（电气工程专业论文）基于dsp同步发电机电压和频率控制系统的设计研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位摘要 摘要 同步发电机有功功率及无功功率调整传统上主要是通过手动、半自动调整装置 来实现。由于普遍采用半控器件晶闸管进行调整存在精度低、时间常数较大等缺点。 本文在此基础上通过对有功功率、无功功率功率调整理论的研究，建立了基于脉宽 调制的直流电动机一同步发电机控制系统的数学模型并进行了仿真研究，用脉宽调 制控制技术技术取代移相控制，利用全控器件电力场效应管代替晶闸管，实现发电 机励磁控制、原动机输入功率调整模拟。 在仿真研究基础上，完成了基于d s p 的硬件实验系统及软件实验系统的制作、 安装以及调试工作。整套实验系统采用t id s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字信号处理器、 l r 公司的i r 2 1 1 7 、电力场效应管i r f 4 6 0 以及瑞特电器公司生产的直流电动机一同 步发电机机组组成，经仿真、调试，系统性能良好，达到预期效果。 关键词：d s p , 仿真，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，功率调整， a b s t r a c t t r a d i t i o n a l l y , w eu s em a n u a la n dh a l f - a u t oa d j u s t m e n te q u i p m e n tt oa d j u s tt h ea c t i v e a n dr e a c t i v ep o w e ro ft h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o r b e c a u s eo fu s i n gt h y r i s t o r st oa d j u s t ，t h e a d j u s te q u i p m e n th a v el o wp r e c i s i o na n dn e e dl o n gt i m et oa d j u s t t h i sa r t i c l eb u i l d e dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l sw h i c hb a s e do nt h ed cm o t o ra n ds y n c h r o n o u sg e n e r a t o rc o n t r o l s y s t e ma n dh a dt h es i m u l a t i o ns t u d y i nt h i sa r t i c l e ，i tu s e ds e l ft u r n - o f fa p p a r a t u si n s t e a do f t h y r i s t o r st or e a l i z et h ee x c i t a t i o nc o n t r o la n di n p u tp o w e ro ft h ep r i m em o v e r b a s e do nt h es i m u l a t i o ns t u d y , t h i sa r t i c l ef i n i s h e dt h em a n u f a c t u r ea n dt h ed e b u go f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ee x p e r i m e n ts y s t e m ，t h ew h o l ee x p e r i m e n ts y s t e ma d o p t e dt i d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ra n dd cm o t o ra n ds y n c h r o n o u sg e n e r a t o r p r o d u c e db yr i g h te l e c t r i c a le q u i p m e n tc o l t d a f t e r s i m u l a t i o n p r o c e s s o r s a n d e x p e r i m e n t a t i o n s ，i t c a nb e p r o v e d t h a tt h e s y s t e mh a sa c q u i r e dt h ep r e f e r a b l e p e r f o r m a n c ea n dt h et h e s i sh a so b t a i n e dg o o dr e s u l t s k e yw o r d s ：d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ( d s p ) ，s i m u l a t i o n ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ， p