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1、湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文新一代模擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與軟件設(shè)計(jì) 姓名:楚文斌申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專(zhuān)業(yè):電氣工程指導(dǎo)教師:劉覺(jué)民20090420新一代模擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與軟件設(shè)計(jì)摘 要電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬是進(jìn)行電力系統(tǒng)新技術(shù)的研究以及電力行業(yè)技術(shù)培訓(xùn)等 方面不可缺少的試驗(yàn)工具。同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁裝置是電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的主要 設(shè)備之一,與其他電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬設(shè)備共同完成電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真。隨著發(fā) 電機(jī)單機(jī)容量和電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大,對(duì)勵(lì)磁模擬的快速性、可靠性、魯棒性等 方面提出了越來(lái)越高的要求。為了能更加準(zhǔn)確地模擬各種勵(lì)磁工況,本文設(shè)計(jì)了 采用高速數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812作為控制核的微機(jī)模
2、擬勵(lì)磁裝置,以實(shí) 現(xiàn)電力系統(tǒng)勵(lì)磁動(dòng)態(tài)模擬全數(shù)字化控制,能模擬他勵(lì)、自勵(lì)、勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁等多種 勵(lì)磁方式,抗干擾能力強(qiáng),實(shí)時(shí)性強(qiáng),具有良好的人機(jī)互交界面。本文首先介紹了模擬勵(lì)磁系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外的研究與發(fā)展現(xiàn)狀,并詳細(xì)說(shuō)明了微機(jī) 控制新一代模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的相關(guān)工作原理。介紹了模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁功率單 元、負(fù)阻器的硬件結(jié)構(gòu)和作用。模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是整個(gè)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的控制核心, 對(duì)其硬件的設(shè)計(jì)作了詳細(xì)說(shuō)明。在基于模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和控制芯片TMS320F2812硬件功能的基礎(chǔ)上,介紹了模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器數(shù)據(jù)采樣與處理、控制調(diào)節(jié)、移相脈 沖觸發(fā)、液晶顯示以及保護(hù)等模塊的程序設(shè)計(jì)思想。采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言進(jìn)行 軟件編寫(xiě),給出
3、了模擬勵(lì)磁系統(tǒng)主程序和各個(gè)模塊程序的設(shè)計(jì)流程圖。在實(shí)驗(yàn)結(jié) 果中,建立了模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型,并在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下進(jìn) 行了仿真實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在理論上的可行性。在CCS3.1環(huán)境下 進(jìn)行了軟件的編譯和調(diào)試,對(duì)調(diào)試中所用的方法以及常見(jiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析,對(duì) 基于DSP技術(shù)的模擬勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)以及制定了軟件設(shè)計(jì)方案,為最終 實(shí)現(xiàn)數(shù)字式模擬勵(lì)磁系統(tǒng)奠定了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:模擬勵(lì)磁系統(tǒng);DSP;勵(lì)磁調(diào)節(jié)器;程序設(shè)計(jì)lIAbstractThe dvnamic simulation of power systemis indispens2Lble test tool
4、 ot carrylng on the research of the new technology in power systemand technical training of power industry.The simulation excitation deVice of synchronous generator lsone ot tne capital equipment ofdyn弧ic simulation of power system, which completes tne dvnamic emulation of the power system with othe
5、r dynamicsimulation apparatus together.With the enlargement of the generator capacity and scale of electnc gnd day by dayHave putfo刑ard hi曲er andhi曲er requirement of promptness,dependablllty and robustness in excitation system etc,In order t0imitate Various excItatlon operating modes more accurately
6、,This paperhas designedthe simulation excltatlon device controlledby high speed digital signal processorTMS320F2812In ordero realize the total digital controlling dynamic simulationof the excitatlon ln power svstem can imitate many kinds of excitationmodels such as separately exclted, self.-excited.
7、 exciter excitation etc, have strong ability0f anti-interterence and real.time character,have the good manmachine interactiVeinterfaceAt丘rst,mis paper has introduced currentsituation of the deVelopment ot the domestic and international researCh of the simulation excitation system'and nas explain
8、ed the computer contr01led releVant principleof the new generatlon slmulatlon the excitation system in detail. The simulationexcitation adjuster ls the key controlling unit of the wholesimulation excitation system.Introduces the way ot data s鋤ple and its pfocessing module,contr011ing and adjustment
9、module,moVed phase and touching module,LCD display and protectionand modules program deslgn basedon hardware of the simulation and excitation adjuster andTMS320F2812sconfiguration dennitely,supply themain progr鋤and each modules now chaIrtU se C language and assemble language to design the program.Fo
