應(yīng)用Cortex-M0設(shè)計(jì)的勵(lì)磁數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)

劉 政，司磊磊，張光建

(重慶理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

當(dāng)前水利發(fā)電的應(yīng)用越來越廣泛，但全國各地的中小型水電站存在設(shè)備陳舊、方式單一等問題，亟需轉(zhuǎn)型。在發(fā)電機(jī)的同步勵(lì)磁觸發(fā)系統(tǒng)中，數(shù)字觸發(fā)模塊主要用來觸發(fā)整流電路中的晶閘管，使控制角α能隨發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的調(diào)整而自主改變，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)勵(lì)磁的效果，因此同步觸發(fā)部分是自動(dòng)勵(lì)磁觸發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)的觸發(fā)系統(tǒng)在芯片選擇和電路設(shè)計(jì)方面均有獨(dú)到之處。從三相全控橋式晶閘管的觸發(fā)原理出發(fā)，有針對性地設(shè)計(jì)了各個(gè)模塊的電路，并進(jìn)行了去噪、抗干擾以及故障糾錯(cuò)等處理。選用的Cortex-M0內(nèi)核處理器為NXP公司的LPC11c14，功能強(qiáng)、內(nèi)存大。本設(shè)計(jì)移植了μCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，將所有采集與控制操作設(shè)計(jì)成優(yōu)先級不同的任務(wù)，使得本控制系統(tǒng)具有良好的用戶界面和可維護(hù)性。

1 三相晶閘管的控制原理及控制脈沖選擇

自動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)的主要功能是保持發(fā)電機(jī)機(jī)端輸出電壓恒定并有效。使用專門的軟件調(diào)差模塊對并行運(yùn)作的發(fā)電機(jī)組間的無功功率進(jìn)行合理分配［1］。

1.1 三項(xiàng)晶閘管控制原理

在三相可控硅全控橋整流電路(圖1)中，一個(gè)周期(360°)被等分為6段，每段的跨度為60°。其中，VT1、VT3、VT5 組成共陰極組，VT4、VT6、VT2組成共陽極組。具體劃分如下:

VT1與VT6被觸發(fā)并導(dǎo)通;VT1與VT2被觸發(fā)并導(dǎo)通;VT3與VT2被觸發(fā)并導(dǎo)通;VT3與VT4被觸發(fā)并導(dǎo)通;VT5與VT4被觸發(fā)并導(dǎo)通;VT5與VT6被觸發(fā)并導(dǎo)通。每個(gè)完整周期結(jié)束后，再次重復(fù)以上步驟［2］。

圖1 三相全控橋

1.2 控制脈沖的選擇

為確保三相可控硅全控橋能形成穩(wěn)定的電流通路，并在電流斷斷續(xù)續(xù)的情況下一直導(dǎo)通，必須同時(shí)對共陰極組和共陽極兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一組晶閘管施加觸發(fā)脈沖［3］。

發(fā)送觸發(fā)脈沖一般有2種方法:

1)寬脈沖觸發(fā)法:使每個(gè)脈沖的寬度大于60°，但必須小于 120°，一般取80°～100°。

2)雙窄脈沖觸發(fā)法:在觸發(fā)某一號晶閘管時(shí)，同時(shí)給前一號晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，使共陰極組和共陽極組的2個(gè)應(yīng)導(dǎo)通的晶閘管上都有觸發(fā)脈沖，相當(dāng)于2個(gè)窄脈沖等效地代替大于60°的寬脈沖。

寬脈沖法要求觸發(fā)電路輸出功率高，因此采用雙窄觸發(fā)脈沖法。雙窄脈沖有兩重意義:一是對兩組中應(yīng)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管同時(shí)施加觸發(fā)脈沖;二是在同一個(gè)360°周期內(nèi)，每一個(gè)晶閘管會被觸發(fā) 2 次，且間隔為1/6 周期(60°)［4］。

2 系統(tǒng)主電路主要模塊的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字勵(lì)磁觸發(fā)系統(tǒng)主要包括以下模塊:電源系統(tǒng)模塊、同步電路及去噪模塊、移相控制模塊以及脈沖分配隔離和放大電路模塊。圖2為該觸發(fā)控制系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)。

圖2 基于Cortex-M0的勵(lì)磁數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)

2.1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高壓大電流可控硅觸發(fā)系統(tǒng)往往采用脈沖變壓器隔離放大觸發(fā)脈沖。由于脈沖變壓器脈寬有限，對于寬脈沖無法隔離，在低壓系統(tǒng)中可以采用DC/DC隔離為觸發(fā)脈沖提供功率源［5］，故采用2 500 V隔離電壓24V/9V的DC/DC，脈沖采用光電隔離放大。電源系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電源系統(tǒng)模塊

