒng)工作的可靠性。智能功率柜不但具有完備的檢測(cè)、控制、通信功能而且均流效果理想。

2 dsPIC30F6014的特點(diǎn)

dsPIC30F6014是一款高性能數(shù)字信號(hào)控制器，擁有很高的性價(jià)比。它集成了單片機(jī)的控制功能以及數(shù)字信號(hào)處理器的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力。其具有如下特點(diǎn)：快速、復(fù)雜和靈活的中斷處理，豐富的數(shù)字和模擬外設(shè)，電源管理，可靈活選擇多種時(shí)鐘模式，上電復(fù)位，欠壓保護(hù)，看門狗定時(shí)器，代碼加密，全速實(shí)時(shí)仿真及全速在線調(diào)試解決方案。

dsPIC30F6014采用的是改進(jìn)哈佛（Harvard）總線結(jié)構(gòu)，從而哈佛結(jié)構(gòu)的潛在優(yōu)勢(shì)得到了充分發(fā)揮。其兩級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，可以有效地提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率和數(shù)據(jù)的可靠性。

dsPIC30F6014芯片集成了通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）串行通信模塊和控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network, CAN)模塊。dsPIC30F系列芯片所配置的CAN模塊可用于與其他CAN模塊、外設(shè)或者單片機(jī)之間進(jìn)行通訊。

3 智能勵(lì)磁功率柜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)原理框圖

智能功率柜的系統(tǒng)原理框圖如圖 1所示。勵(lì)磁功率柜的任務(wù)是將三相交流電整流成供發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁的直流電。在功率柜中三相全控橋?yàn)殛P(guān)鍵部件。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器經(jīng) CAN總線將晶閘管導(dǎo)通角度送至智能功率柜的微機(jī)，微機(jī)將經(jīng)檢測(cè)得到的橋臂實(shí)際輸出電流值與調(diào)節(jié)器的設(shè)定電流值進(jìn)行比較，完成相應(yīng)的PI運(yùn)算后對(duì)觸發(fā)角度進(jìn)行微調(diào)，調(diào)整后的觸發(fā)角度經(jīng)輸出比較模塊形成六路觸發(fā)脈沖繼而驅(qū)動(dòng)三相全控橋?qū)ㄕ?，從而?shí)現(xiàn)整流的目標(biāo)。功率柜通過信號(hào)檢測(cè)模塊將柜內(nèi)溫度、風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)、晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)、熔斷器通斷狀態(tài)和橋臂電流值送入微機(jī)，微機(jī)對(duì)各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析并與設(shè)定值比較，實(shí)時(shí)顯示工況并可進(jìn)行報(bào)警。

3.2 智能勵(lì)磁功率柜的硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)中，根據(jù)勵(lì)磁功率柜的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以dsPIC30F6014單片機(jī)為控制核心的外圍硬件電路，包括同步信號(hào)捕捉單元、模擬信號(hào)采集單元、移相觸發(fā)脈沖產(chǎn)生單元和通信單元等[3]。

3.2.1 同步電壓形成電路

晶閘管的導(dǎo)通，除了應(yīng)在其陽極與陰極間加上正向電壓外，還必須同時(shí)在控制極上加上正向觸發(fā)脈沖。對(duì)三相可控整流橋而言，就是要求每次加在晶閘管控制極上的觸發(fā)脈沖，都應(yīng)在該晶閘管承受正向電壓的一定時(shí)刻發(fā)出。當(dāng)整流電壓一定時(shí)，每一相每個(gè)周期送出的第一個(gè)觸發(fā)脈沖，對(duì)應(yīng)于該相陽極電壓的時(shí)刻都應(yīng)相同，即控制角α相同。晶閘管觸發(fā)脈沖與主回路之間的這種相位配合關(guān)系，即稱為同步[4]。

