無刷同步發(fā)電機數(shù)字勵磁控制技術的軟件實現(xiàn)

魏建明，魏建勛（.河南農業(yè)職業(yè)學院，鄭州45450；.湘電集團有限公司，湘潭 40）

?

無刷同步發(fā)電機數(shù)字勵磁控制技術的軟件實現(xiàn)

魏建明1，魏建勛2
（1.河南農業(yè)職業(yè)學院，鄭州451450；2.湘電集團有限公司，湘潭 411101）

摘要：數(shù)字勵磁控制技術以其高靈活性的特點在同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。本文以數(shù)字勵磁控制器為基礎，研究一種無刷同步發(fā)電機的數(shù)字勵磁控制技術，詳細介紹了數(shù)字勵磁控制的軟件實現(xiàn)，包括主程序、A/D轉換、信號濾波、控制調節(jié)、系統(tǒng)保護等程序的實現(xiàn)過程，同時增加了軟件的可靠性設計部分。將軟件燒寫至數(shù)字勵磁控制器中進行了模擬實驗，實驗結果表明軟件設計的正確性和有效性。

關鍵詞：數(shù)字勵磁A/D轉換信號濾波控制調節(jié)可靠性設計模擬實驗

魏建勛（1977-），男，高工。研究方向：電氣控制。

0　引言

勵磁控制器是同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的一個重要組成部分［1-4］，根據(jù)發(fā)電機端的采樣反饋信號，勵磁調節(jié)器產生相應的控制指令調節(jié)勵磁電源的輸出，為發(fā)電機的轉子提供所需的勵磁電流；勵磁系統(tǒng)中的自動勵磁調節(jié)器對提高電力系統(tǒng)并聯(lián)機組的穩(wěn)定性具有相當大的作用［5］，如圖1所示。數(shù)字勵磁控制技術以其高靈活性、高可靠性以及系統(tǒng)簡潔性獲得了廣泛的應用。

本文研究一種數(shù)字勵磁控制技術，該數(shù)字勵磁控制技術是以DSP28335為控制軟件核心，通過相關的外圍電路和軟件編程，產生不同占空比的驅動信號，來調節(jié)勵磁電源的輸出，從而改變勵磁電流輸出大小，最終實現(xiàn)調節(jié)發(fā)電機輸出電壓的目的。

圖1　自動勵磁調節(jié)器組成框圖

1　數(shù)字勵磁控制器的硬件組成

根據(jù)圖1所示的組成框圖，本文研究的一種數(shù)字勵磁控制器結構框圖如圖2所示。發(fā)電機輸出電壓和電流經(jīng)過采樣電路和A/D轉換之后進入DSP28335進行軟件處理，產生斬波電路需要的PWM控制信號，通過控制斬波電路的輸出來調節(jié)勵磁繞組的電流大小，從而調節(jié)發(fā)電機的輸出電壓。配備該數(shù)字勵磁控制器的發(fā)電機的主要性能取決于數(shù)字勵磁控制器的軟件性能。因此本文主要分析研究該數(shù)字勵磁控制器的軟件實現(xiàn)。

圖2　數(shù)字勵磁控制器的硬件組成框圖

2　控制器的軟件實現(xiàn)

本系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)處理軟件采用TMS320F28335，在勵磁控制器的系統(tǒng)軟件設計中，采用程序模塊化的思想，將整個系統(tǒng)軟件劃分為主程序和多個中斷子程序。系統(tǒng)主程序包括系統(tǒng)所有狀態(tài)的初始化、I/O口存儲區(qū)的初始化、定時器和系統(tǒng)中斷的初始化、系統(tǒng)顯示狀態(tài)部分，循環(huán)等待子程序等等。其流程圖如圖3所示。

圖3　主程序流程框圖

為了保證系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運行，提高系統(tǒng)的可靠性，在程序中，加入了看門狗中斷和假中斷子程序。

2.1主程序

在TMS320F28335芯片上電運行后，需首先對芯片進行初始化，其程序初始化過程主要包括以下幾個方面：

1）TMS320F28335芯片片內外設時鐘和系統(tǒng)時鐘的初始化；

2）通用I/O的初始化；

3）中斷向量表的初始化；

4）DSP存儲空間的初始化；

5）PID控制參數(shù)和電壓基準值的設定；

6）運行和故障指示燈的初始化。

7）事件管理模塊內的捕捉單元、通用定時器和中斷程序的設定；

8）程序指示燈和開中斷的顯示程序。

2.2中斷程序

根據(jù)圖2所示的硬件組成框圖，可知本勵磁控制器中的中斷服務子程序主要包括定時器周期中斷、信號捕捉中斷、高優(yōu)先級模式的外部引腳中斷等。

定時器T2周期中斷子程序的流程框圖如圖4所示。其子程序中包含了開關控制部分、A/D轉換啟動部分、A/D轉換完成部分、電壓計算部分、PID調節(jié)控制部分、電壓調節(jié)及保護部分等。