10、undedthe slmulatlon excitation adiuster,s math model and simulatedit in the MATLAB/SIMULINK environment,the result of the simulation validates the feasibilityof the simulatlon excitation system in theory.Debug the programin the CCS 3l enVironmentHaVe summarized the questions and experience met in th
11、e courseof proj ect implementatlon, made the plan of the software design and carriedit on the hardware deslgn tor thesimulation excitation system based on DSP technology, theoretical foundation for realizing the excitation system of diIIIhave established the gitalsimulation 6nally.新一代模擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與軟件
12、設(shè)計(jì)Key Words:Excitation system simulation; Digital signal processor; Excitation adjuster;Program design湖南大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所 取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外,本論文不包含任 何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢 獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的 法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名:琵姐lj71J 日期:朋7年歹月J日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了
13、解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意 學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文 被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編 入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯 編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、保密口,在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)。2、不保密口。(請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“"作者簽名:導(dǎo)師簽名: 琵支娥坼認(rèn) , 。 , 多衫 朔, 咐叮 77加,1期期碩十學(xué)位論文第l章緒 論電力系統(tǒng)不斷的發(fā)展,相應(yīng)在理論上和實(shí)踐上出現(xiàn)了許多以待解決的問(wèn)題, 各種新型的理論需要加以驗(yàn)證,各種新技術(shù)和新設(shè)備需要進(jìn)行試驗(yàn)等等。而由于 電
14、力系統(tǒng)對(duì)其運(yùn)行的安全性和可靠性有很高的要求,因此在實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)常常受到很多限制,不可能進(jìn)行充分廣泛的實(shí)驗(yàn),有些實(shí)驗(yàn)甚至是不可能在實(shí) 際系統(tǒng)中進(jìn)行。電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬是解決這一問(wèn)題的重要方法之一,因此利用在 實(shí)驗(yàn)室的電力系統(tǒng)模擬設(shè)備再現(xiàn)各種現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況,從而來(lái)研究電力系統(tǒng)以及其 各種規(guī)律是十分必須的。也是對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)、和運(yùn)行的一個(gè)重 要有力的實(shí)驗(yàn)工具【11。電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的內(nèi)容很多,勵(lì)磁系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分,對(duì)電 力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定有著非常重要的作用,也是我們研究現(xiàn)代電力系統(tǒng)運(yùn)行及其過(guò) 渡過(guò)程時(shí)所必須研究的,所以對(duì)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的模擬是其非常重要的一個(gè) 環(huán)節(jié)。
15、所以開(kāi)發(fā)出高性能的模擬勵(lì)磁裝置,對(duì)研究電力系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律以及開(kāi)發(fā) 電力系統(tǒng)新技術(shù)新設(shè)備具有極其重要的意義。1.1國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀在電力系統(tǒng)中需要模擬的內(nèi)容包括1】【2】:(1同步發(fā)電機(jī)的模擬。為了模擬原型系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程,除了對(duì)發(fā)電機(jī)本身進(jìn) 行模擬外,還必須對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)、原動(dòng)機(jī)與調(diào)速器進(jìn)行模擬;(2變壓器的模擬;(3輸電線路的模擬;(4負(fù)荷的模擬;(5系統(tǒng)中其他元件的模擬(斷路器、調(diào)壓設(shè)備、繼電保護(hù)裝置等;(6其中模擬原動(dòng)系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)是電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室主要模擬的內(nèi) 容。在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型上進(jìn)行電力系統(tǒng)模擬試驗(yàn)研究,是一項(xiàng)復(fù)雜而細(xì)致的工 作,其中最重要的是根據(jù)相似條件,建立與原型系統(tǒng)相似的模
16、型電力系統(tǒng)。電力 系統(tǒng)模擬手段通常為:物理模擬和數(shù)學(xué)模擬。物理模型反映了原型的物理過(guò)程, 現(xiàn)象直觀、豐富,能直接帶模擬式自動(dòng)化裝置,但使用不夠靈活,不可能模擬很 復(fù)雜的系統(tǒng),其硬件實(shí)現(xiàn)比較困難;數(shù)學(xué)模擬就是建立數(shù)學(xué)模型,這種方法比較 靈活、計(jì)算精度高、能模擬很復(fù)雜的系統(tǒng)、計(jì)算數(shù)據(jù)能處理和存儲(chǔ),但實(shí)時(shí)性差, 難以直接替代模擬式自動(dòng)化裝置。另外,由于人們對(duì)實(shí)際設(shè)備的認(rèn)識(shí)有限,數(shù)學(xué)新一代模擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的殲發(fā)0軟件設(shè)計(jì)模型并不能完全反映原型的物理過(guò)程。由于兩種手段各有特點(diǎn),所以在許多情況 下相互補(bǔ)充。電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬在元件模型中也包含了許多復(fù)雜因素(如非正弦、非線性、 非工頻等的影響,因此可以非常
17、有效地研究許多內(nèi)在過(guò)程尚不清楚、難以或不能 用數(shù)學(xué)方式描述的現(xiàn)象,反映的物理過(guò)程是直觀、真實(shí)的,可以直接可靠地檢驗(yàn) 理論分析和計(jì)算結(jié)果的正確性;可在與實(shí)際系統(tǒng)很近似的條件下觀察和研究電力 系統(tǒng)的許多特性和過(guò)程,得出用于指導(dǎo)實(shí)際電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要結(jié)論,動(dòng)模 對(duì)新技術(shù)新裝備實(shí)物的運(yùn)行試驗(yàn)非常方便,這是動(dòng)模試驗(yàn)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。電力部門(mén) 規(guī)定某些要上網(wǎng)運(yùn)行的電網(wǎng)自動(dòng)化新設(shè)備,應(yīng)先通過(guò)動(dòng)模試驗(yàn)。動(dòng)模也存在一些 不足,主要是動(dòng)模試驗(yàn)設(shè)備的品種和規(guī)模不可能很大,參數(shù)調(diào)整范圍有一定限制, 因而對(duì)于大型電力系統(tǒng)的試驗(yàn)需作必要的簡(jiǎn)化,這必然影響到試驗(yàn)精度。此外, 建立動(dòng)模試驗(yàn)設(shè)備的投資較大,建設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)【3】。在