o w e ra d j u s t m e n t ， h ut i e j u n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ih e m i n g 声明尸叫 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文d s p 同步发电机电压和频率控制 系统的设计研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盔砑年日 期：车豳p 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 期： 导师签名： 日期： 徊 碑上上秒 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1研究背景 第一章引言 大力推进精品课程体系建设，转变以往的传统教学模式，以技能教学为主，突 出实践性教学环节，逐步建立任务引领型的教学模式是山东省电力学校( 山东电力 技能培训中心) 实现“一强三高”全国一流目标、打造学校核心竞争力的必然要求。 山东电校电力系统及其自动化专业电机、电力电子电气运行、电力系统 自动装置等课程中，发电机有功功率与无功功率综合调整是教学难点。为提高职 工常规教学水平和学生的学习效果，急需研发发电机有功功率与无功功率调整综合 调整装置。 依据山东电力集团公司十一五职工培训规划、山东电力集团公司实训基地 3 年规划，山东电力技能培训中心( 山东省电力学校) 为保证电网安全运行，提高 电能质量，保证各发电公司、供电公司职工的有功功率平衡、电压稳定等运行水平， 保障山东电力职工电气值班员、集控值班员、调度值班员、电机检修工等工种技能 培训和鉴定效果，研发高水平仿真装置成为急需解决的课题。 目前，发电厂无功功率调整因机组容量的不同，配备不同型号的励磁装置。发 电机升压、正常的电压( 无功功率) 调节，通过手动调整串联在励磁机励磁绕组回 路的电阻完成。故障发生时发电机出口电压急剧下降，导致无功出力不足，不同容 量( 型号) 的发电机分别采取不同型号的自动调节励磁装置来实现强行励磁，以保 证系统的电压水平。发电厂发电机有功功率调整，主要是通过手动、半自动调整汽 轮机汽门来实现，汽轮机汽门的电动控制因机组容量的不同配备不同型号的控制电 机，由运行人员通过调节伺服马达实现。以上系统均是大功率、综合型装置，侧重 于安全、经济、稳定调控，出于经济运行、安全生产的基本要求，不可用于培训、 教学。 国内外职工教育、职业技术培训的实施中，不断有新的同步发电机电压调整、 频率调整实验装置面世。虽然各种各类装置从控制原理方面来说，最后都是通过调 整发电机励磁电流主要实现对发电机电压、无功功率的调整，调整发电机的原动机 ( 如汽轮机、直流电动机) 的输入功率主要实现对发电机频率、有功功率的调整， 但这些装置大都是利用手动调整，或者借助于早期的电力电子技术装置实现。 电力电子技术近年来迅猛快速发展，为电气自动化技术的进步提供了先进的基 础元件和支撑技术。正是基于以上原因，我们选定了这个研究方向，目的是把我们 工作单位的科研实际和研究生学习期间所学到的知识有机结合，以达到学以致用， 华北电力大学工程硕士学位论文 服务于生产实际的目的。 1 2 国内外研究现状 1 9 6 4 年a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 首先把p w m 控制这项通讯技术应用到交流 传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。但是受电力电子器件发展水 平的制约，在上世纪8 0 年代以前一直未能实现。直到进入上世纪8 0 年代，随着全 控型电力电子器件例如电力电子m o s f e t 器件的出现和迅速发展，p w m 控制技术 才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种 新的理论方法电力电子技术近年来的迅猛快速发展，全面消化p w m 控制技术，利 用直流斩波电路，结合电气测量技术、自动控制理论，实现发电机励磁控制、原动 机输入功率调整模拟，日益成为电力系统及其自动化专业教学改革努力的方向之 发电机有功功率与无功功率调整、控制实验电路的实现，在国内可分为两大方 式：一种是比较原始的全手动调节方式，无功功率调整主要通过与发电厂正常运行 调节相同的方式，即手动调整串联在励磁绕组回路的电阻完成，不考虑故障发生后 的处理；有功功率主要通过手动调节发电机的原动机( 直流电动机) 的并联励磁电 路电阻，以改变原动机( 直流电动机) 的输入功率来实现。另一种是伴随电力电子 技术发展而出现的较为先进实验电路，以浙江亚龙教学仪器有限公司、河北瑞特教 学仪器有限公司生产的专用定型产品，无功功率调整主要通过手动调整串联在励磁 绕组回路的电阻完成，不考虑故障发生后的处理。有功功率调节通过p w m 集成控 制器、大功率m o s f e t 来控制原动机( 直流电动机) 完成。 本课题拟采用第二种方式，自行研究开发“发电机电压和频率仿真控制电路”。 1 3本文的主要工作： 本课题主要做了以下工作： 1 ) 首先对发电机无功功率调整及有功功率调整的基本理论进行了研究，明确 确定了“发电机电压和频率仿真控制电路”的设计思路：( 1 ) 采用直流电动机作为同步 发电机的原动机，直流电动机转速( 输入功率) 调节用来模拟火( 水) 力发电厂的 汽( 水) 门控制。