基于DSPf28335的數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng)設(shè)計*

趙　涵　張　晗　和　磊　楊彥杰

(1.西北電力建設(shè)工程有限公司　西安　710032)(2.河北工業(yè)大學(xué)電工廠　天津　300130)

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基于DSPf28335的數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng)設(shè)計*

趙涵1張晗1和磊1楊彥杰2

(1.西北電力建設(shè)工程有限公司西安710032)(2.河北工業(yè)大學(xué)電工廠天津300130)

摘要論文介紹了一種基于DSPf28335的數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng)。它通過對同步發(fā)電機系統(tǒng)關(guān)鍵模擬量的采集與計算,給出適用于當前工況下觸發(fā)脈沖角度α,將先進的交流采樣算法和DSP自身的優(yōu)異性能相結(jié)合,實現(xiàn)了勵磁控制器的深度數(shù)字化。該產(chǎn)品已應(yīng)用于我國某發(fā)電廠,試驗運行結(jié)果表明該數(shù)字勵磁控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定,性能良好。

關(guān)鍵詞DSPf28335; 數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng); 雙CAN網(wǎng)絡(luò); 智能顯示

Class NumberTM341

1引言

勵磁自動控制系統(tǒng)作為發(fā)電機系統(tǒng)的重要組成部分,一直是該領(lǐng)域的研究熱點。隨著單片機、DSP等微處理器在勵磁控制裝置核心控制器中的應(yīng)用,數(shù)字式勵磁控制器逐漸成為發(fā)展趨勢[1]。目前國內(nèi)市場上推出的控制器一般都以16位/32位單片機、32位(定點型)DSP處理器為核心[2],其在數(shù)據(jù)運算和處理的能力上都存在或多或少的缺點和不足,由于處理器本身是定點型處理器,故在實際的運算過程中,會增大計算誤差,進而增大系統(tǒng)誤差從而會影響整個系統(tǒng)的控制精度與響應(yīng)。為了提高勵磁控制系統(tǒng)的各項性能指標和運行參數(shù)精度,研究以新型的32位浮點型DSP芯片為核心的數(shù)字勵磁控制系統(tǒng)就成為了同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的發(fā)展需要。

本文提出了一種以新型的32位浮點型DSP芯片為核心的數(shù)字勵磁控制系統(tǒng)。它不僅可以克服現(xiàn)有的一些技術(shù)缺陷,同時在系統(tǒng)硬件設(shè)計中使用了交流采樣芯片,采用了交流采樣算法,結(jié)合浮點型處理器的優(yōu)越性能,使得勵磁控制系統(tǒng)的各項性能指標和運行參數(shù)精度都得到了提高[3]。除此之外,該勵磁控制系統(tǒng)選用了性能優(yōu)異的可觸摸平板電腦通過雙高速CAN網(wǎng)絡(luò)與主控單元連接,構(gòu)成系統(tǒng)的智能顯示系統(tǒng)。

2勵磁控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及原理

本文提出的數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng)選用德州儀器(TI)最新推出的TMS320f28335 32位浮點型DSP芯片[4～6]作為中央處理器,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。交流采樣電路以MAXIM公司生產(chǎn)的14位,8通道,同步采樣ADC轉(zhuǎn)換芯片MAX1324為主,通過相應(yīng)的硬件接口電路MAX1324與DSPf28335構(gòu)成。數(shù)據(jù)存儲模塊硬件電路由外部擴展存儲器組成,外擴存儲器選用Ramtron公司生產(chǎn)的FM25L256芯片,DSP通過SPI與外擴存儲器連接,可在系統(tǒng)運行過程中可實現(xiàn)高速簡捷的通訊,可隨時保存工作過程中采集的開關(guān)量信息和時間標簽,完成數(shù)據(jù)的讀、寫工作,并且支持掉電保存。