18、20世紀(jì)50年代,前蘇聯(lián)建立了電力系統(tǒng)物理模擬系統(tǒng),對(duì)古比雪夫水電站 到莫斯科的220KV輸電線路進(jìn)行試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬的研究從50年代末開(kāi)始。中國(guó)電力科學(xué)研究院與清 華大學(xué)在1958年最早建成了電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室,此后,上海交通大學(xué)、西 安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、南京自動(dòng)化研究院、山東大學(xué)等院校和研究單位建 立了電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室。目前,在從事電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬研究方面,全國(guó)已經(jīng)有30多個(gè)院?;蜓芯克?建立了電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室。2002年湖南大學(xué)成功研制原動(dòng)機(jī)仿真調(diào)速器。 隨后與南京南瑞繼保有限電氣公司進(jìn)行了項(xiàng)目合作。在模擬原動(dòng)機(jī)仿真調(diào)速系統(tǒng) 的基礎(chǔ)上,其功能的不斷改進(jìn)與
19、完善過(guò)程中,隨后與中國(guó)電力科學(xué)研究院、許繼 集團(tuán)展開(kāi)項(xiàng)目合作。2008年“發(fā)電機(jī)原動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真先進(jìn)方法、技術(shù)與裝置”通 過(guò)技術(shù)鑒定,“該成果總體處于國(guó)際先進(jìn)水平,其中動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)居國(guó)際領(lǐng)先水 平”。從電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室的建立開(kāi)始,同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的研究就 從未間斷過(guò)。對(duì)同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的研究,在國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)與清華大 學(xué)處于技術(shù)領(lǐng)先水平。華中科技大學(xué)電力自動(dòng)化技術(shù)研究所研制的“WL.04A微機(jī) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器及負(fù)阻器”,采用單片機(jī)80C196Kc為控制核,該裝置勵(lì)磁方式模擬有 勵(lì)磁機(jī)手動(dòng)、他勵(lì)、自勵(lì)、勵(lì)磁機(jī)他勵(lì)、勵(lì)磁機(jī)自勵(lì)等,實(shí)現(xiàn)了從模擬向數(shù)字控 制方式的轉(zhuǎn)變,該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟
20、,其所開(kāi)發(fā)的模擬勵(lì)磁裝置已經(jīng)應(yīng)用在十多個(gè) 科研院所。此外還有清華大學(xué)研制了“勵(lì)磁調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)”。湖南大學(xué)從2005年開(kāi)始著手模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的研究,在基于原動(dòng)機(jī)仿真調(diào)速器 的成熟技術(shù)基礎(chǔ)上,在國(guó)內(nèi)率先提出將DsP技術(shù)應(yīng)用到模擬勵(lì)磁系統(tǒng)中,先后發(fā) 表了系列相關(guān)研究論文,首先設(shè)計(jì)出以16位DsP控制芯片TMS320LF2407作為控制2碩十學(xué)位論文核的數(shù)字式模擬勵(lì)磁系統(tǒng),擁有良好的人機(jī)界面,具有操作簡(jiǎn)便自動(dòng)化程度高顯 著特點(diǎn)的新一代微機(jī)控制模擬勵(lì)磁系統(tǒng)。但是隨著DsP技術(shù)不斷發(fā)展,本文采用 專(zhuān)用于電機(jī)控制的高性能32位數(shù)字信號(hào)處理器(DSPTMS320F2812作為系統(tǒng)數(shù)據(jù) 處理的核,同時(shí)在
21、原有的DSP控制電路上進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化,并增添許多新功能, 使模擬勵(lì)磁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正意義上的全數(shù)字控制。1.2新一代數(shù)字控制模擬同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的意義模擬勵(lì)磁系統(tǒng)用于在動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室中研究勵(lì)磁系統(tǒng)的性能。實(shí)際勵(lì)磁系統(tǒng) 在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),為了測(cè)量勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)特性必須在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)啟發(fā)電機(jī),使 整個(gè)機(jī)組全部運(yùn)行起來(lái)。而每一次試驗(yàn)都是對(duì)發(fā)電機(jī)或電網(wǎng)的一次沖擊,發(fā)電機(jī) 必須承受多次啟停和多次沖擊才能完成試驗(yàn),同時(shí)在試驗(yàn)中還要消耗大量的燃油 或水。即使是這樣,有的試驗(yàn)仍然不易實(shí)現(xiàn),比如機(jī)端三相短路試驗(yàn)。在實(shí)際運(yùn) 行中這樣的故障是有可能發(fā)生的。故障發(fā)生后,機(jī)組運(yùn)行情況將如何,勵(lì)磁調(diào)節(jié) 器的強(qiáng)勵(lì)特性能不能發(fā)揮
22、應(yīng)有的作用,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)根本無(wú)法測(cè)試【41。隨著數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的出現(xiàn),模擬勵(lì)磁系統(tǒng)向數(shù)字化發(fā)展是必然趨勢(shì)。傳 統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁裝置,大都采用模擬線路,線性運(yùn)算放大器是構(gòu)成調(diào)節(jié) 和控制的基本器件,模擬勵(lì)磁裝置進(jìn)行控制是連續(xù)的,控制作用每時(shí)每刻都在進(jìn) 行的,但是模擬控制器有其固有的弱點(diǎn),模擬式控制器運(yùn)算放大器特性容易漂移, 使其特性變化,影響控制精度,硬件復(fù)雜,可靠性低,無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代控制技術(shù)發(fā) 展的要求。特別是在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)高度發(fā)展的今天,為了實(shí)現(xiàn)裝置智能化方向 發(fā)展,需從根本上采用微處理機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字式控制。模擬式向數(shù)字式控制發(fā)展經(jīng)歷 了從模擬一數(shù)?;旌弦蝗珨?shù)字的發(fā)展。數(shù)模混合式控制技術(shù)提高了
23、速度控制精度, 加強(qiáng)了保護(hù)功能,增設(shè)了故障診斷技術(shù),在控制技術(shù)上取得了進(jìn)步,然而部分電 路仍然采用模擬式。因此,并未從根本上解決模擬式控制所固有的問(wèn)題。本文設(shè) 計(jì)的同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)采用最先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器為控制核心,在原來(lái) 基于DSP技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)與完善,實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制,較之模擬控制方 式的勵(lì)磁系統(tǒng)有明顯的優(yōu)越性【5】:(1計(jì)算機(jī)具有計(jì)算和邏輯判斷功能,使得復(fù)雜的控制策略可以在勵(lì)磁控制中 得到實(shí)現(xiàn)。它除了可以實(shí)現(xiàn)模擬式調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)、PSS(電力系統(tǒng)穩(wěn)定器附加控 制,特別是AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采樣和處理、移相脈沖觸發(fā)等自身具備的電路,使整 個(gè)系統(tǒng)運(yùn)算處理速度有了質(zhì)的飛躍:(2數(shù)字