以直流电动机的输入电压作为控制量，因直流电动机与同步发电 机同轴，其转速n 与同步发电机的电压、电流的频率f ( 同步发电机并列后系统的 频率) 之间符合n = o u _ e 口l _ ，因而可取反映直流电动机的转速的测速发电机的电压作 为反馈信号。当外部负荷变化等原因引起同步发电机的端电压、频率发生变化，电 机转速也会相应发生变化，出现转速( 频率) 增大( 减小) 时，测速发电机的电压 2 华北电力大学工程硕士学位论文 作为反馈信号将这种变化反馈到闭环控制器的输入端，闭环控制器用脉冲宽度调制 的方法，把恒定的直流电动机电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列， 从而可以改变平均输出电压的大小，使加到直流电动机电枢绕组的平均电压出现减 小( 增大) ，因此电机转速减小( 增大) ，稳定地返回给定的额定值，从而控制直流 电动机的转速和发电机输出功率保持稳定，使得同步发电机端电压、频率恒定，以 完成发电机输出频率的自动调节过程。( 2 ) 将同步发电机的励磁电压作为控制量，同 步发电机定子的端电压作为反馈信号。当该发电机定子的端电压发生变化，出现增 大( 减小) 时，将这种变化反馈到闭环控制器的输入端，控制器自动调节脉宽调制 波( p w m ) 的占空比，使发电机的励磁绕组的电源电压减小( 增大) ，进而调节同 步发电机的励磁电压，从而改变发电机的励磁电流，保证同步发电机的输出电压在 一定范围内保持稳定。利用两台装置分别控制同步发电机励磁电压和直流电动机的 端电压，可实现同步发电机励磁以及原动机转速和输出功率的协调控制，以最终实 现对发电机有功功率、无功功率的稳定调节、控制。 2 ) 建立了实验装置中直流脉宽调速系统的数学模型并进行了仿真。首先分析 了p w m 控制电路基本原理，在此基础上建立了数学模型，并对实验装置中直流电 动机同步发电机组建立了数学模型；对系统闭环动态调节特性进行了仿真研究，并 对其频率特性及其对阶跃函数的响应进行了仿真研究，设计了比例积分环节以增加 系统动态特性稳定并进行了仿真验证。 3 ) 完成了以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片和i r 公司p o w e rm o s f e t i r f p 4 6 0 的驱动控制系统的软硬件设计、制作和调试，并进行了实验验证，效果良好。 本课题利用d s p 芯片的事件管理器单元( e v a e v b ) 产生p w m 控制信号对大功率 开关电路进行控制，进而实现对同步发电机有功功率、无功功率的调整、控制。该 方案指导下制作的实验装置，紧密结合生产现场实际，同时符合教学、培训规律， 原理性强，实用性好，针对性突出。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章功率调整的基本理论 2 1 无功功率调节理论 电力系统中的负荷包括有功负荷和无功负荷。因此，同步发电机与系统并列运行 时，不但要向系统供给有功功率，而且还要向系统供给无功功率。系统的无功功率( 均 指感性) 不足时，会导致系统电压的下降。 2 1 1 无功功率的功角特性 同步发电机输出的无功功率为： q = m u i s i n 9 ( 2 1 ) 图2 1 为隐极发电机不计定子绕组电阻的相量图，由图可见 x fs i n c p = e o c o s 8 一u i s i n c p = ( 毛c o s 8 一u ) x , ( 2 2 ) 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 得 q = m 型c o s 万一垅堡 ( 2 3 ) 图2 1 隐极发电机的相量图 上式即为无功功率的功角特性。无功功率q 与功角万的q = 厂( 艿) 曲线如图2 2 所 示。为便于比较，图中还画出了有功功角特性= f ( 8 ) 曲线。从图2 3 可以看出，当 励磁电流保持不变时，有功功率的调节会引起无功功率变化。如发电机原运行功角特 性的a 点，此时的功角为万。，输出的电磁功率为，且此时输出的无功功率为q 。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 2 隐极发电机的有功功率和无功功率的功角 现输入功率增大，功角增大为吮，输出的电磁功率相应增大为，然而输出的无功功 率n d , n 蜴。由此可见，保持励磁电流不变，输出的有功功率增大时，会引起输出的 无功功率减小；反之，输出的有功功率减小时，会引起输出的无功功率增大。 2 1 2 无功功率的调节 在保持输出有功功率不变，定子电流随励磁电流变化而变化的情况，由公式 e o = 矽+ 成可作出相量图，如图2 3 所示。不计定子绕组电阻，此时电磁功率等于输 出功率，& ：垅u 1 c o s 妙：m 型s i n 万：常数，即，c o s 伊：常数，无论励磁电流如何变化， 定子电流，在坐标上的投影不变；则，的端点轨迹在召一b 。直线上； i ： 图2 3 调节励磁电流时发电机的电动势 e os i n 8 = 常数电动势或的端点轨迹在彳一a 直线上。 