（计算机应用技术专业论文）基于dsp的同步发电机励磁控制器设计.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 励磁控制器是同步发电机励磁系统的重要组成部分，它对同步发电机乃至电力系统的 安全稳定运行有着重要影响。随着电力系统规模的不断增大，系统结构和运行方式的同趋 复杂，对同步电机励磁控制器运行的可靠性稳定性经济性和灵活性提出了更高的要求。本 文根据励磁控制器的国内外发展趋势，研究和开发t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为控制核心的同步发 电机d s p 励磁控制器。 本文中介绍了同步发电机励磁控制器的发展现状及趋势，分析了励磁控制器所存在的 问题。在介绍d s p 的发展历程特点及应用范围的基础上，通过d s p 芯片与其它控制芯片的性 能比较选择以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为励磁控制器的硬件核心。进而提出了基t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的励 磁控制器的硬件设计及软件实现方法，给出了硬件原理图和软件流程图。说明了系励磁统 利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的强大的数据处理能力和丰富的片内外设及高速的实时控制能力， 实现了频率测量和励磁控制算法等功能并用a d 7 8 6 2 实现了模数转换。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的 引入，大大简化了励磁控制器的硬件结构，提高了励磁控制器的抗干扰能力和可靠性。介 绍了样机试验内容、过程及试验的结果分析。 实验室试验结果表明，基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的同步发电机励磁控制器具有硬件结构简单 可靠性高、维护方便和性价比高等特点。其主要性能指标达到或优于国标具有很好的推广 应用前景。 关键词：励磁控制器；d s p ；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ；频率测量 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t e x c i t a t i o nc o n t r o l l e r ，a sam a i np a r to fe x c i t a t i o ns y s t e mi nt h es y n c h r o n i cg e n e r a t o r ，a f f e c t st h e s a f ea n ds t e a d yo p e r a t i o no fg e n e r a t o r sa n dp o w e rs y s t e m s w i t hi t se n l a r g e m e n to fs c a l e ，a st h e s t r u c t u r ea n dr u nm o d eo fi ta r ei n c r e a s i n g l yc o m p l e x ，t h ep o w e rs y s t e mr e q u i r e st h a tt h e e x c i t a t i o ns y s t e mh a sb e t t e ro p e r a t i o np e r f o r m a n c e ，h i g h e rr e l i a b i l i t y ，b e t t e re c o n o m i c a l e f f i c i e n c ya n df l e x i b l e n e s s a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no f e x c i t a t i o nc o n t r o l l e rb o t h h e r ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p sd s pe x c i t a t i o nc o n t r o l l e ro fs y n c h r o n i c g e n e r a t o rb yt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a st h ec o n t r o lc e n t e r i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es t a t ea n dt r e n do fe x c i t a t i o nc o n t r o l l e ri nt h e s y n c h r o n i cg e n e r a t o ra n da n a l y s e st h ep r o b l e m se x i s t i n gi ni t i nt h ec h a p t e rt w o ，t h i sp a p e r a l s o p r e s e n t st h eh i s t o r y ，f e a t u r ea n da p p l i c a t i o nr a n g eo fd s pc h i pa n dc h o o s e st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a