24、式勵(lì)磁系統(tǒng)在硬件組成上采用了大規(guī)模集成電路和微處理器作為它 的控制核心,大大降低了電子元件的使用數(shù)量,DSP(數(shù)字信號(hào)處理器具有專(zhuān) 門(mén)的內(nèi)部ADC和PWM專(zhuān)用模塊,從而大大地簡(jiǎn)化CPU的外圍電路,從而提高了整 個(gè)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性。其次硬件電路和軟件設(shè)計(jì)的模塊化結(jié)構(gòu)使數(shù)字勵(lì)磁控3新一代模擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)j軟件設(shè)計(jì)制器的維護(hù)和替換更加方便,而且如果要擴(kuò)展其他功能,只需增加相應(yīng)的功能塊 并在軟件上稍微修改即可;(3模擬式模擬勵(lì)磁裝置由于運(yùn)放的非理想性而造成計(jì)算誤差,使其控制精度 低,一般只能達(dá)到千分之幾。而數(shù)字式調(diào)速器采用雙字節(jié)運(yùn)算,計(jì)算精度可達(dá)萬(wàn) 分之一,因而數(shù)字式模擬勵(lì)磁裝置可以反映速
25、度的微小變化,其控制精度大大高 于以普通單片機(jī)控制的模擬勵(lì)磁系統(tǒng),特別是采用了傅立葉變換、移相脈沖觸發(fā) 大大降低了驅(qū)動(dòng)電路的功率,克服了模擬的多路脈沖觸發(fā)不平衡度的缺點(diǎn); (4數(shù)字式模擬勵(lì)磁裝置不但可以實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)節(jié)裝置難以實(shí)現(xiàn)的控制規(guī)律和 功能??梢詫⒓O(jiān)測(cè)、分析、控制、保護(hù)和事故追憶于一體。數(shù)字式勵(lì)磁控制器 的各種參數(shù)可以非常方便地在線精確整定或修改,并可通過(guò)顯示設(shè)備顯示出來(lái), 此外可以通過(guò)操作面板輸入按鍵信號(hào),人機(jī)對(duì)話方便、直觀;(5由于DsP技術(shù)的優(yōu)越性能遠(yuǎn)超過(guò)普通電機(jī)控制核(Intell96系列單片機(jī)。 首先,一般196單片機(jī)控制的勵(lì)磁系統(tǒng),cPu外圍電路復(fù)雜,硬件電路產(chǎn)生干擾 性大,
26、其I/O口、數(shù)據(jù)線和地址線往往復(fù)用,所以I/O需要擴(kuò)展,其次采樣電路, 普通單片機(jī)控制的勵(lì)磁系統(tǒng)所帶的內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換模塊往往不夠用,需要使用外 部AD擴(kuò)展,而采用F2812芯片所帶內(nèi)部ADC模塊,滿足了采樣要求。再次, 196單片機(jī)控制的脈沖觸發(fā)電路往往需要用專(zhuān)用芯片來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖如(TC787, 在電力系統(tǒng)裝備中得到了廣泛地運(yùn)用,為了與目前電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的DsP數(shù) 字式勵(lì)磁系統(tǒng)相適應(yīng),模擬勵(lì)磁裝置的全數(shù)字化控制乃必然趨勢(shì);(6本裝置基于數(shù)據(jù)處理功能最強(qiáng)大的32位DSP芯片作為控制的模擬勵(lì)磁系 統(tǒng)的核心,電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高,實(shí)時(shí)性好,冗余容錯(cuò)能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠性高, 是真正實(shí)現(xiàn)了高精確度、
27、多功能化、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、低功耗的模擬勵(lì)磁裝置。且目前, 國(guó)內(nèi)外尚無(wú)開(kāi)發(fā)出上述模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。1.3本文研究的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)本文查閱大量國(guó)內(nèi)外勵(lì)磁系統(tǒng)相關(guān)資料,深入研究了同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁系 統(tǒng)的功能特征,詳細(xì)地研究和分析了基于DSP技術(shù)的新一代模擬同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁 模擬勵(lì)磁裝置的功能和特點(diǎn),基于湖南大學(xué)原先以TMS320LF2407作為控制核的 模擬勵(lì)磁系統(tǒng)基礎(chǔ)上,對(duì)以前裝置所出現(xiàn)的問(wèn)題從技術(shù)上作出改進(jìn)。在基于DSP (TMS320F2812硬件處理功能上,簡(jiǎn)化了外圍硬件電路增添了新的功能。完成 了主回路與操作回路方案的初步設(shè)計(jì),確定了元件參數(shù)的選型;模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 的硬件設(shè)計(jì),負(fù)阻器的硬
28、件設(shè)計(jì),包括原理圖與PCB;在設(shè)計(jì)完成的硬件電路上 進(jìn)行了部分軟件的調(diào)試,包括按鍵程序、液晶顯示程序與觸發(fā)脈沖程序等。 與以往模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的研究相比,本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: (1采用高速數(shù)字信號(hào)處理器(TMS320F2812作為控制核心,其數(shù)據(jù)運(yùn)算速4碩十學(xué)位論文度快,精度高,實(shí)現(xiàn)的功能強(qiáng)大,使用內(nèi)部自帶ADC模塊,無(wú)須采用外部AD 轉(zhuǎn)換芯片,操作回路由DSP的I/O口來(lái)控制實(shí)現(xiàn),觸發(fā)脈沖由DSP芯片的PWM 引腳觸發(fā),實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制,大大簡(jiǎn)化了外圍硬件電路,(2結(jié)合DSP2812的硬件資源,模擬勵(lì)磁裝置的數(shù)據(jù)采集與處理程序,采用 快速傅立葉變換(FFT算法,數(shù)據(jù)采集和處理速度快
29、,精確度高。設(shè)計(jì)了觸發(fā) 脈沖程序、控制算法程序等;(3擁有良好的人機(jī)界面。改進(jìn)原有并口液晶顯示電路.采用51單片機(jī)與DsP 芯片之間進(jìn)行簡(jiǎn)單通訊來(lái)控制顯示內(nèi)容,51單片機(jī)串口控制采用LcD實(shí)時(shí)參數(shù) 的顯示,從而減輕DSP處理負(fù)擔(dān),并具有故障錄波、事故追憶等功能;(4建立模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型,利用MATLAB/SIMuLINK在各種暫態(tài) 條件下進(jìn)行了各種仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證該模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在理論上設(shè)計(jì)的正確性; (5在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展具有功能最強(qiáng)大的TMs320F2812芯片控制同步發(fā)電機(jī)模 擬勵(lì)磁裝置的研究,并取得了階段性研究成果;對(duì)關(guān)鍵部分的軟硬件調(diào)試過(guò)程中所遇到的問(wèn)題和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié),指出存在
30、的問(wèn)題和不足,提出了下一階段的任務(wù)和預(yù)案。5第2章同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室勵(lì)磁系統(tǒng)的模擬內(nèi)容主要有:(1勵(lì)磁功率單元模擬包括:勵(lì)磁方式模擬(勵(lì)磁機(jī)手動(dòng)、他勵(lì)、自勵(lì)、勵(lì)磁 機(jī)他勵(lì)、勵(lì)磁機(jī)自勵(lì)、可控硅整流橋模擬、交流勵(lì)磁機(jī)模擬、交流副勵(lì)磁機(jī)模擬; (2勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的模擬:恒機(jī)端電壓控制方式、恒勵(lì)磁電流控制方式、恒觸發(fā) 角a控制方式、恒無(wú)功功率控制方式;(3調(diào)節(jié)特性模擬:提供PID控制參數(shù)、PSS控制參數(shù)等性能控制參數(shù)的修改 功能,以得到不同的勵(lì)磁控制系統(tǒng)性能特性;要在動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成以上勵(lì)磁系統(tǒng)功能模擬,必須具備功能強(qiáng)大的模 擬勵(lì)磁系統(tǒng)裝置。2.1模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的組成同步發(fā)電