现分析如下： ( 1 ) 当励磁电流0 = 0 2 时，相应的电动势为，此时的，与u 同相位，功率因数 5 华北电力大学工程硕士学位论文 e o s 簟o = 1 ，定子电流只有有功分量，且其值最小，。发电机只输出有功。此状态下的励 磁称“正常励磁”。 ( 2 ) 增大励磁电流，使i i l i ，2 ，则e o l e 0 2 ，功率因数变为滞后，定子g g 流i l 除 有功分量b 不变外，还增加了一个滞后的无功分量，即在输出有功功率不变的同时还向 系统输出感性无功功率。此状态下的励磁称“过励”( 也称之为迟相运行) 。显然，“过励” 较“正常励磁”时的功角减小了，这将提高发电机运行的静态稳定。当然，增加感性无功 功率的输出，将受励磁电流和定子电流的限制，均不得超过额定值。 ( 3 ) 在正常励磁的基础上，减少励磁电流，使，3 i s 2 ，则e 0 3 时，发电机处于过励磁运行状态，向系统输出无功功率，此时，功角万 o u s d 值显得相当小。若励磁电流越大，向系统输送的无功q 和定子电流j 也越大，c o s 棚0 越 小，此时最大励磁维持电流不应超过转子的额定电流。 r r 当e o 时，发电机处于欠励磁运行状态，从系统吸收无功功率，励磁电流眵 o u s 0 越小，从系统吸收的无功功率q 越多，定子电流，和功角弛越大，c o s 棚0 越小。最小 励磁电流，厂m i n ，由万= 艿一= 9 0 9 决定。 有功负荷越小，发电机从系统吸收最大无功功率时所需的励磁电流也越小。没有有 6 华北电力大学工程硕士学位论文 功负荷时，励磁极限最小电流等于零。发电机在进相运行时，励磁电流应大于最小励磁 电流0 曲。 图2 4 同步发电机的v 形曲线 从相量图可知，对应于每一个给定的有功功率，调节励磁电流使c o s c p = l 时，定子 电流有最小值。这时，调节励磁电流( 无论增大还是减少励磁电流) 都将使定子电流增 大。把定子电流随励磁电流，变化的关系绘成曲线，这就是图2 4 所示的y 形曲线。 对应于不同的有功功率，有不同的矿形曲线。如图当输出有功功率改变时，如p = o ，p = p l ， p = p 2 p l 矿，定子电流j 滞 后或9 0 。相位，相量图如图2 5 ( b ) 所示。同步发电机向电力系统输出感性的无功功率，此 时的励磁状态为“过励”。 ( 3 ) 当在“正常励磁”的基础上减小励磁电流时，则e o 矽，定子电流，超前或9 0 。相 位，相量图如图2 5 ( c ) 所示。欠状态同步发电机从电力系统吸收感性的无功功，此时的 励磁状态为“欠励”。如图2 4 中p = 0 曲线欠励部分。 2 2 有功功率调节理论 2 2 1 功率平衡和转矩平衡 同步发电机由原动机带动旋转，从转轴上输入机械功率弓，扣除发电机的机械损 耗p 。矿铁y l ip n 、附加损耗p 耐( 带励磁机的要除去励磁机的输入功率，记作励磁损 耗p o 旷) 后，通过气隙磁场传递到定子三相绕组中称为电磁功率。电磁功率r 扣除 定子绕组的铜耗p a 后，便是发电机输出的电功率只，即 厶= 只一( p ，。+ p 屁- i - p 耐) = 日一p o ( 2 - 4 ) 式中，p o = p 。+ p n - i - p 。d 为空载损耗，发电机空载运行时就已存在。 华北电力大学工程硕士学位论文 乞2 屹p c h 因定子绕组的电阻很小，略去定子绕组的铜耗p 函则有 昱匕= m u i c o s 口a ( 2 5 ) 将式( 2 4 ) 两边同除以q = 2 万i n ，得到发电机转矩平衡方程式为 o u 旦：堕鱼 q q q 五= r o + f ( 2 6 ) 式中五原动机输入转矩( 驱动性质) ； 瓦一一发电机空载转矩( 制动性质) ； r 一一发电机电磁转矩( 制动性质) 。 式( 2 6 ) 表明，发电机负载运行时，从原动机输入到发电机的转矩正，克服电磁 转矩z 做功，将机械能转换成电能输出。 电磁功率昂是发电机进行机电能量转换的关键量，它还可以表示成功角万的函数， 称为功角特性= f ( a ) 。 由隐极发电机的相量图可知，阢c o s 伊= e os i n 8 ；i c o s 缈= e os i n s x ，将其代入式 ( 2 5 ) ，得功角特性表达式为 匕：m e o _ _ e u s i n 艿 ( 2 7 ) p m 、肌 i i 一。 2 图2 6 隐极同步发电机的功角特性 隐极同步发电机的功角特性曲线乓= ( 万) 如图2 6 所示，它与系统并列运行时，系 统电压u 是恒定的；若励磁电流不变，则空载电动势也是不变的；因此其电磁功率( 即 发出的有功功率) 是功角的正弦函数。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 当功角在0 万 9 0 。区间，电磁功率随万的增大而增大； 当功角万= 9 0 。时，电磁功率为最大，即为一，此值称功率极限值； 当功角在9 0 。 万 1 8 0 。时，电磁功率由正变为负值说明发电机不再向系统输出有功功率， 反而从系统吸收有功功率，即由发电机状态变为电动机状态。 从以上分析看出，功角万是研究同步发电机并列运行的一个重要物理量。它有双重 的物理意义：一是励磁电动势或和端电压矽两个时间相量之间的夹角；二是励磁磁动 势岛l 和定子合成等效磁动势走两个空间相量之间的夹角。由于无对应于t l ，定子合 成等效磁通无( 由主磁通、电枢反应磁通和漏磁通合成) 对应于建。