基于FPGA的同步电动机励磁装置设计

2014-03-22甘朝晖段宗胜

仪表技术与传感器 2014年9期

王　智，甘朝晖，段宗胜

(武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北武汉　430081)

0　引言

同步电动机是一种将电能转化为机械能的设备，因其具有功率因数高、稳定性好、效率高、转速与负载大小无关的优点而广泛应用于石油、化工、煤炭、冶金、电力、水利、城市供水、供气等诸多领域中[1]。同步电动机励磁装置的发展主要经历过几个阶段：第一阶段为晶体管分立器件励磁装置，其产品受温漂影响较大，会造成实际运行技术指标下降，可靠性降低。第二阶段为集成电路励磁装置。由于采用的是集成运算放大器等集成电路，降低了产品的温漂影响，但硬件电路非常复杂，在一定程度上降低了产品的可靠性。第三阶段为数字式微机励磁装置[2-3]。数字式微机励磁装置采用的是全数字逻辑，克服了前两个阶段的不足。目前，国内同步电动机机励磁装置的设计多数是以多个单片机或单片机与PLC的组合控制器作为同步电动机励磁装置的主控单元，但随着用户对同步电动机励磁装置的调控功能提出更高的要求，市面上以单片机、PLC等微控制器为主控单元的主流做法，在实际工作中逐渐暴露出其不够稳定，速度受到制约的缺点。

为了克服以上所述的缺点，文中在对同步电动机励磁装置进行详细分析研究的基础上，介绍一种全新的同步电动机励磁装置设计方案。该方案采用具有可重复编程、高集成度、高速和高可靠性的FPGA芯片作为励磁装置的核心控制单元来完成励磁装置的所有功能。该方案设计的同步电动机励磁装置能实现同步电动机的自动全压投励，并且具有开环和闭环两种工作方式来实现同步电动机的恒角、恒流、恒功率控制等功能。该方案实现的整个系统，硬件电路简单，调试维护方便，系统可靠性较高。经实验验证该方案可行且效率更高。

1　同步电动机励磁装置的工作原理

现在，同步电动机普遍采用他励式静止可控硅励磁装置来进行控制[1]。其工作方式主要有以下3种：

(1)恒给定开环(恒α角)运行方式；

(2)恒励磁电流闭环运行方式；

(3)恒功率因数闭环运行方式。

恒给定开环运行方式主要用于调试，正常运行时一般不用这种方式。恒励磁电流闭环运行方式在同步电动机运行时，自动投励并控制励磁电流保持恒定不变。恒功率因数闭环运行方式在同步电动机运行时，根据同步电动机负载和系统参数的变化及时调整触发脉冲的触发角α，调整同步电动机的励磁电流来保证设定的功率因数不变。

同步电动机的起动是一个复杂的过程。首先同步电动机在异步运行时，励磁装置实时检测同步电动机转子的转速，直至转速达到亚同步速时(一般为同步电动机转速的95%)，解除脉冲封锁，转子励磁绕组和直流励磁电源接通。转子磁场和定子磁场相互作用使转子跟着定子旋转磁场以同步转速旋转，即牵入同步。

在同步电动机正常停车时，同步电动机励磁装置的三相全控整流桥从整流工作状态转入有源逆变状态，使电能回馈电网，并保证同步电动机顺利灭磁。

2　同步电动机励磁装置硬件设计

FPGA以其独特的并行工作方式突破了单片机、PLC的串行工作模式，具有速度快、稳定性好的优点。FPGA电路是真正的可编程硬件电路，不存在CPU程序跑飞的问题，可最大限度减少稳定性方面出现问题的可能性。另外，FPGA芯片本身就嵌套了并行加法器、移位乘法器、锁相环等宏功能模块，在做算法处理时，可直接调用相应的IP核，简单方便，缩短了产品的开发周期，而且FPGA集成度高，可以缩小系统的规模，提高系统的可靠性。

2．1励磁装置功率电路

同步电动机励磁装置的功率部分由三相全控整流桥及其保护装置等构成[1]。同步电动机励磁装置的主回路是励磁系统的功率输出部分，其主要作用是将交流电源变为直流电源，给同步电动机励磁绕组供电。三相桥全控整流电路移相角度为0～150°，并接有灭磁回路，除能完成整流任务以外，正常停车或故障跳闸时还能将存储在电机绕组磁场中的能量经全控整流桥迅速反馈回交流电源[4-5]。

2.2励磁装置控制电路

同步电动机励磁装置的励磁控制电路如图1所示。主要包括主控单元及其外围电路：同步电路、转差检测电路、数据采集电路、故障指示电路、触发电路、实现人机交互的串口通信电路等。

图1　励磁电路控制电路

2．2．1同步电路

同步电路由两部分电路构成，如图2所示。同步电路的输入端接三相同步变压器的输出端，第一部分电路将变压后的三相交流电经过整流二极管、比较器、光隔转换成高低电平不对称的TTL信号输出给FPGA用来检测三相交流电在工作过程中是否缺相。第二部分电路将同步变压器输出的三相交流电压经分压、比较器、光隔调理成一个方波信号输入到FPGA中做为三相电源的同步参考点。

图2　同步电路

2．2．2转差检测电路

转差检测电路如图3所示。同步电动机异步起动时，会在转子绕组里感应交流电压，其幅值和频率随同步电动机转速的上升逐渐衰减。该电压通过限幅、放大、光电隔离将交流电压转换成方波信号，其正半周和负半周分别输入FPGA．通过计算正半周和负半周的时间，即可得到转子感应的交流电压的频率，当检测到该频率达到设定值时，励磁装置就投励。

