談ＤＳＰ同步發電機勵磁系統的開發

宋強義

摘要：勵磁系統是同步發電機的重要組成部分，直接影響發電機及電力系統運行特性，本文介紹了一種新型的基于TMS320LF2407微控制器，采用雙通道結構的同步發電機數字勵磁調節器的開發。

關鍵詞：同步發電機；勵磁；微控制器；DSP；PID

1 勵磁調節裝置的發展

隨著計算機技術的發展，加快了控制信息處理向數字化處理的轉變，國內外許多公司和企業都開始進行以微型計算機為核心的微機數字勵磁裝置的研究。采用了深度數字化技術，使勵磁裝置在硬件上集成化，能方便地實現現代控制要求，增強抗干擾能力，適合工作于惡劣的現場環境中。在工業控制中，大多采用單片機和工控機組成勵磁調節器，取得很好的效果。

TMS320X240X系列DSP概述TMS320X240

X是屬于TMS320系列DSP產品，其適用于眾多數字電機控制(DMC)和其他的內嵌式控制的應用，此系列產品是基于C2xLP 16位、定點、低功耗的DSPCPU，并集成了一系列片上外圍設備、片上ROM、FLASH程序存貯器和片上雙向RAM(DARAM)。也就是把一個高性能的DSP內核和微處理的片內外圍設備集成為一體的芯片，TMS320X240X系列成為傳統的微控制單元(MCUs)和昂貴多片設計的一種廉價的替代品。每秒3千萬條指令的處理速度，使TMS320X240XDSP控制器可以提供遠遠超過傳統的16位微控制器和微處理器的性能。

TMS320LF2407的指令執行速度是30MIPS，幾乎所有的指令都可以在一個33ns的單周期內執行完畢。這使高性能的復雜控制算法的實時執行成為可能。具有高速信號處理和數字控制功能所必需的體系結構特點，有強大的片內I／O端口而且他有為電機控制應用提供單片解決的方案所必需的外圍設備。這個應用優化的外圍設備單元與高性能的DSP內核一起，使在所有類型電機的高精度、高效、全變速控制使用先進的控制技術成為可能。

2 以下是TMS320LF2407的性能特點：

TMS320C2xx核心CPU

●32位的中央算術邏輯單元(CALU)，32位加法器

●16位并行乘法器，32位乘積，3個定標移位寄存器

●8個16位輔助寄存器，帶有一個專用的算術單元，

用來作數據存貯器的間接尋址

存貯器

●544字x16位的雙端數據／程序DARAM

●2k字x16位的單端口SARAM

●片內32kxl6位的flash程序存貯器

●256字x16位片上引導ROM

●224k字x16位的最大尋址存貯器空間(64K字的程序空間，64K字的數據空間，64K字的I／O空間,32K字的全局空間)

●有軟件等待狀態發生器的外部存貯器接口模塊，具有[6位地址總線和16位數據總線

事件管理模塊A和B

●十六位通用定時器4個

●比較／脈寬調制(PWM)通道10／16

●捕獲通道／正交編碼器脈沖接口6／4

電源

●靜態CMOS技術

●供電電壓3．3v

看門狗定時器

CAN接口：與控制器局域網絡(CAN2．0版兼容，有六個郵件箱)

ADC：模數轉換器、10位、500ns轉換速度、16／

可選通道

SPI：外設串行接口、同步串行端口

SCI：串行通信端口、異步串行接口

速度：33。，(30MIPS)指令周期，多數指令為單周期

外部中斷5個、數字I／0管角41個

3 TMS320LF2407 DSP勵磁調節器的硬件組成

DSP勵磁調節器采用雙通道結構，由硬件完全相同而又獨立的兩個通道組成，每個通道具有兩種基本運行方式：電壓調節AVR(AutomaticVoltageRegulator)和電流調節方式FCRFieldcurrentRegulator)。AVR方式以發電機機端電壓為調節對象，根據機端電壓變化自動調節勵磁電流，達到恒定機端電壓運行的目的。FCR方式以發電機勵磁電流為調節對象，實現恒勵磁電流運行，適合于在調試、短路試驗和其它機端電壓測量信號時運行。

調節器的一個硬件通道包括以下部分：測量適配器、有功／無功變換器、模擬量處理單元、隔離輸入單元、開關量輸入單元、開關量輸出單元、主控單元、脈中放大單元、鍵盤和液晶顯示單元等。

測量適配器單元的主要輸入量是機端電壓PT信號、機端電流CT信號和勵磁電流信號；輸出量是經過處理后的適合于微機采樣的勵磁電流信號以及降壓后的PT信號和變成電壓信號CT信號。

有功／無功變換器主要用于產生定子電流的有功分量Icosφ和無功分量Isinφ。

模擬量輸入單元主要用于機端電壓的整流與濾波、同步信號的預處理、測頻信號的產生以及Ic0sφ和Isin的適配，其輸出送入主控單元。

隔離輸入單元主要是將機組開關狀態和外部命令通過光耦合器件隔離變換為24v內部信號。

開關量輸入單元將隔離輸入單元的24v信號變換成適合微機輸入的5v信號，并實現與主控單元的接口。

開關量輸出單元通過自身的接口將主控單元的控制命令和狀態信號轉換為輸出的開關量，經光電隔離后輸出。

隔離輸出單元將開關量輸出單元的信號進行繼電器隔離，操作外部強電回路。主控單元(CPU)是調節器的核心，他完成信號綜合、給定值產生、PID運算、移相觸發、通道跟蹤、串行通信、限制保護以及參數的顯示、修改和存貯等核心工作。

脈沖放大單元將主控單元產生的雙窄觸發脈沖放大以后，輸出值勵磁整流柜，觸發脈沖在整流柜經脈沖末級放大后觸發整流橋晶閘管。

鍵盤和液晶顯示單元是顯示和修改數據的人機接口。

4 勵磁裝置的軟件設計

軟件的開發工具采用基于EEP并口的DSP開發系統TDS-EEP-XDS510,在CC／CCS(codecomposerstudio)集成開發環境下進行。在編程過程中采用C語言和匯編語言的混合編程勵磁調節器PID控制器的軟件程序流程圖設置如下：在PID調節器設計中參數的選擇是非常重要的，參數叫好壞關系到整個系統的動態特性和靜態特性。模擬PID調節器的整定是按照工藝對控制性能的要求，決定調節器的參數Kp、Ki、Kd、、Ti。數字PID參數的整定，除了需要確定上述參數外，還要確定系統的采樣周期T。

采用c語言編程如下：

#include“math.h”

voidpid(void)

ntkp,ki,kd,Uref,u；

floatEk,Ekl,Ek2,Ukl；／*kl表示k-l*／

floattempui，tempup，tempud，tempu，pidOul.

EK=u-Uref;

tempui=ki*Ek；

tempup：kp*(Ek-Ekl)；

tempud：kd*(Ek-2*Ekl+Ek2)；

tempu=tempui+tempup+tempud；

pidout=tempu+Ukl；

pidout=Ukl；

Ek2：Ekl；

Ekl=Ek；

if(pidout>O)

{...}

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5 結束語

針對低端產品設計的樣機容量規格：直流輸出容量：400ADC、250VDC

主要功能：PID自動控制(機端電壓閉環控制)軟起勵、PT斷線監視、轉子過流限制欠勵限制、無強勵判斷、無強減判斷、V／Hz限制PI手動控制(轉子電流閉環控制)恒功率因數的控制。