s t h ec o n t r o lc e n t e ro fe x c i t a t i o nc o n t r o l l e rb ym e a n so fc o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c eb e t w e e n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a n dt h eo t h e rc o n t r o lc h i p s i nt h ec h a p t e rt w oa n dc h a p t e rt h r e e ，t h i sp a p e r d e s c r i b e st h ed e s i g nm e t h o d so ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eu s e di nt h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e r b a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，p r e s e n t st h es c h e m a t i cd i a g r a mo fh a r d w a r ea n dt h ef l o wc h a r to ft h e s o f t w a r e ，a n dw i t ht h e m ，f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ，c o n t r o lr o l ea n de t c ，a r er e a l i z e di no n ec h i p t a k i n ga d v a n t a g eo ft h ec h a r a c t e r so ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，s u c ha sh i ：g hp e r f o r m a n c ep r o c e s s i n g c a p a b i l i t i e s ，p l e n t yo fp e r i p h e r a l so nc h i pa n dh i g hr e a lt i m ec o n t r o la n d s oo n a d o p t i o no f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 m a k e st h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e rh a ss i m p l e rs t r u c t u r e ，s t r o n g e ra n t i - j a m m i n g c a p a b i l i t ya n dh i g h e rs t a b i l i t y i nt h ec h a p t e rf o u r ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r o c e s so f t h e e x c i t a t i o nc o n t r o l l e rt e s t i n ga n da n a l y s e st h et e s tr e s u l t t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a t ：t h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e rb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 1 0 7 ，t h ep r o p e r t i e s o fw h i c hr e a c ho rp r e c e d es t a t ec r i t e r i o n ，h a st h ec h a r a c t e r so fs i m p l eh a r d w a r es t r u c t u r e ，h i g l l r e l i a b i l i t y ，e a s ym a i n t a i n s ，h i g hr a t i ob e t w e e np e r f o r m a n c ea n dp r i c ea n d e t c t h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e rb a s e do nt m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7h a sab r i g h ta p p l i c a t i o nv a l u ei nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：e x c i t a t i o nc o n t r o l l e r ；d s pp r o c e s s o r ；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ；f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 至塑! ! j日期：塑墨呈呈皇 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名： 指导教师签名： 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 同步发电机励磁系统简介 在现代化电力系统中，同步发电机运行的稳定性一直是世界各国所普遍关注的课题， 在诸多改善发电机稳定性的措施中，提高励磁系统的控制功能，被公认为是最有效和经济 的措施之一。 