頻率的測(cè)量在勵(lì)磁系統(tǒng)中具有極其重要的地位，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量到系統(tǒng)頻率是實(shí)現(xiàn)跟蹤采樣、脈沖形成的基礎(chǔ)。根據(jù)對(duì)晶閘管進(jìn)行導(dǎo)通控制的要求，晶閘管元件上所加的電壓和控制極上所加的觸發(fā)脈沖電壓在相位上必須配合合理，否則晶閘管將無法正常工作[5]。觸發(fā)角的起始時(shí)刻是保證晶閘管可靠、準(zhǔn)確導(dǎo)通的基礎(chǔ)。本文中，同步信號(hào)通過同步變壓器取自晶閘管的陽極電壓。本文采用電壓比較器LM211來完成此功能。主要電路如圖2所示。

圖2 同步電壓形成電路

同步信號(hào)單元電路的主要部件為高速比較器LM211，通過它可完成同步電壓的過零點(diǎn)檢測(cè)。為了防止同步電壓中夾雜有高頻的干擾信號(hào)，在同步電壓輸入到LM211之前，采用低通濾波電路對(duì)輸入的同步電壓信號(hào)進(jìn)行濾波。另外，為了加強(qiáng)同步信號(hào)單元的抗干擾能力也可以在LM211比較器中加一個(gè)正反饋，組成滯回比較電路。

3.2.2 模擬量信號(hào)處理電路

本電路采樣的模擬量信號(hào)有正負(fù)半橋的電流信號(hào)、勵(lì)磁電壓信號(hào)、功率柜內(nèi)部溫度等信號(hào)。交流電壓、電流信號(hào)分別取自經(jīng)電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）變換后的交流信號(hào)[6]。信號(hào)經(jīng)過處理后送入dsPIC30F6014的A/D轉(zhuǎn)換模塊。這里以晶閘管輸出的電流信號(hào)為例來介紹模擬量的處理電路。信號(hào)處理電路如圖3所示。

圖3 電壓信號(hào)處理電路

先在外部電路中通過電流互感器將晶閘管的輸出電流轉(zhuǎn)換為小電流信號(hào)，再將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后送入集成運(yùn)算放大器組成的電路，最后送入dsPIC30F6014的A/D模塊進(jìn)行處理。

3.2.3 移相觸發(fā)脈沖形成

三相全控整流橋工作時(shí)，晶閘管元件按照一定次序?qū)?，為此必須?duì)晶閘管施加觸發(fā)脈沖，這是由觸發(fā)器單元實(shí)現(xiàn)的。本文采用的是雙窄脈沖觸發(fā)，即在電流換向時(shí)同時(shí)向共陽極和共陰極晶閘管各發(fā)一路脈沖，以防在換向時(shí)因產(chǎn)生負(fù)電壓而使晶閘管發(fā)生截止的現(xiàn)象。

dsPIC30F6014包含輸出比較模塊，最多可同時(shí)產(chǎn)生多達(dá)8路的PWM波形。其中有3個(gè)帶可編程死區(qū)控制的比較單元產(chǎn)生獨(dú)立的3對(duì)(即6個(gè)輸出)。在此設(shè)計(jì)中，采用的是雙比較匹配模式。在比較時(shí)基與OCxR寄存器發(fā)生比較匹配后的下一個(gè)指令周期，OCx引腳驅(qū)動(dòng)為高電平，直到時(shí)基和OCxRS寄存器之間發(fā)生下一次匹配時(shí)，該引腳將驅(qū)動(dòng)為低電平。

觸發(fā)信號(hào)從同步信號(hào)過零點(diǎn)計(jì)時(shí)，調(diào)節(jié)器經(jīng)CAN總線發(fā)送給各功率柜觸發(fā)角的角度值α，同步信號(hào)周期值 Ts，脈沖寬度W。同步信號(hào)過零產(chǎn)生中斷，使單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并根據(jù)α、Ts、W計(jì)算出α的對(duì)應(yīng)值 Tα1～ Tα6和脈沖后沿的對(duì)應(yīng)值 TW1～TW6，并將這些計(jì)算出的數(shù)值寫入單片機(jī)內(nèi)部相關(guān)寄存器中，當(dāng)寄存器中的值與相關(guān)寄存器中的值相等時(shí)，特定的事件就會(huì)在相應(yīng)的引腳上觸發(fā)[7]。下式為TαN和TWN的計(jì)算方法：

N=1，2，3，4，5，6。Tclk為 dsPIC30F6014 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)周期。