2.2 同步電路及去噪

同步的原理是將變壓器原邊輸入的同步電壓經(jīng)過變換，得到一個(gè)同步脈沖信號作為計(jì)算輸出脈沖的基準(zhǔn)。使用比較廣泛的同步觸發(fā)電路一般都需要通過同步變壓器來獲取同步信號。在三相全控橋式整流電路中，采用LPC11c14觸發(fā)的晶閘管，其線電壓的過零點(diǎn)與觸發(fā)脈沖的自然換相點(diǎn)必須保持同步［6］。圖4為設(shè)計(jì)的同步電路。

圖4 同步電路

由于在同一個(gè)同步點(diǎn)會產(chǎn)生很多噪聲，即所謂的毛刺，因此同步點(diǎn)選擇方法是在10 us內(nèi)連續(xù)獲取脈沖，然后取中間時(shí)刻的脈沖作為標(biāo)準(zhǔn)同步點(diǎn)。

若采用傳統(tǒng)同步變壓器，會有很多弱點(diǎn)和不足，主要體現(xiàn)在線路設(shè)計(jì)接法復(fù)雜，非專業(yè)人員難以調(diào)試。本文設(shè)計(jì)并采用3個(gè)如圖4所示的同步電路，每個(gè)分電路單獨(dú)采集一個(gè)相同步信號，通過分步操作可較大限度地減小誤差，更好地提高精度。這3個(gè)相同的電路分別接入LPC11c14的CAP引腳。同步電路主要由兩部分組成:過零檢測器LM211和光耦隔離［7］。具體步驟為:

1)利用具有簡單結(jié)構(gòu)、便于使用的LM211直接從可控硅陽極獲得線電壓然后轉(zhuǎn)換為方波;

2)光耦隔離后形成同步信號提供給觸發(fā)電路。在每個(gè)電源周期的過零點(diǎn)處發(fā)出2個(gè)同步脈沖(如圖4所示)。這樣，在一個(gè)周期內(nèi)會發(fā)出6個(gè)同步脈沖信號，它們在相位上相差60°。

3)同步信號經(jīng)過整形分別送至LPC11c14的3個(gè)輸入端口，它們負(fù)責(zé)采集同步輸入信號與相位信號。利用CAP捕捉同步信號的上升沿，經(jīng)過軟件濾波，消除正弦信號的畸變等，得到真實(shí)過零點(diǎn)作為可控硅的同步信號。同時(shí)檢測各反饋量，計(jì)算反饋值，由控制算法得到控制角，并據(jù)此算出控制量。各步驟的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖5中:①為同步正弦信號;②為整形生成的方波;③為LPC11c14比較輸出口的脈沖波形，輸出脈沖分別向6個(gè)可控硅提供控制脈沖;④、⑤為分配到6個(gè)晶閘管的雙窄脈沖［8］。

圖5 同步移相

圖5 中:1，3，5，4，6，2 分別表示各對應(yīng)晶閘管的主脈沖;1＇，3＇，5＇，4＇，6＇，2＇分別表示其補(bǔ)脈沖。

以定時(shí)器CT32B0為時(shí)基，它是32位定時(shí)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)頻率采用8 MHz，因此同步觸發(fā)脈沖的最大分辨率為0.125 μs。CAP為硬件捕獲，MAT為硬件輸出，以確保同步與脈沖的精確性不會受到軟件運(yùn)行的影響。機(jī)段頻率為50 Hz時(shí)，測頻和脈沖輸出的理論誤差為:0.125 μs/20 ms×100%=0.000 625%。

2.3 移相控制

移相電路是三相全控橋式數(shù)字觸發(fā)電路中的另一個(gè)重要部分。經(jīng)過過零比較器后，同步正弦信號變?yōu)橄辔慌c周期都一致的方波，用ARM定時(shí)器的CAP功能檢測同步方波的上升、下降沿，由此生成的2個(gè)時(shí)刻分別對應(yīng)于同步信號正半周和負(fù)半周的2個(gè)的同步信號［9］。

移相脈沖的形成:被同步信號觸發(fā)之后，由Cortex-M0來進(jìn)行控制角α的計(jì)算、數(shù)字移相以及脈沖的形成與分配;使用LPC11c14的硬件定時(shí)匹配輸出完成精確移相，通過測量前一周波的頻率來實(shí)現(xiàn)頻率的自適應(yīng)，以此達(dá)到與電網(wǎng)的嚴(yán)格同步移相。這種方法充分利用了CPU的時(shí)間，硬件工作量少［10］。

系統(tǒng)使用LPC11c14內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器，CPU主頻48 MHz，定時(shí)器工作頻率為8 MHz。允許滯后時(shí)間最大值為