f f l 超前e 0 9 0 。，端 电压矽与合成等效磁动势霆相对应，即是超前d 9 0 。因此，它们有如图2 7 ( a ) 所示的 关系。 ： 甄 ( a ) 食成等效磁板轴线 ( b ) 图2 7 功角的物理含义 ( a ) 相量图：( b ) 功角的空间示意 图2 8 有功功角特性曲线 功角艿不为零时，转子磁极和定子合成等效磁极间的通过气隙的磁力线被扭斜，产 l o 华北电力大学工程硕士学位论文 生了磁拉力，这些磁拉力具有力臂，形成电磁转矩将两磁极联系在一起。转子励磁磁动 势在原动机拖动下以同步速旋转，定子合成等效磁动势被励磁磁动势“拖”着同步旋转， 如图2 7 ( 1 3 ) 所示。在励磁电流不变时，在0 万 0( 2 8 ) d 6 这就是同步发电机静态稳定的条件。我们把罢筝称为比整步功率。 d d = 等= m 等删 像9 ) 上式说明功角万愈小，比整步功率愈大，发电机的稳定性愈好。 图2 9 同步发电机静态稳定分析 由上述分析可知，功角在0 万 9 0 。区域，发电机是静态稳定的，功角在 9 0 。 万 1 8 0 。是静态不稳定的。因此，发电机正常运行时所能发出的功率，不但要考 虑发电机本身温升的限制，而且还要考虑发电机的稳定性。因此，要求发电机的功率 极限值一比额定功率尸大一定的倍数，这个倍数称静态过载能力，即 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 k = 警2 击 协 在实际运行中，发电机应在稳定极限范围内运行，且应留有足够的静态稳定储备， 一般要求k 。= 1 7 3 ，与此对应的发电机额定运行时的功角万、，= 2 0 。3 5 。左右。从 以上分析知道，k 。愈大发电机的稳定性愈好，但是，k 。值提高，额定功角万必须减 小，而减小万的途径是增大玩或是减小同步电抗x t 。前者需增大励磁电流，将引起励 磁绕组的温升提高；后者需加大气隙，导致励磁安匝数的增加，电机尺寸加大，电机 造价也随之提高。因此，根据发电机运行提出的要求，设计制造发电机时应综合考虑。 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章直流脉宽调速系统的数学模型及仿真 3 1 脉宽调制电路的数学模型 若用t 表示开关的脉冲周期，t o n 表示其导通时间，n 表示高频变压器的变比， 在脉冲周期一定的前期下，功率变换器的最后输出电压v p 和输入电压的关系可 用下式表示： 。 踟：! 筝v ：1 万班( 3 - 1 ) 式中： 6 = 警为脉冲电压v o 的占空系数。 上式表明，输入电压或输出电压发生变化时，如电网电压升高或负载变化使输 出电压升高或降低时，只要适当控制占空系数6 ，就可以使输出电压v o 保持不变。 图3 1 中控制电路的作用就是实现这个功能，脉宽调制器是核心，它能产生频率固 定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制开关功率管的通断状态，从而来调节输出电压 的高低，达到稳压的目的。锯齿波发生器用于提供恒定的时钟频率信号。利用误差 放大器和p w m 比较器形成闭环调压系统。如果由于某种原因使v r o 升高，脉宽调制 器就改变驱动信号的脉冲宽度，亦即改变开关管的占空比6 ，使斩波后的平均值电 压下降。反之亦然。 幼_ t - - 7 , 辘乞 图3 1 基本工w - 原理框图 p w m 变换器的输出传递函数： ， w p w m = k l s p w 】r m ：( 3 - 2 ) 其中：t = 1 f _ “1 9 2 k ；= 等； u d _ p w m 变换器的输出电压； 华北电力大学工程硕士学位论文 吃：孕掌配 = f ( 3 - 3 ) u s 为加在电机两边的电压： 鲁：了t o l l ( 3 - 4 ) u r 当争= 1 时，= 以，即占空比取最大值时，= u 也取得最大值2 2 0 v ； 也：p w m 变换器的控制e g 玉，由p w m 型集成控制器s g 3 5 2 4 知q = 5 v ； 所以有上式可得：砟榭= 4 4 ， 砟蹦2 与4 4 ； 1 9 2 0 0 0 3 2 直流电动机的数学模型 直流电动机同步发电机组的型号、参数见表3 ：1 所示： 确定电机内阻： r o = ( j 1 口j 2 ) 鼍等 ( 3 - 5 ) 其中、i n 、r 为电机额定值 咒3 8 5 9 ) 电枢电感l 经测量知：l = 3 4 m h ， 由电机参数手册知：g d 2 = 0 0 0 7 5 n m 2 疋= 两g d 西2 r o ( 3 6 ) 其中e ：u n - z n r n 0 1 0 7 7 l q = 9 5 5 c 。1 0 2 1 小翥器一o 咖， z ：l 0 0 0 0 8 8 咒 由此可得，直流电动机的传递函数为： 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 2 丽南而2 9 3 5 ( 3 - 7 ) 表3 i直流电动机同步发电机组的参数 品名型号 额定参数其它参数备注 励磁电压： 2 2 0 v ；励磁电 额定功率：1 8 5 w ； 流：耋0 1 6 a ；电 直流并励电动机 i 汀d j 3 2 额定转速：1 6 0 0 r m枢电压：2 2 0 v ； 电枢电流： 耋1 2 5 a 额定功率：9 0 w ：额 定电压：2 2 0 v ( y ) ； 励磁电压：1 0 v ； 同步发电机 l 汀d j 3 8 励磁电流：1 a 额定电流：0 4 a ； 额定转速：1 5 0 0 r m 用于安装被测电机 电机导轨 旋转编码器电源：及测功机，测量电 旋转编码器 r t d j 4 7 1 d c 5 v ：5 0 0 c p r ；机转速、转矩、输 出功率等。 