圖1　勵磁控制系統(tǒng)框圖

該該勵磁控制系統(tǒng)的工作原理: 1) 通過對模擬量適配模塊、交流采樣模塊和頻率測量模塊完成對發(fā)電機定子電壓、電流以及發(fā)電機出口頻率的采樣;勵磁電流適配模塊可完成對系統(tǒng)勵磁電流的采樣,所有采樣信號進入DSP處理器單元后,經(jīng)過軟件計算可得到發(fā)電機系統(tǒng)的電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率及當前的勵磁系統(tǒng)功率回路的各項數(shù)據(jù); 2) 通過開關(guān)量輸入、輸出模塊和電平轉(zhuǎn)換模塊,可以檢測當前發(fā)電機系統(tǒng)的狀態(tài)(停機狀態(tài)、試驗狀態(tài)、空載運行狀態(tài)或并網(wǎng)帶載狀態(tài))、運行方式(恒壓運行、恒流運行或其它的工作方式)以及其它的開關(guān)量信息,勵磁控制器可以完成對系統(tǒng)開關(guān)量信號的采集、輸出; 3) 中央數(shù)據(jù)處理模塊對采集到的開關(guān)量信號和計算得到的各項數(shù)據(jù)進行識別、判斷和處理,并根據(jù)當前發(fā)電機系統(tǒng)的運行狀態(tài),經(jīng)由PID計算和各種保護限制程序檢驗校正后,可得出智能功率回路所需的移相脈沖的控制角度α(15°～150°); 4) 最后DSP處理器單元將控制角度α通過數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送給智能功率柜單元,功率單元可根據(jù)控制角度產(chǎn)生觸發(fā)脈沖進而完成對整流橋中晶閘管的觸發(fā),輸出勵磁電流。同時,通過數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)量發(fā)送給智能顯示單元,完成系統(tǒng)各種變量和圖形的顯示。這樣既可以避免了電磁干擾,又可以提高脈沖精度,在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下,也提高了勵磁系統(tǒng)的精度[7～8]。

該勵磁控制系統(tǒng)內(nèi)部控制邏輯如圖2所示。其中,PT1、CT、PT2、IE模塊分別實現(xiàn)發(fā)電機定子電壓、電流、頻率以及勵磁電壓、電流的測量;系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有欠勵限制器、過勵限制器、最小勵磁電流限制器等環(huán)節(jié),以保證發(fā)電機負載特性分配在穩(wěn)定區(qū)域,使發(fā)電機處于穩(wěn)定工況,從而確保系統(tǒng)安全運行;系統(tǒng)對外設(shè)有故障報警單元,包括滅磁開關(guān)跳閘報警、調(diào)節(jié)器故障報警、通道報警等;智能功率單元、智能顯示單元分別通過收發(fā)器1、收發(fā)器2與DSP28335進行信息交換,完成觸發(fā)角α對勵磁整流器的控制和運行狀態(tài)信息的實時顯示。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊1/2的硬件電路如圖3所示,主要包括光隔離電路、CAN收發(fā)電路以及相關(guān)的適配電路,實現(xiàn)CAN通訊信號的光隔離、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送工作。其中CAN收發(fā)器選用德州儀器生產(chǎn)的SN65HVD1050DR(VP1050)[7～9]芯片,數(shù)據(jù)收發(fā)模塊1和數(shù)據(jù)收發(fā)模塊2的輸入端分別與DSP處理器模塊的CAN1通訊口和CAN2通訊口相連接構(gòu)成雙CAN網(wǎng)冗余網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的輸出端與智能顯示模塊和智能功率柜單元的通訊輸入口相連接,構(gòu)成冗余高速雙CAN網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)。其中通訊網(wǎng)路的每個節(jié)點都具有網(wǎng)絡(luò)自檢功能,當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時,可實現(xiàn)運行網(wǎng)絡(luò)和備用網(wǎng)絡(luò)的自動切換,進而保證了勵磁系統(tǒng)運行的安全和穩(wěn)定性[9]。

3勵磁控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件程序與系統(tǒng)硬件資源相結(jié)合,軟件的設(shè)計過程中,采用模塊化編程思想,不僅有利于分階段逐步完成調(diào)試,使程序各部分的功能更加清晰,而且可以確保程序的可移植性,提升程序的使用價值。

軟件主程序流程如圖4所示,所包含的軟件子程序為:交流采樣子程序:完成模擬量的交流采樣;開關(guān)量輸入子程序:完成對系統(tǒng)開關(guān)量的輸入控制;開關(guān)量輸出子程序:完成對系統(tǒng)開關(guān)量的輸出控制;軟件鎖相環(huán)子程序:確保每個采樣周期的信號都在同一個周期內(nèi);模擬量計算子程序:計算出發(fā)電機機端電壓、定子電流、有功/無功、勵磁電流、勵磁電壓;PID計算子程序:計算得出當前的整流橋觸發(fā)角度α及系統(tǒng)各種狀態(tài)量;數(shù)據(jù)發(fā)送/接收子程序:完成與其它智能模塊之間的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收任務(wù);外擴存儲器的讀/寫子程序:完成勵磁系統(tǒng)一些主要固定變量的存儲;標幺子程序:完成各項數(shù)據(jù)的標幺計算;勵磁系統(tǒng)主要邏輯及各種保護功能子程序:完成對勵磁系統(tǒng)的邏輯判斷及各種保護和限制功能。

圖2　勵磁控制系統(tǒng)內(nèi)部控制邏輯圖

4試驗運行結(jié)果分析

本設(shè)計已投入運行。現(xiàn)以其中一組同步發(fā)電機為例,通過其空載起勵波形對運行結(jié)果及性能進行分析。錄波使用的是本設(shè)計所提到的智能顯示單元(錄波模塊用Labview編制)[10]。