從機(jī)端接入的220 V交流電壓經(jīng)同步信號電路轉(zhuǎn)換后形成6個(gè)同步脈沖，每個(gè)脈沖在相位上相差60°。LPC11c14接收同步信號并得到α角，然后由控制角α產(chǎn)生脈沖延時(shí)。這樣就可以控制三相全控橋式整流電路的門級，從而實(shí)現(xiàn)對輸出電流大小的控制。

由于定時(shí)器采用了LPC11c14的自動(dòng)計(jì)數(shù)功能，不必采用傳統(tǒng)單片機(jī)需要外接定時(shí)芯片的方法，因此設(shè)計(jì)電路更加簡化。晶振為12 MHz，經(jīng)LPC11c14的PLL倍頻到48 MHz，定時(shí)器選用6分頻，即8 MHz，因此時(shí)鐘周期為

同步信號的時(shí)鐘周期為

即一個(gè)360°時(shí)鐘周期時(shí)長為20 ms。因此，定時(shí)器的滿值為

即定時(shí)計(jì)數(shù)器的最大初值可設(shè)置為160 000，跨度對應(yīng)同步脈沖信號的電角度(360°)［11-12］。

2.4 脈沖分配隔離及放大電路

六路脈沖控制信號在送入晶閘管控制級之前，必須對其進(jìn)行脈沖分配與隔離放大，因?yàn)閺腖PC11c14輸出的脈沖信號首先必須經(jīng)光電耦與外部強(qiáng)電隔離。其次，驅(qū)動(dòng)能力也必須由晶閘管驅(qū)動(dòng)放大，滿足晶閘管所需的觸發(fā)要求。這種方法雖然隔離電壓不高，但是摒棄了體積較大的脈沖變壓器，電路的結(jié)構(gòu)更加簡化。本電路采用高電壓隔離的光電耦合器，隔離電壓為6 kV，將數(shù)字邏輯與高壓可控硅回路隔離開，提高系統(tǒng)的可靠性、安全性。圖6為脈沖的隔離及分配電路，可產(chǎn)生觸發(fā)脈沖串或?qū)捗}沖、雙窄脈沖，適用于各種可控硅的可靠觸發(fā)。

圖6 脈沖隔離及分配電路

3 軟件實(shí)現(xiàn)

本勵(lì)磁觸發(fā)系統(tǒng)選擇目前廣泛應(yīng)用的Real-View MDK的μVision 4作為編譯平臺，使用嵌入式C語言和部分匯編語言編程。主程序包括系統(tǒng)初始化子程序，控制角的輸入及計(jì)算，同步輸入信號的檢測，脈沖信號的輸出，系統(tǒng)啟動(dòng)、復(fù)位或停機(jī)的控制等各模塊。運(yùn)行過程中可靈活選用電位器給定、RS485串口通訊給定、CAN通訊給定、數(shù)字電位器給定等多控制方式，既可以恒定發(fā)電機(jī)電壓，也可以恒定勵(lì)磁電流;控制器可以自成勵(lì)磁控制系統(tǒng)，也可以作為獨(dú)立觸發(fā)器受控于PLC等其他系統(tǒng)，靈活方便且可以主動(dòng)判斷工作模式，提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性。主程序處理流程如圖7所示。

圖7 主程序處理流程

4 實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場結(jié)果

圖8為水電站現(xiàn)場數(shù)字示波器所測波形圖。由圖8可知:發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流、發(fā)電機(jī)輸出電壓平滑、穩(wěn)定。同時(shí)，機(jī)端電壓控制精度高于2‰，能長期可靠運(yùn)行，穩(wěn)定性、可靠性、精度均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。從現(xiàn)場長期運(yùn)行結(jié)果看，該觸發(fā)系統(tǒng)適用面廣，可觸發(fā)各種電流、電壓等級可控硅。同時(shí)，該系統(tǒng)既可單獨(dú)用于勵(lì)磁控制，也可與各種PC、PLC、DSP、MCV協(xié)同工作，共同完成冗余控制和水電站各種控制功能。

圖8 勵(lì)磁電壓輸出波形

5 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)研究及水電站實(shí)地測試表明:本文設(shè)計(jì)的數(shù)字勵(lì)磁觸發(fā)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)巧妙、可靠性高，便于運(yùn)行和維護(hù)，具備較強(qiáng)的抗干擾能力，具有適應(yīng)多種氣候及水文環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)。另外，該數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)基于功能強(qiáng)大的Cortex-M0，運(yùn)算速度快，處理能力高，且電路設(shè)計(jì)具有針對性，具備完善的控制算法與功能模塊程序。經(jīng)過多次測試表明:系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的控制效果。目前該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于重慶匯能達(dá)電子有限公司生產(chǎn)的HNDSPZ1水電站勵(lì)磁設(shè)備，并廣泛投入使用。該系統(tǒng)以其精度高、功能完善、可靠性高、成本低等優(yōu)勢獲得用戶的好評。

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