同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场而产生这个磁场的直流电流， 称为发电机的励磁电流。根据励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电 机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。 供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。它一般由励磁功率单 元和励磁调节器两个主要部分组成。励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流，而励 磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。励磁系统的自动励 磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。尤其是现代电力系统的发 展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。 1 1 1 发电机获得励磁电流的几种方式 ( 1 ) 直流发电机供电的励磁方式 这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励 磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从 励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗 量等优点，是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。缺点是励磁调 节速度较慢，维护工作量大，故在i o m w 以上的机组中很少采用。 ( 2 ) 交流励磁机供电的励磁方式 现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大 轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励 磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电 流。交流副励磁机可以是永磁机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节 速度，交流励磁机通常采用1 0 卜2 0 0 h z 的中频发电机，而交流副励磁机则采用4 0 卜 一5 0 0 h z 的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转 子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工 作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大 【1 6 】 o ( 3 ) 无励磁机的励磁方式 在励磁方式中不设置专门的励磁机，而从发电机本身取得励磁电源，经整流后再供 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 给发电机本身励磁，称自励式静止励磁。自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式。 自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流，经整流后供给发电机励 磁，这种励磁方式具有结构简单，设备少，投资省和维护工作量少等优点。自复励磁方式 除没有整流变压外，还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。这种互感器的作 用是在发生短路时，给发电机提供较大的励磁电流，以弥补整流变压器输出的不足。这种 励磁方式具有两种励磁电源，通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电 流源。 1 1 2 发电机与励磁电流的有关特性 ( 1 ) 电压的调节 自动调节励磁系统可以看成为一个以电压为被调量的负反馈控制系统。无功负荷电流 是造成发电机端电压下降的主要原因，当励磁电流不变时，发电机的端电压将随无功电流 的增大而降低。但是为了满足用户对电能质量的要求，发电机的端电压应基本保持不变， 实现这一要求的办法是随无功电流的变化调节发电机的励磁电流。 ( 2 ) 无功功率的调节 发电机与系统并联运行时，可以认为是与无限大容量电源的母线运行，要改变发电机 励磁电流，感应电势和定子电流也跟着变化，此时发电机的无功电流也跟着变化。当发电 机与无限大容量系统并联运行时，为了改变发电机的无功功率，必须调节发电机的励磁电 流。此时改变的发电机励磁电流并不是通常所说的“调压 ，而是只是改变了送入系统的 无功功率。 ( 3 ) 无功负荷的分配 并联运行的发电机根据各自的额定容量，按比例进行无功电流的分配。大容量发电机 应负担较多无功负荷，而容量较小的则负提供较少的无功负荷。为了实现无功负荷能自动 分配，可以通过自动高压调节的励磁装置，改变发电机励磁电流维持其端电压不变，还可 对发电机电压调节特性的倾斜度进行调整，以实现并联运行发电机无功负荷的合理分配。 