一種32位浮點(diǎn)型處理器的勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)

杜志強(qiáng)

(天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津 300350)

一種32位浮點(diǎn)型處理器的勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)

杜志強(qiáng)

(天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津 300350)

針對同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)在控制精度和控制穩(wěn)定性方面存在的不足,通過對國內(nèi)外勵(lì)磁控制系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r的分析,提出了一種基于32位浮點(diǎn)型處理器的數(shù)字式勵(lì)磁控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過將先進(jìn)的交流采樣算法和DSP的優(yōu)異性能相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁控制器的深度數(shù)字化;通過對同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵模擬量的采集與計(jì)算,得出適用于當(dāng)前工況下觸發(fā)脈沖角度α。試驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)能很好地解決發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的穩(wěn)定性問題。

數(shù)字式勵(lì)磁控制器 智能儀表 雙CAN網(wǎng)絡(luò) 智能顯示 交流采樣

0 引言

勵(lì)磁系統(tǒng)作為發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分,一直是控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著單片機(jī)、DSP等微處理器在勵(lì)磁控制裝置核心控制器中的應(yīng)用,數(shù)字式勵(lì)磁控制器逐漸成為發(fā)展趨勢[1]。目前,國內(nèi)市場上推出的控制器一般都以16位/32位單片機(jī)、32位(定點(diǎn)型) DSP處理器為核心,其在數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理的能力上都存在或多或少的缺點(diǎn)和不足。由于處理器本身是定點(diǎn)型處理器,故在實(shí)際運(yùn)算過程中會(huì)增大計(jì)算誤差,進(jìn)而增大系統(tǒng)誤差,這樣會(huì)對整個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制精度與響應(yīng)產(chǎn)生影響。

為了提高勵(lì)磁控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)和運(yùn)行參數(shù)精度,研究一種以新型的32位浮點(diǎn)型DSP芯片為核心的數(shù)字勵(lì)磁控制系統(tǒng)成為同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)展需要[2-3]。

本文提出了一種以新型的32位浮點(diǎn)型DSP芯片為核心的數(shù)字勵(lì)磁控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面可以克服現(xiàn)有的一些技術(shù)缺陷;另一方面系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)使用交流采樣芯片,采用交流采樣算法,并結(jié)合浮點(diǎn)型處理器的優(yōu)越性能,使得勵(lì)磁控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)和運(yùn)行參數(shù)精度都得到了提高[4]。

此外,該勵(lì)磁控制系統(tǒng)選用了性能優(yōu)異的可觸摸平板電腦,通過雙高速CAN網(wǎng)絡(luò)與主控單元連接,構(gòu)成系統(tǒng)的智能顯示模塊。

其一，在中考試題中應(yīng)逐步加入一些有情境的數(shù)學(xué)問題.PISA的每道題目都具有一個(gè)接近實(shí)際的情境，而中考題基本上是單純的數(shù)學(xué)問題，即題目都是封閉在數(shù)學(xué)自身體系內(nèi)部的問題.事實(shí)上，現(xiàn)實(shí)情境的介入考察的就是數(shù)學(xué)抽象能力、數(shù)學(xué)建模能力和數(shù)據(jù)分析能力，這樣的題型是對完全囿于數(shù)學(xué)內(nèi)部題型的一種補(bǔ)充.其二，在中考試題中應(yīng)逐步加入一些開放性問題.或結(jié)論不唯一，或條件不充分，這樣的題目從問題結(jié)論的封閉性走向問題結(jié)論的開放性，從條件完備到條件缺失的情境，能夠考察學(xué)生的數(shù)學(xué)推理能力、幾何直觀能力，還能發(fā)展學(xué)生的批判思維和創(chuàng)新思維.這一點(diǎn)恰好是當(dāng)下我國中考試題缺失的元素.

1 系統(tǒng)原理與組成

本文提出的數(shù)字式勵(lì)磁控制系統(tǒng)選用德州儀器(TI)最新推出的TMS320f28335 32位浮點(diǎn)型DSP芯片作為中央處理器。以該芯片為控制核心的新型勵(lì)磁控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。交流采樣電路以MAXIM公司生產(chǎn)的14位、8通道,同步采樣ADC轉(zhuǎn)換芯片MAX1324為主,通過合理的硬件接口電路設(shè)計(jì),將MAX1324與DSPf28335相連接,構(gòu)成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣模塊。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊硬件電路由外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器組成,外擴(kuò)存儲(chǔ)器選用Ramtron公司生產(chǎn)的FM25L256芯片。DSP通過SPI與外擴(kuò)存儲(chǔ)器連接,可在系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)高速簡捷的通信。系統(tǒng)可隨時(shí)保存工作過程中采集的開關(guān)量信息和時(shí)間標(biāo)簽,完成數(shù)據(jù)的讀、寫工作,且支持掉電保存。

