無刷同步發(fā)電機(jī)數(shù)字勵(lì)磁控制技術(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)

魏建明，魏建勛（.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，鄭州45450；.湘電集團(tuán)有限公司，湘潭 40）

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無刷同步發(fā)電機(jī)數(shù)字勵(lì)磁控制技術(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)

魏建明1，魏建勛2
（1.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，鄭州451450；2.湘電集團(tuán)有限公司，湘潭 411101）

摘要：數(shù)字勵(lì)磁控制技術(shù)以其高靈活性的特點(diǎn)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。本文以數(shù)字勵(lì)磁控制器為基礎(chǔ)，研究一種無刷同步發(fā)電機(jī)的數(shù)字勵(lì)磁控制技術(shù)，詳細(xì)介紹了數(shù)字勵(lì)磁控制的軟件實(shí)現(xiàn)，包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)濾波、控制調(diào)節(jié)、系統(tǒng)保護(hù)等程序的實(shí)現(xiàn)過程，同時(shí)增加了軟件的可靠性設(shè)計(jì)部分。將軟件燒寫至數(shù)字勵(lì)磁控制器中進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明軟件設(shè)計(jì)的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字勵(lì)磁A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)濾波控制調(diào)節(jié)可靠性設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)

魏建勛（1977-），男，高工。研究方向：電氣控制。

0　引言

勵(lì)磁控制器是同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分［1-4］，根據(jù)發(fā)電機(jī)端的采樣反饋信號(hào)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令調(diào)節(jié)勵(lì)磁電源的輸出，為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子提供所需的勵(lì)磁電流；勵(lì)磁系統(tǒng)中的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對(duì)提高電力系統(tǒng)并聯(lián)機(jī)組的穩(wěn)定性具有相當(dāng)大的作用［5］，如圖1所示。數(shù)字勵(lì)磁控制技術(shù)以其高靈活性、高可靠性以及系統(tǒng)簡(jiǎn)潔性獲得了廣泛的應(yīng)用。

本文研究一種數(shù)字勵(lì)磁控制技術(shù)，該數(shù)字勵(lì)磁控制技術(shù)是以DSP28335為控制軟件核心，通過相關(guān)的外圍電路和軟件編程，產(chǎn)生不同占空比的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電源的輸出，從而改變勵(lì)磁電流輸出大小，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓的目的。

圖1　自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器組成框圖

1　數(shù)字勵(lì)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(lì)磁控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流經(jīng)過采樣電路和A/D轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入DSP28335進(jìn)行軟件處理，產(chǎn)生斬波電路需要的PWM控制信號(hào)，通過控制斬波電路的輸出來調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組的電流大小，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓。配備該數(shù)字勵(lì)磁控制器的發(fā)電機(jī)的主要性能取決于數(shù)字勵(lì)磁控制器的軟件性能。因此本文主要分析研究該數(shù)字勵(lì)磁控制器的軟件實(shí)現(xiàn)。

圖2　數(shù)字勵(lì)磁控制器的硬件組成框圖

2　控制器的軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)處理軟件采用TMS320F28335，在勵(lì)磁控制器的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，采用程序模塊化的思想，將整個(gè)系統(tǒng)軟件劃分為主程序和多個(gè)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(chǔ)區(qū)的初始化、定時(shí)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(yùn)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(yùn)行后，需首先對(duì)芯片進(jìn)行初始化，其程序初始化過程主要包括以下幾個(gè)方面：

1）TMS320F28335芯片片內(nèi)外設(shè)時(shí)鐘和系統(tǒng)時(shí)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(chǔ)空間的初始化；

5）PID控制參數(shù)和電壓基準(zhǔn)值的設(shè)定；

6）運(yùn)行和故障指示燈的初始化。

7）事件管理模塊內(nèi)的捕捉單元、通用定時(shí)器和中斷程序的設(shè)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(lì)磁控制器中的中斷服務(wù)子程序主要包括定時(shí)器周期中斷、信號(hào)捕捉中斷、高優(yōu)先級(jí)模式的外部引腳中斷等。

定時(shí)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(guān)控制部分、A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)部分、A/D轉(zhuǎn)換完成部分、電壓計(jì)算部分、PID調(diào)節(jié)控制部分、電壓調(diào)節(jié)及保護(hù)部分等。