1 1 3 自动调节励磁电流的方法 在改变发电机的励磁电流中，一般不直接在其转子回路中进行，因为该回路中电流很 大，不便于进行直接调节，通常采用的方法是改变励磁机的励磁电流，以达到调节发电机 转子电流的目的。常用的方法有改变励磁机励磁回路的电阻，改变励磁机的附加励磁电流， 改变可控硅的导通角等。这里主要讲改变可控硅导通角的方法，它是根据发电机电压、电 流或功率因数的变化，相应地改变可控硅整流器的导通角，于是发电机的励磁电流便跟着 改变。这套装置一般由晶体管，可控硅电子元件构成，具有灵敏、快速、无失灵区、输出 功率大、体积小和重量轻等优点。在事故情况下能有效地抑制发电机的过电压和实现快速 灭磁。自动调节励磁装置通常由测量单元、同步单元、放大单元、调差单元、稳定单元、 限制单元及一些辅助单元构成。被测量信号( 如电压、电流等) ，经测量单元变换后与给 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 定值相比较，然后将比较结果( 偏差) 经前置放大单元和功率放大单元放大，并用于控制 可控硅的导通角，以达到调节发电机励磁电流的目的。同步单元的作用是使移相部分输出 的触发脉冲与可控硅整流器的交流励磁电源同步，以保证控硅的正确触发。调差单元的作 用是为了使并联运行的发电机能稳定和合理地分配无功负荷。稳定单元是为了改善电力系 统的稳定而引进的单元。励磁系统稳定单元用于改善励磁系统的稳定性。限制单元是为了 使发电机不致在过励磁或欠励磁的条件下运行而设置的。必须指出并不是每一种自动调节 励磁装置都具有上述各种单元，一种调节器装置所具有的单元与其担负的具体任务有关。 1 2 同步发电机励磁系统在电力系统中的作用 在电力系统的运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用，它不仅控制发电 机的端电压，而且还控制发电机无功功率、功率因数和电流等参数。在电力系统正常运行 的情况下，维持发电机或系统的电压水平；合理分配发电机间的无功负荷；提高电力系统 的静态稳定性和动态稳定性。 1 2 1 电压调节功能 电力系统在正常运行时，负荷经常波动，影响机端电压，同步发电机的功率也发生相 应变化。随着系统负荷的比洞，需要对励磁电流进行调节以维持机端或系统中抹一点的电 压稳定在给定的水平。励磁控制系统担负了维持发电机端电压和系统电压水平的这一任 务。恒压调节是励磁调节的基本调节方式，励磁装置的其它高层控制调节功能，如p s s 控制功能，正常启停控制功能等，均是以恒定电压控制器为基础实现的【4 1 。 1 2 2 机组无功功率分配功能 电气距离很近进的多台发电机在母线上并列运行时，由于各发电机的自励磁控制器和 系统中其它的无功电压控制装置的共同作用，是母线电压变化很小，这时单独改变该发电 机所发无功功率，在没有人为干预的情况下，并列以男性的各发电机之间无功功率的分配 主要取决于母线电压水平和各发电机励磁系统的调差特性，即发电机端电压u f 和无功电 流i q 的关系，该特性与励磁控制系统的放大倍数和调差单元的设置密切相关。 1 2 3 强行励磁功能 在电力系统发生短路故障和其它原因是发电机端电压严重下降时，应对发电机进行强 行励磁，以提高电力系统的稳定性和机电保护动作的正确性，并改善大型电动机自行启动 和自同期时电力系统的工作条件。 1 2 4 改善电力系统的运行条件 ( 1 ) 加速短路切除后的电压恢复过程和改善异步电动机的启动条件 发生短路时，由于电压下降，故大多数电动机被制动。短路切除后，随着电压的上升， 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 电动机将开始自启动，由于启动电流较大，所以电压恢复较慢，这样又反过来影响自启动 过程的完成。发电机装有自动励磁控制器后，由于它能提高发电机的电压，因而可缩短电 动机的自启动时问，避免了过多的影响用户的工作，并使电力系统较快的恢复正常运行状 态。 ( 2 ) 改善自同期或发电机失磁运行时电力系统的工作条件 发电机自同期并列或失磁而转入异步运行时，将从系统吸收大量无功功率，使系统电 压下降，严重时甚至可能导致系统瓦解，在这种情况下，装有励磁控制其的其它发电机将 自动加大励磁电流，以提高系统电压，弥补系统中无功功率的不足。这样发电机的自同期 并列或异步运行时的条件便得到改善，并可减少对用户工作的影响。 ( 3 ) 防止水轮发电机突然甩负荷时电压过度升高 机组由于各种原因突然甩负荷时，随着转速上升，发电机钉子贿赂的电压可能上到危 险的程度。由于水轮发电机一般都装有强行减磁装置，可以在机组突然甩负荷时减少励磁 电流，故可防止过度升高。 ( 4 ) 过压保护功能 当机端电压大于额定电压的1 3 0 时，强行关断励磁，进行停机处理。 ( 5 ) 提高同步发电机并联的稳定性乜2 1 保持同步发电机的稳定运行时保证电力系统可靠性的首要条件。电力系统在运行中随 时都可能遭受到各种干扰，在受到干扰后，发电机组能恢复到原来的运行状态或过渡到另 一个新的运行状态，则系统是稳定的。其主要标志是在暂态过程结束后，同步发电机能维 持或恢复同步运行。所谓静态稳定性实质是运行点的稳定性。通常是指稳态时或在小干扰 下发电机通过输电系统稳定的输送功率的能力。暂态稳定性是指系统发生大干扰( 如短路、 接地、断线等) 后发电机或局部系统摇摆时维持系统不与其余部分失去同步的能力。灵敏 而又快速动作的调节装置可大大提高运行的近台稳定和输电线路的传输能力。在故障情况 下，控制器通过提高励磁电压，可是励磁电压上升到比额定值大的多的数值( 即强励) ， 从而改善了暂态稳定性能，这时现代励磁控制其的主要任务。 综上所述，励磁系统是电厂最为重要的辅助设备之一，在电力系统中起着十分重要的 作用。 