勵(lì)磁控制系統(tǒng)的工作原理如下。

⑧外擴(kuò)存儲(chǔ)器的讀/寫子程序,完成勵(lì)磁系統(tǒng)一些主要固定變量的存儲(chǔ);

因此，本研究的主要目的是利用感官評(píng)價(jià)、色譜骨架成分分析以及GC-Osme等多種風(fēng)味化學(xué)技術(shù)評(píng)價(jià)低度五糧液的風(fēng)味特征并與高度五糧液的風(fēng)格特征進(jìn)行比較，為科學(xué)認(rèn)識(shí)五糧液風(fēng)格特征、詮釋民族優(yōu)秀傳統(tǒng)工藝提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

②通過開關(guān)量輸入、輸出模塊和電平轉(zhuǎn)換模塊,檢測當(dāng)前發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)(停機(jī)狀態(tài)、試驗(yàn)狀態(tài)、空載運(yùn)行狀態(tài)或并網(wǎng)帶載狀態(tài))、運(yùn)行方式(恒壓運(yùn)行、恒流運(yùn)行或其他的工作方式)以及其他開關(guān)量信息。勵(lì)磁控制器可以完成對系統(tǒng)開關(guān)量信號(hào)的采集、輸出。

①交流采樣子程序,完成模擬量的交流采樣;

④DSP處理器單元通過數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將控制角度α發(fā)送給智能功率柜單元,功率單元可根據(jù)控制角度產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,進(jìn)而完成對整流橋中晶閘管的觸發(fā),輸出勵(lì)磁電流[5-6]。同時(shí),通過數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)量發(fā)送給智能顯示單元,完成系統(tǒng)各種變量和圖形的顯示[7]。這樣既可以避免電磁干擾,又可以提高脈沖精度,在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下,提高了勵(lì)磁系統(tǒng)的精度。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊包括數(shù)據(jù)收發(fā)模塊1與數(shù)據(jù)收發(fā)模塊2,其原理如圖2所示。由CAN通信組成的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊電路主要包括光隔離電路、CAN收發(fā)電路以及相關(guān)的適配電路,實(shí)現(xiàn)CAN通信信號(hào)的光隔離、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送工作。CAN收發(fā)器選用德州儀器生產(chǎn)的SN65HVD1050DR(VP1050)芯片。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊1和數(shù)據(jù)收發(fā)模塊2的輸入端分別與DSP處理器模塊的CAN1通信口和CAN2通信口相連接,構(gòu)成雙CAN網(wǎng)冗余網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的輸出端與智能顯示模塊和智能功率柜單元的通信輸入口相連接,構(gòu)成冗余高速雙CAN網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)路的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有網(wǎng)絡(luò)自檢功能,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí),可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)和備用網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)切換,進(jìn)而保證勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定性。

圖2 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊原理圖Fig.2 Schematic diagram of data transceiver module

2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)過程中,充分考慮軟件程序與系統(tǒng)硬件資源相結(jié)合,采用模塊化編程思想。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)調(diào)試時(shí),可分階段逐步完成各模塊的調(diào)試,使程序各部分的功能更加清晰;而且在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),更容易判斷故障的成因,進(jìn)而快速準(zhǔn)確地找出故障點(diǎn)的位置,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全可靠性。軟件系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以確保程序的可移植性,提升了程序的使用價(jià)值[8]。系統(tǒng)軟件總體流程如圖3所示。

我又想到了林老板。我現(xiàn)在在他的碗里刨食，奪他的口糧，他知道了怎能饒過我？阿花說你都離職了，還怕那個(gè)王八蛋？我說你好像挺恨他？阿花說，我恨不得扒了他的皮繃鼓。我說至于嘛，有殺父之仇，還是失身之恨哪？阿花說，有仇也有恨，你的前任，就是被他挖走的。我說生意場上競爭是難免的，別總記在心里。阿花雙手搭在方向盤上，一聲不吭。

圖3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的軟件流程Fig.3 Software flowchart of the excitation control system