卡夫卡在《致父親》中談到一件小事：“一天夜里我不停地要水喝，不過不是出于渴，而可能一部分是為了要惹惱你，一部分是為了尋樂。在一些強烈的威脅不生效后，您把我從床上拽出來，抱到陽臺上去，關(guān)緊了門，讓我獨自一人穿著襯衣在那兒站了一陣子……許多年后我還經(jīng)常驚恐地想象這么個場面，那個巨大的人，我的父親，審判我的最后的法庭，會幾乎毫無理由地向我走來，在夜里把我從床上抱到陽臺上去，而我在他眼里就是這樣無足輕重。”[4]461-501赫爾曼在卡夫卡心中幾乎是專制和暴君的象征，卡夫卡對于世界的看法與父親對他的影響有著很深的聯(lián)系——這是卡夫卡父子關(guān)系的另一重要部分。

發(fā)電機組的參數(shù)如下:視在功率:4000kW，功率因數(shù):0.8，額定電壓:6300V，額定勵磁電流:447A。

圖3　數(shù)據(jù)收發(fā)模塊原理圖

圖4　勵磁控制系統(tǒng)的軟件流程

發(fā)電機組在空載下,投入勵磁控制系統(tǒng)。設(shè)定發(fā)電機的起勵復(fù)位值為額定機端電壓的80%,得到起勵波形如圖5所示,Ug為發(fā)電機端電壓,If為勵磁電流,α為勵磁控制系統(tǒng)輸出的觸發(fā)角。極端電壓Ug幅值參考左縱軸,勵磁電流If和觸發(fā)角α幅值參考右縱軸。

圖5　發(fā)電機空載起勵波形

根據(jù)國標GB/T7409.3-2007《大、中型同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)技術(shù)要求》,當同步發(fā)電機起勵時,端電壓超調(diào)量不得超過額定值的15%,電壓振蕩次數(shù)不超過3次,調(diào)節(jié)時間不超過10s。由圖可見,該勵磁系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)零起升壓。峰值時間3.5s,調(diào)節(jié)時間6s,峰值電壓5730V,超調(diào)量為8.1%,振蕩周期為1次。均滿足或優(yōu)于國標,這說明勵磁控制系統(tǒng)能根據(jù)當前工況,輸出合適的α角給智能功率柜單元,完成控制整流橋控制脈沖的觸發(fā),通過控制勵磁電流,進而控制發(fā)電機組。

5結(jié)語

基于DSPf28335的同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)充分利用了浮點型DSPf28335芯片自身的優(yōu)良性能,并且選用性能優(yōu)異的可觸摸平板電腦通過雙高速CAN網(wǎng)絡(luò)與主控單元連接構(gòu)成智能顯示系統(tǒng)。實現(xiàn)了交流采樣、頻率測量、PID調(diào)節(jié)計算和對可控硅觸發(fā)角α的正確輸出,智能功率柜通過CAN總線接受到觸發(fā)角后,自身形成觸發(fā)脈沖,通過控制勵磁電流,進而控制發(fā)電機的無功功率,從而實現(xiàn)同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)控制。在火力發(fā)電廠實際運行數(shù)據(jù)表明,該勵磁控制系統(tǒng)主要性能優(yōu)于國標的要求,能在當前工況下能輸出適合的觸發(fā)角α進而控制發(fā)電機的可靠運行。

參 考 文 獻

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Design of Digital Excitation Control System Based on DSPf28335

ZHAO Han1ZHANG Han1HE Lei1YANG Yanjie2

(1. Northwest Power Construction Engineering Co., Ltd., Xi’an710032)(2. Electrical Equipment Factory, Hebei University of Technology, Tianjin300130)

AbstractA digital excitation control system based on DSPf28335 is introduced in this paper. The trigger pulse angle α for the current conditions is given through the acquisition and calculation of the key analog of the synchronous generator system. 32-bit floating-point processor is proposed in this paper, which combines advanced AC sampling algorithm with the outstanding performance of DSP. Based on them, the depth digital of excitation controller is achieved. The digital excitation control system has been applied to a power plant in China. The results show that the digital excitation control system has good performance and works reliably.

Key WordsDSPf28335, digital excitation control system, dual CAN network, smart display

* 收稿日期:2015年11月17日,修回日期:2015年12月20日

作者簡介:趙涵,男,工程師,研究方向:電機與電器研究及電廠調(diào)試運行。張晗,男,碩士,工程師,研究方向:電機與電器研究及電廠調(diào)試運行。和磊,男,工程師,研究方向:電機與電器研究及電廠調(diào)試運行。楊彥杰,男,碩士,高級工程師,研究方向:電機與電器研究。

中圖分類號TM341

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.05.043