31、機(jī)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)由勵(lì)磁功率單元、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和負(fù)阻器三部分組成。 模擬勵(lì)磁系統(tǒng)框圖如圖2.1所示,方框內(nèi)為模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。勵(lì)磁功率單元向同 步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流,而模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器則根據(jù)輸入信號(hào)和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn) 則控制勵(lì)磁功率單元的輸出。勵(lì)磁系統(tǒng)的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對(duì)維持同步發(fā)電機(jī)機(jī)端 電壓處于恒定水平,對(duì)整個(gè)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與穩(wěn)定具有相當(dāng)大的作用。但由 于模擬發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)小于原型發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù),必須串 接負(fù)阻器來(lái)增大時(shí)間常數(shù);勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入勵(lì)磁電流和機(jī)端電壓大小給定的 調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元的輸出【51。圖2.1同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁控制系統(tǒng)框圖6碩I:學(xué)位論文由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器
32、、勵(lì)磁功率單元和發(fā)電機(jī)一起組成的整個(gè)系統(tǒng)稱(chēng)為勵(lì)磁系統(tǒng)控 制系統(tǒng)。勵(lì)磁控制系統(tǒng)是模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的重要組成部份,是整個(gè)模擬現(xiàn)實(shí)勵(lì)磁工 況的組成核心。本文所研究的同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)緊密跟蹤現(xiàn)代電力系統(tǒng)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié) 系統(tǒng)的發(fā)展,采用DsP技術(shù)控制,可模擬不同的勵(lì)磁方式(自勵(lì)、他勵(lì),手動(dòng)、 自動(dòng)等和發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù),以保證其模擬的準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化, 勵(lì)磁功率單元采用可控硅整流橋提供勵(lì)磁功率,可對(duì)半導(dǎo)體直接勵(lì)磁方式與半導(dǎo) 體一勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方式進(jìn)行模擬,對(duì)手動(dòng)和自動(dòng)、他勵(lì)和自勵(lì)勵(lì)磁方式進(jìn)行選擇和切 換。整個(gè)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的原理圖如圖2.2所示。本勵(lì)磁系統(tǒng)是對(duì)15KVA機(jī)組設(shè)計(jì) 的,勵(lì)磁電流為3.5
33、A,勵(lì)磁電壓為200V??刂葡錇閯?lì)磁調(diào)節(jié)器,三相全控整流 橋?yàn)閯?lì)磁功率單元。圖2。2同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的要求:模擬勵(lì)磁系統(tǒng)能夠正確而全面地反映勵(lì)磁系統(tǒng)的物理過(guò)程時(shí),需要滿足下列 條件。本文研究的同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初,就以下要求為目標(biāo),力 求達(dá)到系統(tǒng)的準(zhǔn)確完善。(1模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置和原型的勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置,具有相同的特性,通常要求調(diào) 節(jié)器的型式相同,調(diào)節(jié)的時(shí)間常數(shù)相同,強(qiáng)行勵(lì)磁的倍數(shù)相同等;(2模擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路與原型同步發(fā)電機(jī),具有相同的標(biāo)么值參 7新一代模擬發(fā)lU機(jī)肋磁系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)1j軟件設(shè)計(jì)數(shù),即勵(lì)磁繞組尺,電抗Xr,漏抗X,以及定子和阻尼繞組開(kāi)路時(shí)的勵(lì)
34、磁繞組 時(shí)間常數(shù)%等參數(shù)的標(biāo)么值應(yīng)該相等;(3模擬勵(lì)磁系統(tǒng)元件和原型勵(lì)磁系統(tǒng)中相應(yīng)的元件,具有相似的靜態(tài)和動(dòng)態(tài) 特性,例如發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中的勵(lì)磁機(jī)和副勵(lì)磁機(jī)的特性。通常要求勵(lì)磁機(jī)的勵(lì) 磁繞組的時(shí)間常數(shù)乃與原型相等。勵(lì)磁機(jī)的空載和負(fù)載特性與原型相似。在可控 硅勵(lì)磁系統(tǒng)中,輔助發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁變壓器的特性要求相似等;(4要求模擬同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)能在廣泛范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整,并能夠方 便地改變模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁方式,使之適合于不同模擬對(duì)象;因此在同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,要以勵(lì)磁系統(tǒng)的要求為設(shè)計(jì)原則。 2.1.1模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào),按照給定的 勵(lì)
35、磁控制準(zhǔn)則自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁功率單元的輸出。在系統(tǒng)中,模擬同步發(fā)電機(jī)提供給 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸入信號(hào),包括三相電壓、三相電流等。同時(shí)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào) 送給模擬同步發(fā)電機(jī)這樣就構(gòu)成了完整的閉環(huán)。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器一般由基本控制、輔 助控制和勵(lì)磁限制三大部分組成【6l?;究刂撇糠值暮诵氖莿?lì)磁調(diào)節(jié)器,它主要實(shí)現(xiàn)模擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓 穩(wěn)定和無(wú)功分配等最為基本的控制功能。它通常包括了以下幾個(gè)單元:測(cè)量比較 單元、調(diào)差單元、綜合放大單元和移相觸發(fā)單元。模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的主要作用有:(1根據(jù)發(fā)電機(jī)負(fù)荷的變化相應(yīng)的調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流,以維持機(jī)端電壓為給定值;(2控制并列運(yùn)行各發(fā)電機(jī)間無(wú)功功率分配;(3提高發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的靜態(tài)穩(wěn)