系統(tǒng)軟件所包含的軟件子程序如下。

③中央數(shù)據(jù)處理模塊對采集到的開關(guān)量信號(hào)和計(jì)算得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、判斷和處理,并根據(jù)當(dāng)前發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),經(jīng)由PID計(jì)算和各種保護(hù)限制程序檢驗(yàn)校正后,得出智能功率回路所需的移相脈沖的控制角度α(α范圍為15°～150°)。

⑦數(shù)據(jù)發(fā)送/接收子程序,完成與其他智能模塊之間的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收任務(wù);

多元化考核方案打破了單一的筆答考核的限制，更能反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)情況[4]。使學(xué)生能夠根據(jù)崗位的要求掌握必須的技能和適應(yīng)本崗位的綜合能力。企業(yè)考核重視過程評(píng)價(jià)，重點(diǎn)考核實(shí)踐操作技能和服務(wù)意識(shí)和服務(wù)水平，學(xué)生實(shí)踐過程中平時(shí)的出勤、技能操作的熟練程度、解決問題的態(tài)度，吃苦耐勞品質(zhì)等都納入了考核的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

④軟件鎖相環(huán)子程序,確保每個(gè)采樣周期的信號(hào)都在同一個(gè)周期內(nèi),保證發(fā)電機(jī)組定子電壓、定子電流等關(guān)鍵參量的正確采集;

③開關(guān)量輸出子程序,完成對系統(tǒng)開關(guān)量的輸出控制;

⑤模擬量計(jì)算子程序,計(jì)算出發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、定子電流、有功/無功、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓;

以上基于混凝土的新型材料都是現(xiàn)在生態(tài)型材料，用途廣泛，特別是在河道治理上很適用，其中魚巢式、卵石式、植草式可以搭配使用，魚巢式放在水面以下，卵石式、植草式放在水面以上形成不一樣的景觀。

⑥PID計(jì)算子程序,通過計(jì)算得出當(dāng)前的整流橋觸發(fā)角度α及系統(tǒng)各種狀態(tài)量;

②開關(guān)量輸入子程序,完成對系統(tǒng)的狀態(tài)信號(hào)采集和開關(guān)量的輸入控制;

張明耀等[9]通過在接枝聚合過程中調(diào)節(jié)TDDM(硫醇)加入量，控制接枝SAN形態(tài)和分子量，研究發(fā)現(xiàn)：不加TDDM時(shí)橡膠內(nèi)接枝數(shù)量多，橡膠模量增加，產(chǎn)品沖擊性能變差；加入TDDM后內(nèi)接枝減少，同時(shí)接枝SAN分子量也減少，提高了ABS樹脂的沖擊強(qiáng)度，并提高產(chǎn)品的流動(dòng)性能。

①通過模擬量適配模塊、交流采樣模塊和頻率測量模塊完成對發(fā)電機(jī)定子電壓、電流以及發(fā)電機(jī)出口頻率的采樣。勵(lì)磁電流適配模塊可完成對系統(tǒng)勵(lì)磁電流的采樣,所有采樣信號(hào)進(jìn)入DSP處理器單元后,經(jīng)過軟件計(jì)算可得到發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率及當(dāng)前的勵(lì)磁系統(tǒng)功率回路的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

測評(píng)反饋：學(xué)生完成老師要求的隨堂測驗(yàn)并及時(shí)提交后，利用云端的大數(shù)據(jù)分析功能，得到實(shí)時(shí)反饋和數(shù)據(jù)分析。教師根據(jù)測評(píng)反饋結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，找出學(xué)生知識(shí)薄弱點(diǎn)和欠缺點(diǎn)，重點(diǎn)進(jìn)行問題辨析和補(bǔ)充講解，通過多樣化的互動(dòng)交流解決學(xué)生遇到的問題。[3]

⑨標(biāo)幺子程序,完成各項(xiàng)數(shù)據(jù)的標(biāo)幺計(jì)算;

⑩勵(lì)磁系統(tǒng)主要邏輯及各種保護(hù)功能子程序,完成對勵(lì)磁系統(tǒng)的邏輯判斷及各種保護(hù)和限制功能[9]。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在勵(lì)磁控制器的軟硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試完成后,實(shí)現(xiàn)樣機(jī)生產(chǎn);在完成基礎(chǔ)模塊功能的調(diào)試后,通過整機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與分析,對勵(lì)磁控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行檢測。結(jié)果表明,控制器能很好地解決傳統(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)所存在的計(jì)算精度差、穩(wěn)定性不好的問題。

現(xiàn)以如下同步發(fā)電機(jī)為例,通過對其空載建壓波形的記錄和數(shù)據(jù)分析,對本設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。錄波使用的是本設(shè)計(jì)所提到的智能顯示單元(錄波模塊用LabVIEW編制)[10]。