1 3 同步发电机励磁控制器的发展 纵观国内外同步发电机励磁装置的发展，均经历了从小型到大中型，从不可控到可 控、从分立元件到集成化、从模拟到数字的变化，其控制规律也随着控制理论的发展，从 低水平的常规控制向高水平的智能控制方向发展。 1 3 1 励磁控制规律的发展变化 励磁控制器的控制规律的发展是同控制理论的发展相适应的，经过了由单变量到多变 量由线性到非线性，最后发展到智能控制阶段的过程。传统的“p i d + p s s ”的控制理论已 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 经非常成熟，并得到了广泛的应用，但是这种方式存在着定参数，线性控制规律，适应性 差的缺点和不足，近年来，针对这些问题，有学者提出了以自适应控制，智能控制为理论 基础的励磁控制器口1 。自适应的出发点是将系统的识别和控制结合起来，在线辨识控制对 象的参数或和结构，并进而调整控制器参数和或结构，使之能自动跟踪对象变化实现最 佳控制。智能控制是不依赖于对象系统的精确数学模型，而是基于某种智能概念模型将控 制理论和人的经验及知觉推理相结合，具有处理非线性、并行计算、自适应、自学习和自 组织等多方面的能力和优点。目前，智能型励磁控制方法大多尚停留在仿真计算阶段，少 数应用实例也仅是一些简单的实验性常识，欲推广其应用，还有大量的理论和实际工作要 做。 1 3 2 国内外微机励磁控制的发展概况 我国微机励磁控制其的研制比较早，2 0 世纪8 0 年代初就开始了微机励磁控制的研制 开发，近年来我国微机励磁系统以取得长足进步，装置软件丰富、调节保护和限制功能齐 全、可靠性高。双多微机自并励可控硅静止励磁系统已成功地在我国大型机组上投运。 2 0 世纪8 0 年代中期到9 0 年代初，随着嵌入式微处理器及其控制技术的发展，同步 发电机励磁装置发展迅速，船艇的继电路控制单元逐渐被微机励磁控制器所代替，电力部 电力自动化研究院于1 9 8 5 年研制了适用于大中型发电机的w l t - 1 型励磁调节器，它以8 位单片机为核心，采用p i d 调节。福州大学于1 9 9 0 年研制出s m e r - c 型微机励磁调节器， 采用8 位8 0 5 1 c p u ，具有多种调节、控制和限制功能，用于福建省内的大部分中小型发电 机组。这一时期的励磁装置以8 位的单片机为控制核心，以p i d 调节为主要的控制规律来 实现励磁控制，较之传统的模拟励磁装置在运算速度、控制精度以及控制算法方面有了很 大的改进。 从2 0 世纪9 0 年代初以来，随着计算机技术的迅速发展，国内外涌现出大量院校、研 究所和公司进行励磁装置的研究、开发和生产，微机励磁装置取得了长足的发展，软件丰 富、调节保护功能齐全、可靠性高，微机励磁控制技术趋于成熟。励磁装置的核心处理器 运算速度更快，集成化程度更高，主要有1 6 位和3 2 位两个类型，如：1 6 位单片机、1 6 或 3 2 位d s p ，p l c 、可编程计算机控制器p c c ，p c i 0 4 嵌入式控制器以及s t d 总线和p c 工控 机等。 1 3 3 微机励磁装置的发展趋势 我国的同步发电机励磁装置的研制和应用水平已达到了国际先进水平，励磁装置今后 的发展趋势是：在励磁功率单元方面，将采用更大功率的可控硅和便于控制的大功率可关 断三极管( i g b t ) 作为励磁装置的功率单元；在核心控制器方面，将采用高速3 2 位单片 机，数字信号处理器d s p 和可编程计算机控制器( p c c ) 等作为微机励磁控制器的主控芯 片，并且采用全数字的相移触发电路；在数据采集方面，将采用交流采样算法替代电量变 送器，以满足励磁系统的实时性要求；在控制规律方面，将向着智能控制方向发展引。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 1 4 微机励磁控制系统主要存在的问题 随着电子技术的发展，微处理器与计算机的功能不断增强，计算机及网络系统得到迅 速发展，工业自动化也有了很大的发展，计算机监控系统已从操作指导控制系统、直接数 字控制系统( d d c ) 、监督计算机控制系统( s c c ) 、集散控制系统( d c s ) 发展但现场总 线控制系统( f c s ) 。 伴随着这一趋势，电厂自动化程度也有了很大的提高，各大中型电厂正在积极对计算 机监控系统进行更新和改造，以实现水电厂的“无人值守 或“少人值班川3 8 1 。虽然微机 励磁已经取得了很大的成就，但在中小型励磁控制器也暴露出了一些问题。 1 4 1 智能数据处理功能 电厂经济运行对测控仪器的要求越来越高，因此，为适应对包括励磁控制在内的自动 化装置的更高要求，必须对励磁控制其进行智能化设计，使励磁控制器不但既有信息采集、 数据处理、数据传送和控制功能，而且使仪器具备在线监测及故障记忆功能，然而，要实 现以上功能必须采用数据处理能力相当高性能的d s p 或单片机，简单功能的单片机已不能 胜任智能励磁控制的要求。 在过去的几十年里，单片机的广泛应用实现了简单的智能控制功能，随着信息化的进 程和计算机科学与技术，信号处理理论与方法的迅速发展，励磁控制中需要处理的数据量 增加，对实时性和精度的要求越来越高，低档8 位单片机已不再能满足这些要求。近年来， 各种集成化的单片d s p 的性能得到很大的改善，价格却大幅度下降，这大大刺激了d s p 期间的应用。 1 4 2 可靠性 可靠性问题，涉及到软硬件和通讯的可靠性。针对硬件采取的办法是：尽量减少分 离元器件和中小规模集成电路，选用先进的高度集成的现场可编程器件( f p g a ) 或复杂可 编程器件( c p l d ) ，将分离的数字电路集成于一块可编程芯片中，这样可以减少印刷电路 板的尺寸、减低布线的密集度，从而减小器件问的干扰乜射。