数字交流电压电流表l u ，r 0 3 1 智能转矩、转速、输i u z n l 2 出功率表 1 旋转灯、并网开关、 同步励磁电源 i u d j 2 2 额定电压5 5 v ，额 z y $ 4 4 5 5 定电流8 0 m a ，额定辽宁省本溪市微分 测速发电机功率4 4 w ，额定转 重量7 5 k g 电机有限责任公司 1 9 速1 9 0 0 r m i n ，负载 生产 电阻7 0 0 q 3 3 闭环直流调速系统的动态数学模型 整个反馈控制闭环直流调速系统主要由以p w m 为控制方式的开关电源电路部 分，直流电动机发电机组部分，以及反馈信号调理模块组合部分组成，综合分析以 上各部分，可得其动态结构图如下： 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 2转速负反馈闭环直流调速系统动态结构图 以p w m 为控制方式的开关电源电路部分的传递函数为： 脚= 半一 l s + l 1 9 2 0 0 0 直流电动机发电机组部分的传递函数为： 1 = 丽暑丽2 9 3 5 ( 3 8 ) 反馈信号调理模块组合部分的传递函数为： 口：堡：旦0 0 2 9vm r 玎1 9 0 0 所以，此反馈控制闭环直流调速系统的传递函数为： 矽( j ) 二瓦丽鬲丽丽1 丽1 8i 丽丽丽 由此得系统的三个转折频率分别为： 暇= 1 6 5 3 s ，= 9 5 2 4 s 一，呢= 1 9 x 1 0 5 s 。1 根据小惯性环节的近似处理可将系统的传递函数整理为： 形( s ) = 丽丽丽1 丽1 8 而面而( 3 - 9 ) ( o 0 0 6 0 5 s + 1 ) ( o 0 0 1 0 5 s + 1 ) 在m a t l a b 中对上述传递函数作阶跃响应，输入如下程序： n l l m = 1 1 8 】； d e n 2 o 0 0 0 0 0 6 3 5 2 50 0 0 7 11 】； s t e p ( n u m ，d e n ) ； 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 图33 糸统的阶趺啊压曲线 经过分析可知，要想让系统的性能指标较好，需加入一个比例积分调节器。 l t 例积分调节器，其输出是由比例和积分两部分相加而成的 叱2 罢+ 丽1 m = e “+ 卜，。m ( 3 _ 1 。) 式中世“= 熹p i 调节器比例部分的放大系数i r = r q p i 调节器的积分时间常数。 p l 调节器的传递函数 州= 踹鸣。+ ：= 等生 ( 3 _ 1 1 ) 令f ，= k 。f = 焉q t 则p i 调节器的传递函数也可以写成如下的形式 ( s ) = r t 8 口+ 一，r , s - 1 ( 3 1 2 ) p i 调节器也可以用一个积分环节和。个比例微分环节来表示，l 是微分项中的 超前时间常数，它和积分时间常数t 的物理意义是不同的。 比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺 点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳 卷偏差。 p i 调节器的传递函数可以表示为： 哪) = b 等 ( 3 - 1 3 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 为了加快系统的动态响应特性，我们考虑让p i 调节器消去一个大的惯性环节， 于是令r l - - - - 0 0 0 6 0 5 ，参考典型i 型系统得动态性能指标取： k t = 0 5 。 则得：k e l 1 1 8 ：k ，t ：0 0 0 1 0 5 。k = 4 7 4 则加入p i 调节器之后的系统的动态结构图如下： 图3 4 系统明砌态结构图 根据校正后的系统框图，可知其闭环传递函数为： w d ( s ) = 而而丽4 7 i 4 鬲再( 3 - 1 4 ) 则无阻尼时得自然振荡角频率 q ：厝硼。 阻尼比f = 三去= 。7 。7 则钇= 万1 = 4 7 4 研蝴。嚣”c o s 。和5 m s 峰值时间。2 云。南刮6 m s 调节时间：了3 一5 = 7 4 m s 超调量盯：e 再歹1 0 0 ：1 6 4 经m a tl a b 画出系统的阶跃相应曲线如下： 华北电力大学工程硕士学位论文 n u m = 4 7 4 ； d e n = 【0 0 0 1 0 514 7 4 ； s t e p ( h u m ，d e n ) ； 图3 5 系统的阶跃响应曲线 华北电力大学工程硕士学位论文 4 1 控制系统硬件设计 第四章系统硬件原理 本系统实现的是一个基于d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的发电机有功功率、无功功 率调整控制电路，主要功能是对提供给发电机原动机的工作电压以及发电机的励磁 电源电压进行处理，以满足发电机( 或并联系统) 电压、频率稳定要求，以保持发 电机及系统的经济、稳定运行。 