基于dsPIC的智能功率柜的設計

李志軍，李連輝，楊旭東，韓雪晶，王軍偉

（河北工業大學電氣與自動化學院，天津 300130）

1 引言

隨著電力系統的飛速發展以及發電機單機容量的增長，大型同步發電機所需的勵磁功率亦有了明顯上升，因此對勵磁系統的要求也越來越高[1]。勵磁系統故障仍是發電機故障停機和非計劃停運的主要原因。勵磁系統出現故障，將影響發電系統的整體可靠性，可見勵磁系統的可靠性十分重要。國內目前使用的各類勵磁調節器已經非常先進，但功率柜的制造水平還不高，這勢必影響到勵磁系統整體性能的提高，從而妨礙電力系統整體性能的提升。

目前，國內生產的勵磁功率柜普遍存在檢測功能不全、信息傳送、控制和檢測技術落后等問題。

本文介紹的功率柜是基于dsPIC30F6014的智能勵磁功率柜，它與傳統的功率柜的不同之處在于在其內部加入了智能檢測和控制電路，在減輕了調節器工作壓力的同時又提高了系統工作的可靠性。智能功率柜不但具有完備的檢測、控制、通信功能而且均流效果理想。

2 dsPIC30F6014的特點

dsPIC30F6014是一款高性能數字信號控制器，擁有很高的性價比。它集成了單片機的控制功能以及數字信號處理器的計算能力和數據吞吐能力。其具有如下特點：快速、復雜和靈活的中斷處理，豐富的數字和模擬外設，電源管理，可靈活選擇多種時鐘模式，上電復位，欠壓保護，看門狗定時器，代碼加密，全速實時仿真及全速在線調試解決方案。

dsPIC30F6014采用的是改進哈佛（Harvard）總線結構，從而哈佛結構的潛在優勢得到了充分發揮。其兩級流水線結構，可以有效地提升系統的運行效率和數據的可靠性。

dsPIC30F6014芯片集成了通用異步收發器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）串行通信模塊和控制器局域網(Controller Area Network, CAN)模塊。dsPIC30F系列芯片所配置的CAN模塊可用于與其他CAN模塊、外設或者單片機之間進行通訊。

3 智能勵磁功率柜的系統結構及軟硬件設計

3.1 系統結構設計

圖1 系統原理框圖

智能功率柜的系統原理框圖如圖 1所示。勵磁功率柜的任務是將三相交流電整流成供發電機轉子勵磁的直流電。在功率柜中三相全控橋為關鍵部件。勵磁調節器經 CAN總線將晶閘管導通角度送至智能功率柜的微機，微機將經檢測得到的橋臂實際輸出電流值與調節器的設定電流值進行比較，完成相應的PI運算后對觸發角度進行微調，調整后的觸發角度經輸出比較模塊形成六路觸發脈沖繼而驅動三相全控橋導通整流，從而實現整流的目標。功率柜通過信號檢測模塊將柜內溫度、風機工作狀態、晶閘管導通狀態、熔斷器通斷狀態和橋臂電流值送入微機，微機對各參數進行計算分析并與設定值比較，實時顯示工況并可進行報警。

3.2 智能勵磁功率柜的硬件設計

在硬件設計中，根據勵磁功率柜的特點，設計了以dsPIC30F6014單片機為控制核心的外圍硬件電路，包括同步信號捕捉單元、模擬信號采集單元、移相觸發脈沖產生單元和通信單元等[3]。

3.2.1 同步電壓形成電路

晶閘管的導通，除了應在其陽極與陰極間加上正向電壓外，還必須同時在控制極上加上正向觸發脈沖。對三相可控整流橋而言，就是要求每次加在晶閘管控制極上的觸發脈沖，都應在該晶閘管承受正向電壓的一定時刻發出。當整流電壓一定時，每一相每個周期送出的第一個觸發脈沖，對應于該相陽極電壓的時刻都應相同，即控制角α相同。晶閘管觸發脈沖與主回路之間的這種相位配合關系，即稱為同步[4]。

頻率的測量在勵磁系統中具有極其重要的地位，實時準確地測量到系統頻率是實現跟蹤采樣、脈沖形成的基礎。根據對晶閘管進行導通控制的要求，晶閘管元件上所加的電壓和控制極上所加的觸發脈沖電壓在相位上必須配合合理，否則晶閘管將無法正常工作[5]。觸發角的起始時刻是保證晶閘管可靠、準確導通的基礎。本文中，同步信號通過同步變壓器取自晶閘管的陽極電壓。本文采用電壓比較器LM211來完成此功能。主要電路如圖2所示。

圖2 同步電壓形成電路

同步信號單元電路的主要部件為高速比較器LM211，通過它可完成同步電壓的過零點檢測。為了防止同步電壓中夾雜有高頻的干擾信號，在同步電壓輸入到LM211之前，采用低通濾波電路對輸入的同步電壓信號進行濾波。另外，為了加強同步信號單元的抗干擾能力也可以在LM211比較器中加一個正反饋，組成滯回比較電路。

3.2.2 模擬量信號處理電路

本電路采樣的模擬量信號有正負半橋的電流信號、勵磁電壓信號、功率柜內部溫度等信號。交流電壓、電流信號分別取自經電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）變換后的交流信號[6]。信號經過處理后送入dsPIC30F6014的A/D轉換模塊。這里以晶閘管輸出的電流信號為例來介紹模擬量的處理電路。信號處理電路如圖3所示。