在软件方面，可采用高速数据 处理器d s p 对交流信号进行采样，用软件对信号进行滤波，从而提高抗干扰特性，并且用 软件对仪器进行在线检测。通讯方面采用现场总线技术( 如c a n ) ，为减小电路的体积， 提高可靠性，选用自身集成有c a n 总线控制器的处理器。 1 4 3 嵌入式系统开发问题 单片机自7 0 年代以来得到了广泛应用，丌发单片机所用的基本工具是仿真器、汇编 器、编程器。在进行单片机开发工作时，对开发人员提出了多方面的要求，开发人员既要 精通软件、硬件，又要具有系统设计的概念，还要具有一定的电子线路工艺方面的知识和 经验。这种基于汇编语言编程设计的代码可读性、可继承性差，是一种手工生产方式。采 用汇编语言丌发，参加的人员增多，效率反而会下降。这时开发较简单的系统还可以应付， 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 但要面对高性能复杂的控制系统，将会遇到很大的困难。 目前单片控制其芯片性能大幅度提高，寻址能力可达6 m - 一3 2 m ，偏内r o m 可达2 8 l ( _ 5 1 2 k ，硬件可适应复杂的系统要求；编成可采用高级语言一般为c 语言。 采用高级语言后，在开发方式上产生了根本性的变化。同一般软件工程一样，将系统 分析员、系统设计员和程序员分离，系统分析定义应用系统的功能，系统设计员设计电路 硬件并定义软件的功能模块，程序员之要求具有c 语言的基础，就可以在开发平台上完成 复杂的应用系统编程1 。开发者分工合作，使嵌入式软件的开发进入规模和产业化生产。 1 4 4 人机接口 目前的励磁调节器调试工作一般都繁重复杂，既要进行励磁相关参数的设置，监控 励磁系统的状态又要进行故障记录。而且目前采用的较多的是l e d 、数码管显示和简单的 小键盘操作，这样简单的操作可作为简单的运行显示，但对复杂的运行调试却显得不足。 有好的人机界面可以准确、直观的为调试服务，可以大大简化励磁的调试工作和故障查找 的工作量。 1 5 课题的提出和本文主要内容 1 5 1 课题的提出 根据国内外励磁控制器的发展来看，采用不同控制核心、不同的硬件平台的各种励 磁其具有各自的优缺点。 采用单片机作为控制核心的励磁控制器具有结构简单、体积小、成本低的优势，但 是由于励磁装置的开发要设计开发大量的硬件，生产过程受到远见选择、检测、焊接和生 产工艺的限制，造成励磁装置的可靠性降低，甚至在运行中出现单片机死机，装置失灵等 故障，影响了装置的安全可靠运行，并且早期的单片机励磁装置采用汇编语言编程，程序 的可读性差，可继承性差，不便于装置功能的扩展，很难实现友好的人机界面，励磁控制 器的研究和开发时间很长。 基于工控机的微机励磁调节器，其硬件标准化程度高，软件资源丰富，有实时操作 系统支持，运行速度快，是实行强，图文显示方便，但装置体积大，成本高，仅适合大型 机组。 p l c 、p c c 的等为硬件平台的励磁控制器，各类功能已经模块化，比如在p l c 、p c c 中 有c p u 模块、模拟量输入输出模块，开发人员只需要根据励磁系统的要求选取各类功能的 模块，进而将他们连在一起构成励磁控制器的硬件平台，这种方式缩短了产品的开发周期， 有利于实现系统的通用化、标准化和硬件升级与扩展，提高了装置的可靠性，但p l c 由于 其难以满足同步发电机励磁调节中同步信号周期测量及产生可控硅移项触发脉冲的要求， 仅作为单片机励磁调节器的外围附加控制模块实现一些开关量控制功能而难于成为励磁 控制器的核心哺1 ；p c c 由于偏内资源的限制，用其实现对电器两的交流采样和实时计算尚 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 有困难，还需要附加对这对电信号有一定延迟时间的电量变送器才能完成对电气量信号的 采集，这就是控制运行的实时性在一定程度上受到影响，加之其造价较高，给在中小电站 推广应用带来了一定的困难。 另外，由于励磁控制器的控制算法的不断的发展和各种附加控制要求的提出，对励 磁控制器主控芯片的要求越来越高。影响一些先进的励磁控制方法如非线性最优控制和智 能控制应用于实际的一个最大原因是目前大多数励磁控制器的控制核心单元处理速度不 能适应这些控制方法对运算速度的要求。 为了克服上述励磁装置中所存在的不足，应用励磁控制器发展的要求，本文提出了 一种以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为控制核心的d s p 励磁控制器。该控制器较之单片机、工控机、 p l c 、p c c 为控制核心的微机励磁控制器具有以下优点： ( 1 ) 数字信号处理能力强。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 属于1 6 位的定点d s p ，具有哈佛结构、流 水线结构、硬件乘法器等特点，这些使得d s p 具有点片机及其他处理器无法比拟的数字信 号处理能力和运算速度。 ( 2 ) 硬件电路设计简单。在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 内集成有大量的片外设：1 0 位的a d 转 换器、p 1 】| m 电路、增强捕获功能的单元、大容量的存储器，这些为简化硬件电路的设计、 进行交流采样、发出控制脉冲提供方便。 ( 3 ) 网络互连能力强。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片具有高速串并端口及c a n 口。这些可以保 证国内励磁装置与监控设备之间的信息交换，实现网络的互联，满足电厂自动化发展的要 求。 ( 4 ) 性价比高。近年来，各种集成化的单片d s p 的性能得到很大改善，价格却大幅 度下降，从工程实际看，但片机已不再具有价格优势，这大大刺激了d s p 器件的应用。