2.2.1A/D轉換程序

系統(tǒng)中的A/D轉換通過外部的A/D轉換芯片AD7862-10來實現(xiàn)。由于沒有采用芯片內部的A/D轉換模塊，故只能通過產生定時器T2 的周期中斷信號來使能系統(tǒng)中的A/D轉換電路功能。當定時器T2的周期中斷信號有效時，DSP芯片的GPIO56端口產生一個下降沿，觸發(fā)AD7862轉換啟動其A、B兩組通道的數(shù)據(jù)轉換。然后通過芯片的GPIO55端口輸出電平來控制AD7862轉換芯片的通道選擇信號A0，從而可以選擇相應的轉換通道來進行A/D轉換。

通過片選信號/CS的狀態(tài)，DSP讀取來自AD7862的轉換數(shù)據(jù)結果。當/CS信號有效（即/CS為低電平）時，DSP對AD7862進行數(shù)據(jù)讀取操作，在/CS信號有效的情況下，DSP根據(jù)/RD引腳的脈沖信號依次訪問AD7862的數(shù)據(jù)轉換結果。

AD7862引腳BUSY的輸出信號給DSP，作為DSP的中斷信號。當/CONVST信號有效（即/CONVST為低電平）時，BUSY輸出信號變?yōu)楦唠娖讲⒈３譃楦唠娖綘顟B(tài)。當A/D轉換結束，BUSY輸出信號才會變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，因此DSP通過檢測BUSY引腳信號的電平狀態(tài)來判斷AD轉換是否結束。若轉換結束，則將轉換結果存入相應的數(shù)據(jù)存儲器寄存器中；若轉換未結束，則繼續(xù)等待轉換結果。

圖4　定時器T2周期中斷程序流程框圖

2.2.2控制調節(jié)模塊

目前DSP數(shù)字勵磁調節(jié)控制器大都采用常規(guī)的PID控制調節(jié)方式，電壓計算包括采樣電壓反饋量處理、調差計算與處理和PID控制參數(shù)的計算三部分。DSP數(shù)字勵磁調節(jié)控制器從AD7862的采樣通道中取出最新的12位數(shù)字量轉換結果進行計算，所計算出的電壓值作為勵磁調節(jié)控制的反饋值。其PID控制原理框圖如圖5所示。

圖5　DSP數(shù)字勵磁調節(jié)控制器的PID控制原理框圖

2.2.3開關控制模塊

本系統(tǒng)將啟停按鈕連接到DSP芯片的GPIO24、GPIO25、GPIO26、GPIO27腳，通過配置I/O口復用控制寄存器以及數(shù)據(jù)和方向控制寄存器將其端口配置為普通I/O口，程序中當定時器T2周期中斷有效時，則讀一次對應按鈕端口的狀態(tài)，若為低電平，則表示開關閉合，反之則開關斷開。定時器T2的周期中斷時間為0.2 ms，完全滿足系統(tǒng)中開關控制實時性的要求。

當系統(tǒng)檢測到有開關閉合信號時，會同時檢測是否有系統(tǒng)保護信號，若沒有則不進行任何操作；反之，系統(tǒng)將按照不同類型的保護信號進行相應的保護操作。當系統(tǒng)檢測到有開關斷開信號時，則會根據(jù)程序中所設置的邏輯順序，依次對系統(tǒng)中的所有故障和保護信號進行清除，同時停止輸出PWM脈沖，從而切斷勵磁系統(tǒng)的勵磁電流，達到系統(tǒng)保護的目的。

2.2.4過、欠壓保護模塊

勵磁調節(jié)控制器時刻檢測發(fā)電機端口輸出電壓，當發(fā)電機端口電壓大于額定電壓的1.2倍且持續(xù)時間超過限定值時，勵磁調節(jié)控制器強行關斷勵磁并進行滅磁，實現(xiàn)系統(tǒng)過壓保護，防止發(fā)電機端口輸出電壓過高而損壞電機絕緣。

當發(fā)電機端口電壓小于額定電壓的0.8倍且持續(xù)時間超過限定值時，進行與過壓操作一樣的處理，防止系統(tǒng)外部設備欠壓條件下運行，實現(xiàn)系統(tǒng)欠壓保護。

2.3軟件可靠性設計

2.3.1看門狗設計

系統(tǒng)程序軟件在運行過程中，可能會因為某種外界干擾而引起程序的不正常運行，因此程序必須設置有能夠自動恢復正常運行的功能。利用DSP芯片TMS320F28335內部的“看門狗”定時器電路可使系統(tǒng)從故障中自動恢復過來。其具體的工作過程及原理如下：當看門狗電路計數(shù)器滿且溢出時，將產生系統(tǒng)復位信號；程序中設置的計數(shù)器根據(jù)看門狗電路計數(shù)器的預置數(shù)值對看門狗電路計數(shù)器進行“喂狗” 操作，看門狗寄存器在其被正確“喂狗”時清除看門狗計數(shù)器的值，在系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤或無“喂狗”操作時進行系統(tǒng)復位操作；在看門狗電路計數(shù)器的有效計數(shù)范圍之內，按照程序所設計的正確邏輯規(guī)則依次對看門狗電路寄存器WDKEY寫入正確的指令和數(shù)據(jù)，并WDCNTR進行清除操作，從而完成一次完整的“喂狗”操作流程。違反程序設計的邏輯規(guī)則向WDKEY寫數(shù)時，將使系統(tǒng)產生復位信號。