2.2.1A/D轉(zhuǎn)換程序

系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換通過外部的A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7862-10來實(shí)現(xiàn)。由于沒有采用芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊，故只能通過產(chǎn)生定時(shí)器T2 的周期中斷信號(hào)來使能系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換電路功能。當(dāng)定時(shí)器T2的周期中斷信號(hào)有效時(shí)，DSP芯片的GPIO56端口產(chǎn)生一個(gè)下降沿，觸發(fā)AD7862轉(zhuǎn)換啟動(dòng)其A、B兩組通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。然后通過芯片的GPIO55端口輸出電平來控制AD7862轉(zhuǎn)換芯片的通道選擇信號(hào)A0，從而可以選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)換通道來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

通過片選信號(hào)/CS的狀態(tài)，DSP讀取來自AD7862的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果。當(dāng)/CS信號(hào)有效（即/CS為低電平）時(shí)，DSP對(duì)AD7862進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取操作，在/CS信號(hào)有效的情況下，DSP根據(jù)/RD引腳的脈沖信號(hào)依次訪問AD7862的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。

AD7862引腳BUSY的輸出信號(hào)給DSP，作為DSP的中斷信號(hào)。當(dāng)/CONVST信號(hào)有效（即/CONVST為低電平）時(shí)，BUSY輸出信號(hào)變?yōu)楦唠娖讲⒈３譃楦唠娖綘顟B(tài)。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，BUSY輸出信號(hào)才會(huì)變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，因此DSP通過檢測(cè)BUSY引腳信號(hào)的電平狀態(tài)來判斷AD轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。若轉(zhuǎn)換結(jié)束，則將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寄存器中；若轉(zhuǎn)換未結(jié)束，則繼續(xù)等待轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖4　定時(shí)器T2周期中斷程序流程框圖

2.2.2控制調(diào)節(jié)模塊

目前DSP數(shù)字勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制器大都采用常規(guī)的PID控制調(diào)節(jié)方式，電壓計(jì)算包括采樣電壓反饋量處理、調(diào)差計(jì)算與處理和PID控制參數(shù)的計(jì)算三部分。DSP數(shù)字勵(lì)磁調(diào)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(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，所計(jì)算出的電壓值作為勵(lì)磁調(diào)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(lì)磁調(diào)節(jié)控制器的PID控制原理框圖

2.2.3開關(guān)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(fù)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(dāng)定時(shí)器T2周期中斷有效時(shí)，則讀一次對(duì)應(yīng)按鈕端口的狀態(tài)，若為低電平，則表示開關(guān)閉合，反之則開關(guān)斷開。定時(shí)器T2的周期中斷時(shí)間為0.2 ms，完全滿足系統(tǒng)中開關(guān)控制實(shí)時(shí)性的要求。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有開關(guān)閉合信號(hào)時(shí)，會(huì)同時(shí)檢測(cè)是否有系統(tǒng)保護(hù)信號(hào)，若沒有則不進(jìn)行任何操作；反之，系統(tǒng)將按照不同類型的保護(hù)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)操作。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有開關(guān)斷開信號(hào)時(shí)，則會(huì)根據(jù)程序中所設(shè)置的邏輯順序，依次對(duì)系統(tǒng)中的所有故障和保護(hù)信號(hào)進(jìn)行清除，同時(shí)停止輸出PWM脈沖，從而切斷勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁電流，達(dá)到系統(tǒng)保護(hù)的目的。

2.2.4過、欠壓保護(hù)模塊

勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制器時(shí)刻檢測(cè)發(fā)電機(jī)端口輸出電壓，當(dāng)發(fā)電機(jī)端口電壓大于額定電壓的1.2倍且持續(xù)時(shí)間超過限定值時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制器強(qiáng)行關(guān)斷勵(lì)磁并進(jìn)行滅磁，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過壓保護(hù)，防止發(fā)電機(jī)端口輸出電壓過高而損壞電機(jī)絕緣。

當(dāng)發(fā)電機(jī)端口電壓小于額定電壓的0.8倍且持續(xù)時(shí)間超過限定值時(shí)，進(jìn)行與過壓操作一樣的處理，防止系統(tǒng)外部設(shè)備欠壓條件下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)欠壓保護(hù)。

2.3軟件可靠性設(shè)計(jì)