d s p 控制系统主要由功率电路、控制电路、直流电动机发电机组部分以及反馈 信号调理电路等组成。功率电路的主要作用是将电源提供的能量经适当转换以后提供 给电动机，包括整流电路、滤波电路、逆变电路和功率驱动电路。控制电路的作用是根 据使用者的操作要求和系统的实际工作情况对系统进行相应的调节，使之满足工作要 求，主要包括检测电路、信号给定电路和起停电路等。图4 1 是整个硬件系统的框图。 图4 1电压( 频率) 硬件控制系统框图 控制系统以d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心，以m 公司的i r 2 11 7 芯片给功率电路提 供驱动信号，以p o w e rm o s f e ti r f 4 6 0 n 作为功率开关器件，以实现对发电机原动机 的工作电压以励磁电源电压调节控制。 4 1 1 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 系统板简介 本节将简要介绍t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 系统板，主要包括系统板的特点和文中所用到的 外围接口。本节所讲述的l f 2 4 0 7 a 系统板是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 最常用的资源模块的扩 2 l 华北电力大学工程硕士学位论文 展。 选择定点d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制电路的处理器，主要是由其专门应用 于控制的硬件结构和外设资源决定的。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有以下一些特点： 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的功耗； 4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ，从而提高了控制器的实时控制能力； 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 内核，保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 代码和 t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容； 片内高达3 2 k 字x 1 6 位的f l a s h 程序存储器，高达2 5 k 字的数据程序r a m ， 5 4 4 字双端口r a m ( d , m l a m ) 和2 k 的单口r a m ( s a r a m ) ； s c i s p i 弓l 导i 的m ： 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：1 6 位通用定时器；8 个1 6 位的 脉宽调制( p w m ) 通道。它们能够实现：三相逆变器控制；对称和非对称的p w m 波形 产生；具有电压空间矢量p w m 产生功能，用户可很方便地实现电压空间矢量p w m ； 当外部引脚p d p i n t x 为低电平时快速关闭p w m 通道的保护功能：可编程的p w m 死 区控制以防止上、下桥臂同时导通；3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路。事件管 理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机和逆变器； 可扩展的外部存储器，总共1 9 2 k x l 6 位的空间；分别为6 4 k 字的程序存储器空 间、6 4 k 字的数据存储器空间和6 4 k 字i o 寻址空间； 看门狗( w d ) 定时器模块； 1 0 位a d 转换器，3 7 5 n s 快速转换时间，8 个或1 6 个多路复用的输入通道，可 选择由两个事件管理器来触发两个8 通道输入的a d 转换器或一个1 6 位通道输入的 a d 转换器； 局域网控制器( c a n ) 2 0b 模块、串行通信接e 1 ( s c i ) 模块、1 6 位的串行外设接口 ( s p l ) 模块； 基于锁相环( p l l ) 的时钟发生器； 高达4 1 个可单独编程或复用的通用输入输出( g p i o ) 引脚； 5 个外部中断源( 两个电机功率器件保护中断、一个复位中断源和两个可屏蔽中 断) 。 电源管理包括3 种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的这些优点可以满足实时、快速地完成直流电机的控制要求， 2 2 华北电力大学工程硕士学位论文 其中外设中的事件管理器模块和a d 转换模块在驱动功率开关中至关重要。