圖3 電壓信號處理電路

先在外部電路中通過電流互感器將晶閘管的輸出電流轉換為小電流信號，再將電流信號轉換為電壓信號，然后送入集成運算放大器組成的電路，最后送入dsPIC30F6014的A/D模塊進行處理。

3.2.3 移相觸發脈沖形成

三相全控整流橋工作時，晶閘管元件按照一定次序導通，為此必須對晶閘管施加觸發脈沖，這是由觸發器單元實現的。本文采用的是雙窄脈沖觸發，即在電流換向時同時向共陽極和共陰極晶閘管各發一路脈沖，以防在換向時因產生負電壓而使晶閘管發生截止的現象。

dsPIC30F6014包含輸出比較模塊，最多可同時產生多達8路的PWM波形。其中有3個帶可編程死區控制的比較單元產生獨立的3對(即6個輸出)。在此設計中，采用的是雙比較匹配模式。在比較時基與OCxR寄存器發生比較匹配后的下一個指令周期，OCx引腳驅動為高電平，直到時基和OCxRS寄存器之間發生下一次匹配時，該引腳將驅動為低電平。

觸發信號從同步信號過零點計時，調節器經CAN總線發送給各功率柜觸發角的角度值α，同步信號周期值 Ts，脈沖寬度W。同步信號過零產生中斷，使單片機內部計數器開始計數，并根據α、Ts、W計算出α的對應值 Tα1～ Tα6和脈沖后沿的對應值 TW1～TW6，并將這些計算出的數值寫入單片機內部相關寄存器中，當寄存器中的值與相關寄存器中的值相等時，特定的事件就會在相應的引腳上觸發[7]。下式為TαN和TWN的計算方法：

N=1，2，3，4，5，6。Tclk為 dsPIC30F6014 計數器計數周期。

3.2.4 CAN總線接口模塊

為了使智能功率柜能夠將運行數據與其他微機系統(如勵磁調節器、主控室監控器)進行交換，該功率柜微機必須安裝通訊接口。鑒于目前工業現場中常用的通訊方式多為 CAN通訊方式，因此在本系統中采用CAN通訊方式。

CAN總線接口模塊主要包括CAN控制器芯片和接口芯片PC82C250。dsPIC30F6014內部集成了CAN控制器，這對于需要良好抗干擾性的測控系統有很大好處?？蓪sPIC30F6014構成為集通信與控制功能于一體的單片系統，簡化了硬件設計，提高了系統抗干擾能力。

在連接總線時要注意總線兩端需接2個120?的電阻，對于匹配總線阻抗，起著相當重要的作用。

3.3 智能功率柜的軟件設計

設電流輸出量為 y ( t)，輸入量為 e ( t)，比例系數為Kp，積分時間常數為Ti，則比例積分方程為：

對式(3)離散化后，可得第k次和(k ? 1 )次采樣時刻dsPIC30F6014的輸出：

式中，Ts為dsPIC30F6014的采樣周期。

采用增量式算法，可得 2個采樣時刻間的dsPIC30F6014輸出增量為：

即：

式中：ek為第k次采樣時給定量與反饋量之間的偏差。

按上式編程即可實現PI調節程序，使勵磁系統獲得理想的整流效果。

在本勵磁功率柜的軟件設計中，主要的軟件設計思想有三個方面：一是軟件必須滿足實時控制的需要；二是軟件要充分發揮單片機dsPIC30F6014的指令精簡高效和硬件功能豐富的特點；三是軟件要有很強的靈活性、通用性、可靠性和移植性[8]。其PI調節子程序流程如圖4所示。

圖4 PI調節子程序流程圖

4 實驗結果與分析

智能功率柜應用于發電機勵磁系統中?，F將其在一臺同步三相發電機上進行實驗。實驗系統的參數如下：

發電機額定勵磁電壓Ue=109V，發電機額定勵磁電流Ie=251A，智能功率柜強勵倍數Mf=1.8，勵磁變壓器二次側電壓U2=203V，勵磁變壓器二次側電流I2=205A，勵磁變壓器容量S=80kVA。

4.1 空載實驗

逐步減小導通角α，增加勵磁電流，實驗數據見表1。

4.2 短路實驗

逐漸增大發電機機端三相端子的短路電流，實驗數據見表2。

表1 空載試驗數據

表2 短路實驗數據

4.3 帶負載實驗

額定負載時，發電機的機端電壓為 6300V，勵磁電流251A，勵磁電壓109V。

圖5為示波器測得的勵磁電流的波形圖。該波形圖表明，數字均流達到了較高的精度，提高了勵磁系統的可靠性和穩定性。

圖5 三相全控橋整流輸出波形

本實驗的主要目的是驗證本文所提出的以dsPIC30F6014數字信號控制器為核心的智能勵磁功率柜在實際工作時硬件電路的有效性以及相應軟件編程的合理性，效果令人滿意。

5 結束語

同步發電機勵磁系統的研究是一個非?；钴S的研究領域。本文采用了當前在工業控制中比較流行的dsPIC作為智能功率柜的控制核心，并設計了相應的硬件電路和軟件部分。實驗表明，該智能功率柜的性能令人滿意。這種基于 dsPIC的勵磁功率柜為智能勵磁控制方法提供了一種有效的解決方案。該勵磁功率柜技術領先，可靠性高，智能化程度高，具有很好的推廣價值。

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