36、定性;(4提高發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的暫態(tài)穩(wěn)定性;(5在發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí),進(jìn)行滅磁,以減小故障損失程度;(6根據(jù)運(yùn)行要求對(duì)發(fā)電機(jī)實(shí)行最大勵(lì)磁限制及最小勵(lì)磁限制。輔助控制部分主要是根據(jù)運(yùn)行的需要,在基本控制部分之外,附加的一些穩(wěn) 定控制部分和補(bǔ)償環(huán)節(jié),用來(lái)改善勵(lì)磁控制系統(tǒng)和同步發(fā)電機(jī)與之相連的電力系 統(tǒng)的穩(wěn)定性,如電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS主要增加勵(lì)磁系統(tǒng)阻尼特性,以防止勵(lì)磁系 統(tǒng)產(chǎn)生低頻震蕩【7l。勵(lì)磁限制部分主要是在各種異常運(yùn)行情況下,提供必要的勵(lì)磁限制信號(hào),并 封鎖基本控制信號(hào)和輔助控制信號(hào)以保證機(jī)組的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。它主要包括:最大勵(lì)磁電流瞬時(shí)限制、欠勵(lì)限制、反時(shí)限延時(shí)過(guò)勵(lì)磁電流限制、空載強(qiáng)勵(lì)限
37、制、 伏赫限制和無(wú)功功率過(guò)載限制等。8碩上學(xué)位論文2.1.2勵(lì)磁功率單元?jiǎng)?lì)磁功率單元向模擬同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組提供直流電流【8】,即勵(lì)磁電流。在 同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)中,勵(lì)磁電源一般取自電網(wǎng)、模擬同步發(fā)電機(jī)機(jī)端或模 擬勵(lì)磁機(jī)。采用電力電子器件與微機(jī)控制技術(shù),來(lái)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的多種勵(lì)磁方式。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中的直流勵(lì)磁電流是通過(guò)把交流勵(lì)磁電源經(jīng)可控硅整流 后得到的,本文的采用全控整流橋如圖2.3所示。本文中的勵(lì)磁功率單元采用六 個(gè)晶閘管組成的全控橋,其電源可采用外界電源他勵(lì)半導(dǎo)體勵(lì)磁方式、自勵(lì) 半導(dǎo)體勵(lì)磁方式和交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁方式。其脈沖觸發(fā)電路由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器產(chǎn)生。K1垃1; 建薹 建 一 一 【v
38、Tl 廠 . j. 丑相 功=B相 l緩一國(guó) C相晴qK4建三建三 乾nR42么LJ >一 L l 一寸一。VT4I垡T 圖2.3勵(lì)磁功率單元 2.1.3負(fù)阻器 同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)T=三/月,在模擬同步發(fā)電機(jī)中,勵(lì)磁繞組內(nèi) 阻R較大,負(fù)阻器串接在勵(lì)磁繞組回路中,產(chǎn)生負(fù)電阻,以減小R增大勵(lì)磁繞組 時(shí)間常數(shù)%,使之與原型同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)%一致。模擬勵(lì)磁系統(tǒng)中的負(fù)阻器的要求:(1靜態(tài)特性為電壓電流外特性曲線為一條直線;(2動(dòng)態(tài)特性:電壓電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線同相無(wú)滯后,波形相同;(3功率要有足夠補(bǔ)償容量。2.2本章小結(jié)本章介紹了模擬勵(lì)磁系統(tǒng)所要模擬的內(nèi)容。同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)
39、的組成, 包括勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁功率單元與負(fù)阻器等,并將各部分功能進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹, 提出了模擬勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)各部分的功能要求,對(duì)該模擬勵(lì)磁系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)打下理 論基礎(chǔ)。 9第3章微機(jī)控制模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件電路 3.1模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器概述本文所設(shè)計(jì)的模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器基于數(shù)字處理芯片TMS320F2812為控制核的 模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,在本著加強(qiáng)裝置功能和提高整個(gè)裝置的可靠性和抗干擾能力的 目的,設(shè)計(jì)了新的硬件電路以實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的全數(shù)字化控制。本章內(nèi)容結(jié)合硬件 裝置,分析介紹了模擬勵(lì)磁裝置的電源與功率驅(qū)動(dòng)電路采樣電路、脈沖觸發(fā)電路、 測(cè)頻電路、掉電保護(hù),擴(kuò)展程序/數(shù)據(jù)電路、RS485通信電路、鍵盤(pán)和LCD顯
40、示 電路等。外部模塊包括:電源轉(zhuǎn)換模塊,信號(hào)采集模塊,掉電保護(hù),擴(kuò)展程序/數(shù)據(jù)模 塊,RS485通信模塊,鍵盤(pán)和LCD顯示模塊,PwM輸出隔離放大模塊,同步信號(hào) 捕獲模塊。系統(tǒng)的工作原理是:發(fā)電機(jī)組機(jī)端電壓、電流經(jīng)過(guò)電壓互感器和電流 互感器輸入到信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊,輸出O.3v信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換通道;同時(shí)勵(lì)磁電壓、 電流經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊變換為O.3v的信號(hào),送入AD芯片。TMS320F2812對(duì)采樣的 結(jié)果根據(jù)控制參數(shù)、工作方式、限制保護(hù)條件進(jìn)行控制算法運(yùn)算,得到結(jié)果后, 作為輸出送給事件管理器(EVA,輸出PwM信號(hào),同時(shí)有關(guān)的警告信號(hào)或顯示信息 送給51單片機(jī),單片機(jī)根據(jù)收到的控制字來(lái)控制LCD顯
41、示模塊的顯示。PwM信號(hào) 經(jīng)PwM輸出放大模塊,輸出后直接驅(qū)動(dòng)可控硅的觸發(fā)極,控制勵(lì)磁電流大小,從 而調(diào)節(jié)機(jī)端電壓。同時(shí),故障監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸入和輸出。當(dāng)監(jiān)測(cè)到故 障發(fā)生時(shí),立即以中斷方式通知DSP,讓DSP快速處理故障事件。另外, TMS320F2812還可以與上位機(jī)進(jìn)行通信,交換數(shù)據(jù)。微機(jī)勵(lì)磁勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部功 能框圖如圖3.1所示。監(jiān)視與掉電保護(hù)同步號(hào)號(hào)送入cAP糾測(cè)頻信號(hào) 看門(mén)狗 k p采樣信號(hào)爿三三三p ;:7。輸入輸出 J鍵盤(pán)與縫電器 DSPSCI串行通信 TMS320F2812SCI外設(shè)亙圃叫Rs485通信l目 I 5嬋片機(jī)同巫程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器b=o #1隔離放大產(chǎn)釓墮 圖3
42、.1微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖lO碩十學(xué)位論文3.2DSP芯片TMS320F2812的特點(diǎn)TMS320F2812是TI公司2002年推出的最新定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。器件上集 成了許多先進(jìn)的外設(shè)資源,主要有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC、事件管理器模塊(EV、 串行外設(shè)接口模塊(sPI、串行通信接口模塊(SCI、CAN控制器模塊(EcAN等。 為電機(jī)及其他運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了良好的平臺(tái);同時(shí),它提供了足夠的處 理能力,使一些復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制算法的應(yīng)用成為可能。TMS320F2812的主要特點(diǎn)【9】:TMS320F2812具有32位處理器、最高150MHz 的主頻6.67ns的指令周期、外部采用低頻時(shí)鐘、通過(guò)片