越 来越多的单片机在工业控制中的应用。 正是由于上述优点，我们采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为核心进行励磁控制器的研究和开发， 该控制器具有运算速度快，继承度高，网络互连能力强、性价比高等优点，完全可以满足 励磁系统的要求，适应励磁系统的发展趋势。 1 5 2 本文的主要内容 本文简明扼要的介绍了d s p 励磁控制器的硬件和软件组成以及实现d s p 励磁控制器 的过程。主要内容如下： 1 ) 本文第二章对励磁控制器的总体设计方案进行了概述，说明了励磁控制器个部分 的硬件构成。然后介绍了选用的芯片特性，并详细说明了励磁控制器硬件电路的工作原理。 2 ) 在完成硬件设计的基础上，对励磁控制系统进行了软件设计。本文第三章介绍了 该系统软件的组成部分及各部分作用，给出了主体和各部分的软件流程图。在a d 转换完 成后比较了各种软件滤波方法并为本系统选择了最佳的滤波方法。在控制调节模块中简单 介绍了p i d 调节方式，并选用了增量式算法作为本系统的控制算法。 3 ) 本文第四章主要阐述了对该d s p 励磁控制器的实验过程及结果分析，并介绍了该 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 d s p 励磁控制器的技术特性及指标。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章d s p 励磁控制系统硬件设计方案 同步发电机的励磁系统主要由功率单元和调节器( 装置) 两大部分组成。其中励磁功 率单元是指向同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的励磁电源部分，而励磁调节器则是 根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出的装置。由励磁调节 器、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统称为励磁系统控制系统。励磁系统是 发电机的重要组成部份，它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。 本章首先对励磁控制器的总体设计方案进行了概述，说明了励磁控制器个部分的硬件 构成。然后介绍了选用的芯片特性，并详细说明了励磁控制器硬件电路的工作原理。 2 1 励磁控制器总体设计 本文中的励磁控制器主要是针对主励磁系统为绝缘栅型场效应管( m o s f e t 管) 励磁 系统而设计的。这种主励磁系统的特点是电源取自永磁发电机，经整流后送到发电机励磁 绕阻中。这种励磁方式与其它具有旋转电机的励磁系统相比，由于省去了旋转的励磁机， 具有结构简单、造价低廉、性能可靠等特点，已经被广泛采用。本文所设计的励磁系统主 要由电压检测、a d 转换、总线收发器、d s p 、m o s f e t 驱动、故障保护、三相整流和频率捕 捉等几个单元构成，如图2 1 所示： 图2 1 系统整体结构图 图2 1 为系统整体结构图，左下脚发电机部分，l 为发电机转子绕组，2 为励磁机转 子绕组，3 为副励磁机定子绕组，4 为励磁机定子绕组，5 为发电机定子绕组。三相交流 输出经过电压检测电路输入到a d 转换芯片a d 7 8 6 2 中，1 6 位的转换结果通过总线收发器 与d s p 通信。电压检测电路的主要部分是三个y 形接法的变压器，它们将11 5 v 的交流电 降低到5 v 左右。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 副励磁机定子绕组输出的1 2 v 三相交流电经三相整流电路得到2 8 v 未稳压的直流电压 给励磁绕组供电。由于m o s f e t 管与励磁绕组串联，当d s p 发出占空比可调的p w m 4 脉冲来 控制q 2 的关断时间时，励磁绕组中的电流也相应地发生变化，从而改变发电机主绕组输 出。 图2 1 中的频率捕捉电路主要是通过一个比较器将反馈绕组中的某一相正弦波整形 成方波，再通过d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的捕获引脚c a p 4 将方波信号输入。将t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的捕获单元设定在下一个上升沿到来时触发一次中断，这样就能精确地测得发电机输出电 压的周期或频率。 当发生过压或欠压等故障时，i o p c 6 、i o p c 7 由低电平变成高电平，经过故障保护电 路将m o s f e t 管关闭，从而保护系统。 2 2 励磁主控芯片部分 本励磁控制器选择美国德州仪器公司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片作为运算控制核 心，是因为它具有运算速度快，适应实时处理大量数据的复杂数学运算。把它运用到谐波 检测电路和p w m 控制电路中，对于实时处理大量采集数据、增加系统抗干扰能力、提高系 统可靠性和减小系统体积无疑有很大的好处，下面对d s p 作简要的介绍： 2 2 1d s p 芯片的发展 数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的 发展。虽然数字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初 世界上第一片单片可编程d s p 芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系 统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特 别适合于进行数字信号处理的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理 算法。