2.3.1看門狗設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序軟件在運(yùn)行過程中，可能會(huì)因?yàn)槟撤N外界干擾而引起程序的不正常運(yùn)行，因此程序必須設(shè)置有能夠自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行的功能。利用DSP芯片TMS320F28335內(nèi)部的“看門狗”定時(shí)器電路可使系統(tǒng)從故障中自動(dòng)恢復(fù)過來。其具體的工作過程及原理如下：當(dāng)看門狗電路計(jì)數(shù)器滿且溢出時(shí)，將產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)；程序中設(shè)置的計(jì)數(shù)器根據(jù)看門狗電路計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)值對(duì)看門狗電路計(jì)數(shù)器進(jìn)行“喂狗” 操作，看門狗寄存器在其被正確“喂狗”時(shí)清除看門狗計(jì)數(shù)器的值，在系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤或無“喂狗”操作時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位操作；在看門狗電路計(jì)數(shù)器的有效計(jì)數(shù)范圍之內(nèi)，按照程序所設(shè)計(jì)的正確邏輯規(guī)則依次對(duì)看門狗電路寄存器WDKEY寫入正確的指令和數(shù)據(jù)，并WDCNTR進(jìn)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(shè)計(jì)的邏輯規(guī)則向WDKEY寫數(shù)時(shí)，將使系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。

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(chǎn)生無效的中斷，則必須使運(yùn)行程序退出中斷運(yùn)行，從而不會(huì)影響到程序的正常運(yùn)行。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將研究的軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)代碼燒寫至數(shù)字勵(lì)磁控制器中，進(jìn)行開環(huán)和閉環(huán)的模擬實(shí)驗(yàn)。

3.1開環(huán)實(shí)驗(yàn)

在不使發(fā)電機(jī)電壓和電流反饋的情況下，利用軟件內(nèi)部設(shè)定不同的基準(zhǔn)，使之產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的占空比，得到相應(yīng)的勵(lì)磁電壓大小，以驗(yàn)證該數(shù)字勵(lì)磁控制器的開環(huán)性能試驗(yàn)，即等效為實(shí)際發(fā)電機(jī)的他勵(lì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用15V的直流電源作為斬波電路的直流輸入電源，設(shè)定基準(zhǔn)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(shí)的實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示，圖中通道1為勵(lì)磁電壓波形，通道2為斬波電路的PWM驅(qū)動(dòng)波形。

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

圖6　60%占空比輸出波形、驅(qū)動(dòng)波形圖

圖7　60%占空比輸出波形、驅(qū)動(dòng)波形圖（放大）

3.2閉環(huán)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)在開環(huán)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上增加反饋信號(hào)，將勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流進(jìn)行采樣作為勵(lì)磁控制器的反饋信號(hào)（勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流與發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流存在著一定的比例關(guān)系，因此可以用這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行采樣來模擬實(shí)際發(fā)電機(jī)的閉環(huán)試驗(yàn)），按照勵(lì)磁電壓輸出為10V的基準(zhǔn)設(shè)置內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓值，通過反饋值與基準(zhǔn)電壓的比較，保證勵(lì)磁輸出電壓穩(wěn)定在10V左右。

其閉環(huán)試驗(yàn)波形如圖8和圖9所示。圖中通道1為勵(lì)磁電壓波形，通道2為斬入波電路的PWM驅(qū)動(dòng)波形。從圖中可以看出，勵(lì)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(diào)節(jié)輸出波形、驅(qū)動(dòng)波形圖

圖9　閉環(huán)調(diào)節(jié)輸出波形、驅(qū)動(dòng)波形圖（放大）

4　結(jié)束語

本文重點(diǎn)對(duì)一種無刷同步發(fā)電機(jī)數(shù)字勵(lì)磁控制技術(shù)中的軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并根據(jù)系統(tǒng)勵(lì)磁控制的原理，對(duì)主程序以及所有中斷子程序的實(shí)現(xiàn)及注意事項(xiàng)進(jìn)行了介紹，將該軟件設(shè)計(jì)代碼燒寫到數(shù)字勵(lì)磁控制器中進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了軟件設(shè)計(jì)的正確性和有效性。

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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(hào)：TM771

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）06-0036-04

收稿日期：2016-03-10

作者簡(jiǎn)介：魏建明（1980-），男，講師。研究方向：計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)；