43、內(nèi)鎖相環(huán)倍頻。片上有18K 字的高速RAM,128K字的可加密FLASHROM。采用高性能CMOS制造技術(shù), I/O供電電壓及F1ash編程電壓為3.3V,內(nèi)核供電電壓為1.8V。16通道的12位 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADc,內(nèi)部含兩路采樣保持器,一個(gè)轉(zhuǎn)換單元,可實(shí)現(xiàn)雙通道同步 采樣,最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為80ns。片上含兩個(gè)事件管理單元(EvA,EvB,設(shè)計(jì)用于 頻率測(cè)量PWM生成。圖3.2TMS320F2812控制器功能結(jié)構(gòu)利用TMS320F2812片內(nèi)ADC可對(duì)機(jī)端電壓、機(jī)端電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電 流進(jìn)行采樣,以實(shí)現(xiàn)對(duì)電量的精確測(cè)量。利用EV的捕獲單元可實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量 以及同步信號(hào)的獲取,Ev中的計(jì)數(shù)器
44、帶有周期寄存器和比較寄存器,當(dāng)計(jì)數(shù)器 的計(jì)數(shù)值同周期寄存器或比較寄存器中的數(shù)值相匹配時(shí),將會(huì)產(chǎn)生周期匹配事件 和比較匹配事件,利用計(jì)數(shù)器的這一特性并結(jié)合捕獲單元可形成移相脈沖。通信新一代模擬發(fā)f乜機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與軟件設(shè)計(jì)接口含2個(gè)串行通信接口(Serial Communicators Interface、1個(gè)串行外圍接口 【Serial Peripheral Interface、1個(gè)CAN控制器(Enhanced Controller Area Network 和1個(gè)多信道緩沖串行端口(Multi.channel Buffered Serial Port。56個(gè)獨(dú)立配置的 通用多功能I/O口
45、(GPIo。擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口(External Memory Interface讀寫(xiě)時(shí)序可 編程,三路獨(dú)立片選(CS可以兼容同速率的外設(shè)擴(kuò)展。TMS320F2812控制器功能 結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示。TMS320F28l 2內(nèi)部繼承了A/D和采樣保持電路,并優(yōu)化了FFT指令,使得 它在交流采樣計(jì)算時(shí)具有快速準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì):TMS320F2812的A/D模塊根據(jù)機(jī)端 電壓頻率對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)理之后的機(jī)端電壓、機(jī)端電流信號(hào)進(jìn)行采樣,通過(guò)交流采樣的 算法可以得到機(jī)端電壓、機(jī)端電流基波分量的實(shí)部和虛部,由此可以算出機(jī)端電 壓、機(jī)端電流基波分量的有效值、發(fā)電機(jī)的有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)。同 時(shí)TMS320F2812
46、的A/D模塊還對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)理的勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流信號(hào)采樣,通 過(guò)數(shù)字濾波可以得到勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流的平均值。利用DSP的比較單元產(chǎn)生移 相觸發(fā)脈沖,此脈沖經(jīng)過(guò)功率放大后去觸發(fā)可控硅組件,通過(guò)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì) 磁電流達(dá)到控制和調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)端電壓和無(wú)功功率的目的。同時(shí),勵(lì)磁調(diào)節(jié)器還將 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入的操作和狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷,實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行方式所需的勵(lì)磁調(diào) 節(jié)和限制、保護(hù)、檢測(cè)和故障判斷功能。本文設(shè)計(jì)是基于以前采用TMS320LF2407作為控制核的電路基礎(chǔ)上進(jìn)行改 進(jìn),將控制核改換為T(mén)Ms320F2812,其兩個(gè)控制芯片的性能比較如表3.1所示。 表3.1TMS320F2812和TMS320LF2407
47、的比較通過(guò)以上比較表明TMS320F2812的性能指標(biāo)與TMS320LF2407相比有了質(zhì) 的飛躍,F2812的控制性能要優(yōu)于F2407,更適用于高精度、復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求 高的控制領(lǐng)域。因此,TMS320F2812處理器的引入將大大簡(jiǎn)化勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件 結(jié)構(gòu),從而可以提高勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的多功能性和可靠性。12碩上學(xué)位論文3.3電源電平轉(zhuǎn)換電路圖3.3DSP電源設(shè)計(jì)框圖TI公司的DSP家族一般要求有獨(dú)立的內(nèi)核電源和I/O電源,并不要求有這兩 種電源之間有特殊的上電順序【lo】。但從系統(tǒng)級(jí)考慮,總線競(jìng)爭(zhēng)會(huì)要求按順序上電。 通常情況下,要求CPu內(nèi)核電源先于或同步于I/O上電,二者時(shí)間相差不能太長(zhǎng) (一
48、般不能大于l s,否則會(huì)影響器件的壽命或損壞器件。TMS320F2812通常上 電順序要求I/O先上電,核后上電,TMS320F2812的核電壓為1.8V。I/o電壓為 3.3V;因此,傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器(如78xx系列已經(jīng)不能滿足要求。我們選用具 有雙路輸出電壓的TPS767D318來(lái)設(shè)計(jì)其電源系統(tǒng)。基于此,設(shè)計(jì)了基于 TPS767D318的TMS320F28l 2的電源電路。微機(jī)電源的設(shè)計(jì)既要保證DSP能夠 長(zhǎng)期工作在穩(wěn)定的狀態(tài),又能降低功耗,提高TMS320F2812的工作效率,設(shè)計(jì) 構(gòu)成原理圖如圖3.3所示。TPS767D318是TI公司推出的雙路低壓差電源調(diào)整 器.主要應(yīng)用在需要雙電源
49、供電的DSP設(shè)計(jì)中。具有可單獨(dú)供電的雙路輸出,一 路固定輸出電壓為3.3V,另一路固定輸出電壓為1.8V。每路輸出電流的范圍在 0.1A。TMS320F2812的電源電路如圖3.4所示。33v 墼!扭 上B鯉 飛心盟I .L /T 3.3V22IlF,lOV爿=c1D bl圖3.4DSP電源設(shè)計(jì)圖TPS767D318芯片采用5V電源輸入,1.8V和3.3v電源輸出,經(jīng)電容接地濾 波抗干擾。模擬電源和數(shù)字電源之間采用磁珠將數(shù)字地與模擬地分開(kāi)【l 01。DSP外圍時(shí)鐘采用DSl305作為電源管理單元的時(shí)鐘源,DSl305采樣用二進(jìn)制 編碼的十進(jìn)制(BcD碼表示實(shí)時(shí)時(shí)鐘的秒、分、小時(shí)、星期、日、月和
50、年的時(shí)間 信息。其引腳相連圖如圖3.5所示。DSl 305支持通過(guò)SPI串行數(shù)據(jù)端口或者標(biāo)準(zhǔn)的13餐 一 一 一 一 一 刪 心 一 剁 必 珊 新一代模擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)勺軟件設(shè)計(jì)三線接口進(jìn)行時(shí)間的校正和數(shù)據(jù)的讀取,可進(jìn)行單字節(jié)的或連讀字節(jié)束發(fā)方式的 訪問(wèn)。SERMODE接地,串口訪問(wèn)模式設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)3線模式:SDI(串口數(shù)據(jù)輸入 與SDo(串口數(shù)據(jù),輸出連接在一起作為單一的I/O引腳,它與cE,scLK組成 3線模式。sERMoDE接vCC選擇SPI通信模式。INTO,INTl提供兩個(gè)可編程的中 斷報(bào)警信號(hào),可通過(guò)串行總線訪問(wèn)和設(shè)定秒、分、時(shí)、星期的報(bào)警時(shí)間。X1、X2引腳直接連接標(biāo)準(zhǔn)的