3.2.4 CAN總線接口模塊

為了使智能功率柜能夠?qū)⑦\(yùn)行數(shù)據(jù)與其他微機(jī)系統(tǒng)(如勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、主控室監(jiān)控器)進(jìn)行交換，該功率柜微機(jī)必須安裝通訊接口。鑒于目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中常用的通訊方式多為 CAN通訊方式，因此在本系統(tǒng)中采用CAN通訊方式。

CAN總線接口模塊主要包括CAN控制器芯片和接口芯片PC82C250。dsPIC30F6014內(nèi)部集成了CAN控制器，這對(duì)于需要良好抗干擾性的測(cè)控系統(tǒng)有很大好處?？蓪sPIC30F6014構(gòu)成為集通信與控制功能于一體的單片系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。

在連接總線時(shí)要注意總線兩端需接2個(gè)120?的電阻，對(duì)于匹配總線阻抗，起著相當(dāng)重要的作用。

3.3 智能功率柜的軟件設(shè)計(jì)

設(shè)電流輸出量為 y ( t)，輸入量為 e ( t)，比例系數(shù)為Kp，積分時(shí)間常數(shù)為Ti，則比例積分方程為：

對(duì)式(3)離散化后，可得第k次和(k ? 1 )次采樣時(shí)刻dsPIC30F6014的輸出：

式中，Ts為dsPIC30F6014的采樣周期。

采用增量式算法，可得 2個(gè)采樣時(shí)刻間的dsPIC30F6014輸出增量為：

即：

式中：ek為第k次采樣時(shí)給定量與反饋量之間的偏差。

按上式編程即可實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)程序，使勵(lì)磁系統(tǒng)獲得理想的整流效果。

在本勵(lì)磁功率柜的軟件設(shè)計(jì)中，主要的軟件設(shè)計(jì)思想有三個(gè)方面：一是軟件必須滿足實(shí)時(shí)控制的需要；二是軟件要充分發(fā)揮單片機(jī)dsPIC30F6014的指令精簡(jiǎn)高效和硬件功能豐富的特點(diǎn)；三是軟件要有很強(qiáng)的靈活性、通用性、可靠性和移植性[8]。其PI調(diào)節(jié)子程序流程如圖4所示。

圖4 PI調(diào)節(jié)子程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

智能功率柜應(yīng)用于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中?，F(xiàn)將其在一臺(tái)同步三相發(fā)電機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的參數(shù)如下：

發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓Ue=109V，發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流Ie=251A，智能功率柜強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)Mf=1.8，勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電壓U2=203V，勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電流I2=205A，勵(lì)磁變壓器容量S=80kVA。

4.1 空載實(shí)驗(yàn)

逐步減小導(dǎo)通角α，增加勵(lì)磁電流，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

4.2 短路實(shí)驗(yàn)

逐漸增大發(fā)電機(jī)機(jī)端三相端子的短路電流，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表1 空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 短路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.3 帶負(fù)載實(shí)驗(yàn)

額定負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓為 6300V，勵(lì)磁電流251A，勵(lì)磁電壓109V。

圖5為示波器測(cè)得的勵(lì)磁電流的波形圖。該波形圖表明，數(shù)字均流達(dá)到了較高的精度，提高了勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

圖5 三相全控橋整流輸出波形

本實(shí)驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證本文所提出的以dsPIC30F6014數(shù)字信號(hào)控制器為核心的智能勵(lì)磁功率柜在實(shí)際工作時(shí)硬件電路的有效性以及相應(yīng)軟件編程的合理性，效果令人滿意。

5 結(jié)束語

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的研究是一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域。本文采用了當(dāng)前在工業(yè)控制中比較流行的dsPIC作為智能功率柜的控制核心，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電路和軟件部分。實(shí)驗(yàn)表明，該智能功率柜的性能令人滿意。這種基于 dsPIC的勵(lì)磁功率柜為智能勵(lì)磁控制方法提供了一種有效的解決方案。該勵(lì)磁功率柜技術(shù)領(lǐng)先，可靠性高，智能化程度高，具有很好的推廣價(jià)值。

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