發(fā)電機(jī)組的參數(shù)如下:視在功率4 000 kW;功率因數(shù)0.8;額定電壓6 300 V;額定勵(lì)磁電流447 A。

用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)同步發(fā)電機(jī)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速,發(fā)電機(jī)組在空載下投入勵(lì)磁控制系統(tǒng)。設(shè)定發(fā)電機(jī)的起勵(lì)(發(fā)電機(jī)建壓)復(fù)位值為額定機(jī)端電壓的80%,得到發(fā)電機(jī)的空載建壓波形如圖4所示。圖4中:Ug為發(fā)電機(jī)端電壓;If為勵(lì)磁電流;α為勵(lì)磁控制系統(tǒng)輸出的觸發(fā)角[11]。

根據(jù)國標(biāo)對發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性的相關(guān)要求,當(dāng)同步發(fā)電機(jī)空載建壓時(shí),端電壓超調(diào)量不得超過額定值的15%,電壓振蕩次數(shù)不超過3次,調(diào)節(jié)時(shí)間不超過10 s。

由圖4可見,該勵(lì)磁系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)零起升壓,峰值時(shí)間3.5 s,調(diào)節(jié)時(shí)間5 s,峰值電壓5 730 V,超調(diào)量為8.1%,振蕩周期為1次,均滿足或優(yōu)于國標(biāo)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證說明勵(lì)磁控制系統(tǒng)能很好地對發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制,根據(jù)當(dāng)前工況,輸出合適的α角給智能功率柜單元,完成整流橋控制脈沖的觸發(fā)。通過控制勵(lì)磁電流,實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)組的無功功率控制,提高了機(jī)組的運(yùn)行特性[12]。

首先，教師“支架”促進(jìn)教師的課堂組織，在課堂進(jìn)行過程中不斷促進(jìn)學(xué)習(xí)者參與課堂。研究者發(fā)現(xiàn)教師“支架”能幫助學(xué)習(xí)者積極參與課堂互動(dòng)的意義協(xié)商（梁國杰2011），也能調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)者情緒從而幫助他們擺脫焦慮和體驗(yàn)成功(楊翠蓉、韋洪濤2015)。

圖4 發(fā)電機(jī)空載建壓時(shí)機(jī)波形對照圖Fig.4 Contrast of the waveforms when generator builds pressure with no load

4 結(jié)束語

以DSPf28335為控制核心的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器,充分利用了浮點(diǎn)型DSPf28335芯片自身的優(yōu)良性能,并且選用性能優(yōu)異的可觸摸平板電腦,通過雙高速CAN網(wǎng)絡(luò)與主控單元連接構(gòu)成智能顯示系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了交流采樣、頻率測量、PID調(diào)節(jié)計(jì)算和可控硅觸發(fā)角α的正確輸出。智能功率柜通過CAN總線接收到觸發(fā)角后,自身形成觸發(fā)脈沖,觸發(fā)整流組件,產(chǎn)生勵(lì)磁電流。勵(lì)磁控制器通過控制勵(lì)磁電流,進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)的無功功率,從而實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)控制。實(shí)際應(yīng)用表明,該勵(lì)磁控制器主要性能優(yōu)于國標(biāo)的要求,能在當(dāng)前工況下能輸出適合的觸發(fā)角α,增強(qiáng)了發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,進(jìn)而為發(fā)電機(jī)的可靠運(yùn)行提供了保障。

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Design of the Excitation Controller Based on 32-bit Floating Point Processor

Aiming at the shortcomings of control accuracy and control stability in excitation control system of the synchronous power generator, through analyzing the developing situations of the excitation systems abroad and at home,the digital excitation control system based on 32-bit floating point processor is proposed.In this system,the advanced AC sampling algorithm is combined with the superiority of DSP,for implementing the deep digitization of the excitation controller.Through collecting and calculating the critical analog quantities,the triggering pulse angle α that suitable for current operation condition is obtained.The test result verifies the feasibility of the design for solving the stability issue of generator excitation control system.

Digital excitation controller Smart instrument Dual CAN network Smart display AC sampling

TP23

A

修改稿收到日期:2014-02-21。

作者杜志強(qiáng)(1978-),男,2012年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)技術(shù)經(jīng)濟(jì)及管理專業(yè),獲碩士學(xué)位,講師;主要從事電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)、風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)教學(xué)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究等方面的工作。