2.3.2空中斷

DSP處理過程中的中斷類型有很多，在某種特殊情況下若處理器產生無效的中斷，則必須使運行程序退出中斷運行，從而不會影響到程序的正常運行。

3　實驗結果分析

將研究的軟件實現(xiàn)技術代碼燒寫至數(shù)字勵磁控制器中，進行開環(huán)和閉環(huán)的模擬實驗。

3.1開環(huán)實驗

在不使發(fā)電機電壓和電流反饋的情況下，利用軟件內部設定不同的基準，使之產生相對應的占空比，得到相應的勵磁電壓大小，以驗證該數(shù)字勵磁控制器的開環(huán)性能試驗，即等效為實際發(fā)電機的他勵實驗。實驗時，采用15V的直流電源作為斬波電路的直流輸入電源，設定基準電壓使DSP輸出PWM波形的占空比為60%。

DSP輸出PWM波形占空比為60%時的實驗波形如圖6所示，圖中通道1為勵磁電壓波形，通道2為斬波電路的PWM驅動波形。

根據(jù)斬波電路的基本原理，在PWM占空比為30%時，其電路的輸出電壓應為15V×60%=9V通過（圖7）波形放大圖可以看出，勵磁電壓實際大小為9.28V，由于斬波電路輸出存在的濾波電容，因此實際測量值會比理論計算值偏大。

圖6　60%占空比輸出波形、驅動波形圖

圖7　60%占空比輸出波形、驅動波形圖（放大）

3.2閉環(huán)實驗

本實驗在開環(huán)實驗基礎上增加反饋信號，將勵磁電壓和勵磁電流進行采樣作為勵磁控制器的反饋信號（勵磁電壓和勵磁電流與發(fā)電機輸出電壓和電流存在著一定的比例關系，因此可以用這兩個信號進行采樣來模擬實際發(fā)電機的閉環(huán)試驗），按照勵磁電壓輸出為10V的基準設置內部的基準電壓值，通過反饋值與基準電壓的比較，保證勵磁輸出電壓穩(wěn)定在10V左右。

其閉環(huán)試驗波形如圖8和圖9所示。圖中通道1為勵磁電壓波形，通道2為斬入波電路的PWM驅動波形。從圖中可以看出，勵磁輸出電壓為10.6V，表明了該軟件功能的正確性。

圖8　閉環(huán)調節(jié)輸出波形、驅動波形圖

圖9　閉環(huán)調節(jié)輸出波形、驅動波形圖（放大）

4　結束語

本文重點對一種無刷同步發(fā)電機數(shù)字勵磁控制技術中的軟件實現(xiàn)進行了詳細的分析，并根據(jù)系統(tǒng)勵磁控制的原理，對主程序以及所有中斷子程序的實現(xiàn)及注意事項進行了介紹，將該軟件設計代碼燒寫到數(shù)字勵磁控制器中進行了驗證實驗，實驗結果表明了軟件設計的正確性和有效性。

參考文獻：

［1］廖勇，楊順昌.交流勵磁發(fā)電機勵磁控制［J］.中國電機工程學報，1998，18（2）：87-90.

［2］韓英鐸，謝小榮，崔文進.同步發(fā)電機勵磁控制研究的現(xiàn)狀與走向［J］.清華大學學報，2011，41（4）：142-146.

［3］張珺.發(fā)電機勵磁調節(jié)器的動態(tài)試驗研究［J］.機械與自動化，2013，（4）：79-82.

［4］董鋒斌，皇金鋒.同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的建模與控制［J］.電力電子技術，2008，42（11）：32-62.

［5］周臘吾，黃守道.一種同發(fā)電機無刷勵磁系統(tǒng)的設計［J］.防爆電機，2011，1（3）：9-11.

The Software Realization of Digital Excitation Control Technology in Brushless Synchronous Generator

Wei jian ming1，Wei jian xun2
（1.Henan Vocational College of Agriculture Zhengzhou 451450，China；2.Xiangtan Electric Group Co.Ltd，Xiangtan 411101，China）

Abstract:Digital excitation control technology is widely used because of its high flexibility.Based on the digital excitation controller，a digital excitation control technology of the brushless synchronous generator is studied，and the software realization of the digital excitation control is introduced in detail.The realization procedure consists of the main programme，A/D（analog-to-digital）conversion，signal filtering，control and adjustment，system protection，and the reliability design of the software is added.The software is downloaded to the digital excitation controller and the model experiment is carried out.The experimental results indicate that the software design is correct and effective.

Keywords:digital excitation； A/D（analog-to-digital）conversion； signal filtering； control and adjustment；reliability design； model experiment

中圖分類號：TM771

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）06-0036-04

收稿日期：2016-03-10

作者簡介：魏建明（1980-），男，講師。研究方向：計算機軟件開發(fā)；