51、32.768kHz晶振,無(wú)需外接其它元件。 r下rJ.螋叫Ih 1尸黽鞒 均劉基囊j 圖3.52812的時(shí)鐘管理模塊 由DsP控制啟動(dòng)與關(guān)閉,確保CPU正常工作這樣,只有在DSP工作時(shí)才消耗 電能,DSl305自身又是微功耗器件,所以整個(gè)設(shè)備耗電很少,只要用較少的化學(xué) 電池就可以維持。3.4程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路TMs320F2812內(nèi)部集成了上有18K字的高速RAM和128K字的可加密 FLASHRoM,32K FLASH容量已基本夠用,但是在調(diào)試時(shí),如果每次將程序燒到 片內(nèi)FLASH中,速度慢,而且容易損壞TMS320F2812,為調(diào)試方便和保護(hù)DSP芯 片,所以在外部擴(kuò)展了程序存儲(chǔ)器【
52、19】。同時(shí)內(nèi)部的RAM存儲(chǔ)空間太小,為保存大 量的采樣數(shù)據(jù)、運(yùn)算的中間結(jié)果和提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度,需要擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器(RAM,考慮到片外程序存儲(chǔ)器在調(diào)試后可以不用,故將程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器共用一塊芯片,采用芯片IS61LV25616。IS61LV256l 6是一款高速靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器,采用IsIs公司的高性能 cMoS技術(shù),其接口簡(jiǎn)單,控制也比較方便。地址總線(AO.A17,輸出總線(I/OO. I/015,片選(nCE,輸出使能(noE,輸入使能端(new,低字節(jié)選擇端(nLB,高 字節(jié)選擇端(nuB,電源輸入端。具體連接圖如下圖3.6所示。DSP系統(tǒng)上電初始化后,程序空間用于存
53、放所有的程序,放在程序空間RAM 中可以減少調(diào)用程序的時(shí)間,數(shù)據(jù)空間主要用于放置處理過(guò)的數(shù)據(jù)和運(yùn)算過(guò)程中 的許多中間變量,用于模板匹配的模板數(shù)據(jù)也放在數(shù)據(jù)空間中,因?yàn)槟0鍞?shù)據(jù)要 多次使用,放在數(shù)據(jù)空間中可以提高調(diào)用速度。14一帕K 一 扣 一 一 一碩十學(xué)位論文3.5掉電保護(hù)圖3.6DSP的外圍擴(kuò)展圖TMs320F2812帶有看門(mén)狗定時(shí)器模塊,防止程序跑飛。但卻沒(méi)有掉電保護(hù)功 能,系統(tǒng)每次開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)都需要重新設(shè)定參數(shù),對(duì)上次設(shè)定的參數(shù)不能保留,為 此,設(shè)計(jì)了外部看門(mén)狗掉電保護(hù)電路,一是防止程序跑飛,二是保存設(shè)置參數(shù), 在每次運(yùn)行時(shí),程序可以首先讀取上次設(shè)定參數(shù)值【111。其電路如圖3.7所示。
54、圖3.7看門(mén)狗電路該電路采用一片看門(mén)狗芯片x5163,該芯片為E2PRoM芯片,把看門(mén)狗定時(shí) 器、工作電壓監(jiān)控和E2PRoM三種功能組合在一個(gè)封裝內(nèi),并采用三線總線工作 的串行外設(shè)接口(sPI和軟件協(xié)議,提高了系統(tǒng)的工作可靠性,適合于需現(xiàn)場(chǎng)修改 數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。在應(yīng)用中,對(duì)存儲(chǔ)陣列的讀寫(xiě)、看門(mén)狗定時(shí)器的設(shè)置則需通過(guò)芯片 要求的指令來(lái)完成。X5163的串行輸入輸出口與TMS320F2812的串行外設(shè)接口(SPI相接,采用SPI 時(shí)鐘輸入,DSP的IoPC0作為片選控制腳,復(fù)位信號(hào)輸出引腳接DSP的復(fù)位腳,當(dāng) 程序跑飛或死機(jī)狀態(tài)時(shí),x5163發(fā)出低電平,讓DsP復(fù)位,系統(tǒng)重新啟動(dòng)。3.6采樣信號(hào)入電路
55、本勵(lì)磁裝置開(kāi)入電路包括采樣電路,測(cè)頻電路。同步發(fā)電機(jī)模擬勵(lì)磁系統(tǒng)共 15新一代模擬發(fā)I乜機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)jj軟件設(shè)計(jì)須采樣9路信號(hào)(三相機(jī)端電壓、三相機(jī)端電流、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電 源電壓同時(shí)輔助測(cè)頻電路。根據(jù)采樣信號(hào)的不同,可分為直流采樣和交流采樣兩大類(lèi)【10】【11】。直流采樣利 用般的模擬量變送器作為測(cè)量部件(如傳感器,將輸入的交流量轉(zhuǎn)化為成比 例的、可供微機(jī)采樣的直流量。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是程序設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單,精度 要求不高,可以采用單極性的A/D轉(zhuǎn)換器,同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)換速度的要求較低,容易實(shí) 現(xiàn),但其輸入回路因要濾去整流后的紋波,往往采用RC濾波電路,其時(shí)間常數(shù)較 大(一般幾十毫秒一一
56、幾百毫秒1,因此采樣結(jié)果實(shí)時(shí)性差,而且無(wú)法反映被測(cè)模 擬量的波形,僅能反映被測(cè)量的單一信息(如有效值等。交流采樣采用交流接口把機(jī)端電壓互感器二次側(cè)電壓以及電流互感器二次側(cè) 電流經(jīng)過(guò)中間預(yù)處理與濾波限幅環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為與其成比例幅值適當(dāng)?shù)慕涣麟妷?以 便于微機(jī)對(duì)其進(jìn)行采樣。實(shí)時(shí)性好,相位失真小,投資少、便于維護(hù),但其缺點(diǎn) 是算法復(fù)雜,對(duì)A/D轉(zhuǎn)換速度和CPu處理速度要求較高,交流采樣按照采樣周期 值、采樣點(diǎn)位置以及被采樣信號(hào)在時(shí)間上的相互關(guān)系可分為異步采樣和同步采樣。 異步采樣的采樣周期固定不變,當(dāng)系統(tǒng)頻率改變時(shí)會(huì)帶來(lái)較大的誤差【111。此模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中需要采樣的電量有三相機(jī)端線電壓、三相機(jī)端線電流
57、 J,、勵(lì)磁電源電壓以。、勵(lì)磁電壓以、勵(lì)磁電流L,共9路信號(hào),這些電量中機(jī)端 電壓、機(jī)端電流、勵(lì)磁電源電壓為交流量;勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流為直流量。對(duì)于 機(jī)端電壓和機(jī)端電流采用交流采樣,勵(lì)磁電源電壓采用直流采樣,這些電量的測(cè) 量原理框圖如圖3.8所示。圖3.8采樣系統(tǒng)硬件原理框圖交流采樣部分的硬件包括隔離變換電路、電平轉(zhuǎn)換電路、通道選擇電路、同 步方波捕獲電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換及控制電路。隔離變換電路:將系統(tǒng)PT(測(cè)量機(jī)端電 壓、CT(測(cè)量機(jī)端電流二次端的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為同波形的弱電信號(hào), 常用器件為帶有磁補(bǔ)償?shù)幕魻杺鞲衅?、電流變換器等;電平轉(zhuǎn)換電路:將隔離變 換后的采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成A/D所能識(shí)別的有
58、效信號(hào),且維持原波形的信息,如濾 波、限幅等;同步方波捕獲電路:跟蹤捕獲交流信號(hào)的過(guò)零點(diǎn),為采樣系統(tǒng)提供 工頻變化的采樣周期;在F2812內(nèi)部ADc轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。16主碩上學(xué)位論文(1勵(lì)磁電壓采樣勵(lì)磁系統(tǒng)中,勵(lì)磁電壓幅值為O220V,需將其轉(zhuǎn)換為DSP能識(shí)別的O一3V 的弱電信號(hào),電路如圖3.9所示,霍爾電壓傳感器采用VsM025A,能在電隔離條 件下測(cè)量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則電壓波形。電壓傳感器原邊額定電流 為1OmA,副邊額定電流為25mA,±12V電源供電。限流電阻R40為22艘/3W, 采樣電阻R41為120Q,輸出電壓范圍為O3V接入A/D轉(zhuǎn)換器。T10UL+R40 R42
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