根据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内有快速r a m ，通常可以通过独立的数据总线在两r a m 块中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持： ( 5 ) 快速的终端处理和硬件1 1 4 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作多个硬件地址产生器； ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作和以重叠执行。 第一个采用c m o s 工艺生产浮点d s p 芯片的是同本的h it a c h i 公司，它于1 9 8 2 年推出 浮点d s p 芯片。1 9 8 3 年日本的f u j i t s u 公司推出的m b 8 7 6 4 ，其指令周期为1 2 0 n s ，且具 有双内部总线。从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一个高性能浮点d s p 芯片应 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 是a t & t 公司于1 9 8 4 年推出的d s p 3 2 。 与其它公司相比，m o t o r o l a 公司在推出d s p 芯片方面相对较晚。1 9 8 6 年，该公司推 出了定点处理器m c 5 6 0 0 1 。1 9 9 0 年，推出了与i e e e 浮点格式兼容的浮点d s p 芯片m c 9 6 0 0 2 。 美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s ) 在d s p 芯片市场上也占有一定的份额，相继推 出了一系列具有自己特点的d s p 芯片，其定点d s o 芯片有a d s p 2 1 0 1 2 1 0 3 2 1 0 5 、 a d s p 2 111 2 11 5 、a d s p 2 1 6 1 2 1 6 2 2 1 6 4 以及a d s p 2 1 7 1 2 1 8 1 ，浮点d s p 芯片有 a d s p 2 1 0 0 0 2 1 0 2 0 、a d s p 2 1 0 6 0 2 1 0 6 2 等。 自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用越来越广泛。d s p 芯片的飞速发展也使得d s p 系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。 2 2 2d s p 芯片的现状 d s p 发展到今天，大致可按照三种不同的分类方式来归类：第一，根据d s p 芯片工作 时钟和指令类型分为静态d s p 芯片( 指在某时钟频率范围内的任何时钟频率上，d s p 芯片 都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能下降) 与一致性d s p 芯片( 指两种或两种 以上的d s p 芯片，它们的指令集合相应的机器码管教结构相互兼容。) 第二，按数据格式 分为定点d s p 芯片( 数据以定点格式工作) 与浮点d s p 芯片( 数据以浮定点格式工作，不 同浮点d s p 芯片所采用的浮点格式完全不一样) 。第三，按用途分为通用型d s p 芯片与专 用d s p 芯片。本文以t i 公司最新推出的电机控制专用d s p 芯片为控制核心。 2 2 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 主要特点 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 s 是t i 公司推出的高性能1 6 位数字信号处理器，是2 4 x 家族中的一员， 是定点d s pc 2 0 0 0 平台系列中的一员。 专门为电机控制与运动控制数字化优化实现而设计，特别适合于电动机的高性能控 制。它集c 2 x x 内核增强型t m s 3 2 0 设计结构及适用于电机控制的低功耗、高性能、优化外 围电路于一体，c p u 内部采用增强型哈佛结构，四级流水线作业，几乎每条指令可在3 3 n s 完成。 本文采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为主控芯片实现了以下功能： ( 1 ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 处理器的运算数度快，数据处理能力强，能胜任脚法砸的数据处 理任务且价格便宜，能够完成励磁控制器的控制功能。 ( 2 ) 片内有高达3 2 k x1 6 位的f i a s h 程序存储器( e e p r o m ，4 扇区) ；高达2 5 k x 1 6 位的数据程序r a m ，使用片内存储器不需要外扩片外存储器就可存储大量的程序、数 据，简化了硬件结构，提高了系统可靠性的同时降低了硬件成本。 ( 3 ) 具有两个时间管理模块e v a 和e v b ，每个均包括以下资源：两个1 6 位通用定时 器；8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 通道；对外部时间进行定时捕获的3 个捕获单元；1 6 通道 的同步a d 转换器等。利用e v