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 系统板是一个独立的板卡，是l f 2 4 0 7 2 4 0 7 ad s p 芯片进行扩展和 运行软件的标准平台，l f 2 4 0 7 a 系统板使用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片，兼容所有 l f 2 4 0 7 a 的使用代码，它具有2 5 k 字的片内数据存储器、1 2 8 k 字板上存储器、3 2 k 字片 内f l a s h 、片内u a r t 和板上d a c 7 6 2 5 数模转换模块。l f 2 4 0 7 a 系统板还提供了d s p 的扩 展引脚，方便外搭所需电路，许多接口可利用简单的代码进行扩展，从而缩短调试时间。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 系统板的主要特性如下： l f 2 4 0 7 a 运行速度为4 0 m i p s ，1 2 8 k 字静态存储空间； 具有自动排序器的1 6 路1 0 位片内a d 接口； 片内两个事件管理器，具有多个p w m 和捕获通道； 扩展的4 路d a c 7 6 2 5 数模转换模块： 符合r s 2 3 2 标准的u a r t 串行接口； 3 2 k 字的片内f l a s h ； 具有接收发送功能的c a n 总线标准接口； 测试开关和指示灯； 数据、地址、i o 、控制等4 个扩展连接器； 具有与i e e e l l 4 9 1 相兼容的逻辑扫描电路，该电路仅用于测试和仿真： + 5 v 电源输入，内部3 3 v 电源调节。 图4 2 所示为l f 2 4 0 7 a 系统板的资源框图。l f 2 4 0 7 a 系统板的主要接口包括目标 存储器接口、模拟接口、c a n 接口、串行引导r o m 、指示灯和开关、r s 2 3 2 接口、s p i 数据传输接口、外部扩展接口等。l f 2 4 0 7 a 提供了1 2 8 k 字静态存储器，外部i o 口支 持相应的6 4 ki o 端口，片上的c a n 总线和r s 2 3 2 串口可用作扩展连接。 以下只对课题中用到的l f 2 4 0 7 a 系统板资源包括p w m 输出单元、捕获输入单元和 a d 输入单元进行简要的介绍。 4 1 1 1p w m 输出单元 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是美国德州仪器公司推出的新一代具有高速运算能力并面向电机 控制的d s p 芯片。其增加了脉宽调制电路( p w m ) 电路，当p w m 波形用于电动机控制 和运动控制时，内部的p w m 电路可以大大减少产生p w m 波形的c p u 开销和减少用户的 编程工作量。需要注意的是，1 6 路p w m 信号为3 3 v 逻辑的，且事件管理器a 的p w m 输 出引脚驱动能力仅为2 m a ，事件管理器b 的p w m 输出引脚驱动能力为4 m a 。 2 3 华北电力大学工程硕士学位论文 4 1 1 2 捕获输入单元 捕获单元可以记录捕获输入引脚上的触发事件，事件管理器总共有6 个捕获单元， 每个事件管理器有3 个捕获单元。事件管理器a ( e v a ) 的捕获单元为c a p l 、c a p 2 和c a p 3 ，事件管理器b ( e v b ) 的捕获单元为c a p 4 、c a p 5 和c a p 6 ，每一个捕获单 元都有一个相应的捕获输入引脚。 每个e v a 捕获单元均可选择g p 定时器2 或1 作为时间基准，c a p l 和c a p 2 不能选择不 同的定时器作为它们的时基。每个e v b 捕获单元均可选择g p 定时器4 或3 作为其时间基 准，c a p 4 和c a p 5 不能选择不同的定时器作为它们的时基。当在捕获输入引脚c a p x 上 检测到一个设定的转换时，g p 定时器的值被捕获并存储在相应的2 级深度f i f o 堆栈中。 4 1 1 3a d 输入单元 l f 2 4 0 x 2 4 0 x ad s p 具有一个1 6 位的模数转换( a d c ) 模块，能达至u s o o n s 以内的转 换速度，可以直接用于电机或运动控制场合。a d c 的1 6 路模拟通道可接受的模拟输入信 号范围为( o 3 3 ) 伏。 4 1 2 主电路设计 本文实验用电动机额定电压为2 2 0 v ，采用整流电路供电。主电路如图4 3 所示，在 此不再赘述。 4 1 3 控制电路设计 控制电路主要包括：信号检测电路和信号给定电路。本文采用的是开环调速，将a d c 模块的a d c i n 0 0 输入通道的模拟电压转化成数字量作为调速电路的速度给定，将其保存 在c o m p 中。在调用p w m 发送予程序时，将速度给定赋给全比较寄存器c m p r x 以改变 输出p w m 占空比，从而改变施加于电机上的电压以达到调速目的。 起停电路是靠读取i 0 1 ：3 i o p f 6 的电平以实现起停控制的。当读取的电平为高，则起 动电机或继续运行；当读取的电平为低，则停机。 华北电力大学工程硕士学位论文 图4 2l f 2 4 0 7 a 系统板资源框图 图4 3 交流输入及整流电路 p ( 强t d 华北电力大学工程硕士学位论文 4 1 4 驱动电路设计 功率主电路开关器件常采用p o w e rm o s f e t 全控型器件。功率m o s f e t 驱动的难 点主要体现在功率器件的特性、吸收回路和栅极驱动等方面。i r f p 4 6 0m o s f e t 电