同时，该电压通过半波整流、放大电路变成一个直流电压，其幅值与转子绕组里感应的交流电压成比例。该电压与电位器设定的电压进行比较，其结果通过光隔输出给FPGA．

同步电动机异步起动时转子绕组感应的交流电压在幅值和频率上随时间逐渐衰减，直至感应交流电的幅值小于电位器的设定值时，光隔的输出端会出现由高电平到低电平的变化。频率检测与幅值检测是投励的两种方式，在时间上是同时进行的，任意一种方式满足设定条件，则进行投励。

图3　转差电路

2．2．3数据采集电路

数据采集电路结构如图4所示。其作用是将励磁电流、电压、功率因数的实际值检测出来。为确保芯片可以安全正常地工作，在模数转换器芯片ADS7841的电源处添加了去耦电容，在需要用到的3路采集通道上增加了限幅稳压管。

图4　数据采集电路

2．2．4触发电路

触发电路如图5所示。其作用是将FPGA产生的6路脉冲信号通过2个与门芯片74LVC08输出给放大电路。从励磁装置上电开始，位于触发电路的电源和地之间的电容开始充电，正常情况下脉冲信号经与运算输出。如果突然断电，电容中存储的能量通过续流二极管反馈给电源，而不致瞬间断电烧坏器件。

图5　脉冲触发电路

2．2．5故障指示电路

故障指示电路由7个共阳发光LED构成，主要用于指示故障信号，如缺相、失磁、失步、过流、失压等故障。

2．2．6串口通信电路

主控单元与上位机通过串口RS232进行通信。上位机是一个触摸屏MT506。其通信协议为主从通信协议。MT506为主机，主控单元为从机。下位机和上位机通信时，下位机要先通过RS232将地址发送给上位机，上位机收到请求后，允许下位机的数据上传至上位机对应的地址空间里。这个过程即是下位机的“写”操作。数据发送完毕后，上位机检测“写” 操作的协议是否正确，正确则反馈以下数据给下位机0x87、0x50、0xb3、0x07、0x00、校验和、0x33，错误则只反馈两个字节0x87 和0x05给下位机。如果下位机需要进行“读”操作，只需对触摸屏对应的地址单元进行操作即可，如在地址MS_LW 10 上设置0x1100，即将0x1100发送给下位机的寄存器，该寄存器必须是对应着上位机的地址MS_LW 10。如果上位机检测到“读”操作的协议正确，则MT506发送如下数据给下位机：0x87、0x50、读取的数据、0x00、校验和、0x33，错误则发送0x87、0x05给下位机。

3　励磁调节器软件设计

软件代码与硬件资源相结合，才能使励磁调节器具有较高的技术性能。系统软件设计以从上到下的设计理念，将系统划分为多个主功能模块，并在主功能模块下继续划分多个基本功能模块。

软件的主功能模块如下：

(1)系统的顶层模块。其作用在于例化所有的主功能模块，使所有模块的功能能够串联起来，以满足设计需要。

(2)恒功率因数给定值产生模块。此模块用于功率因数的给定。当恒功率因数功能投入时，按增、减按键更改恒定功率因数的给定值。当恒功率因数不投入时，此时功率因数给定值不起作用。

(3)恒功率因数调节模块。该模块根据电流有功分量的大小，自动调整励磁电流的大小改变无功分量的大小，从而维持功率因数不变。

(4)恒电流给定模块。此功能模块用于恒电流参数的给定。当恒电流功能投入时，按加大电流、减小电流按键更改给定值。当该模块不投入时，此时恒电流给定值不起作用。

(5)恒电流调节模块。该模块使励磁电流的输出维持在给定值上，根据给定值的变化而变化。

(6)恒角给定模块。该模块应用于开环，直接给定α值，即可整定励磁电流，仅用于调试，正常运行中不使用。

(7)频率与幅值检测模块。此模块在投励之前实时检测由转差电路输入至FPGA的方波信号的频率，及逻辑开关量的变化。一旦转子转速达到亚同步时(转差率为95%)，也即是方波信号频率为2．5 Hz时，开始投励。或者在此期间，检测到逻辑开关量由高电平到低电平的变化，也开始投励。

(8)强励模块。其功能是指频率检测和幅值检测都失败时，就投强励。该模块在收到开车信号后，延时一段时间，这个时间可以在人机交互界面上手动设置(1～20 s)，这里设置15 s，即在15 s之内，频率检测和幅值检测都失败时，投强励。另外强励维持时间和强励值也可以在上位机上设置。强励值一般为给定励磁电流的1.4倍，强励维持时间(1～5 s)，这里设为3 s．

(9)脉冲产生模块。其作用是按照触发角α值的改变，周期性产生6路脉冲。

(10)AD采集模块。该模块采集电流、电压和功率因数的实际值，并将采集到的数据储存在FPGA中。

(11)PID控制模块。该模块用于闭环控制，将上位机设置的恒流、恒压给定值与实际励磁电流、实际励磁电压进行比较运算，然后调用PID调节算法，将每次运算得到的结果输出到寄存器中作为触发角α值的给定，以控制整流装置的输出，最终实现励磁电流的恒定输出。

(12)故障检测模块。此模块用来检测故障信号，如失压、熔断、失步、失磁、过流、超时、掉相等信号，并驱动相应的LED灯报警。一旦故障停车，则马上封锁脉冲并合上灭磁开关。如果正常停车，将α值推到150°，延时5 s完成整流桥的逆变过程。

(13)通信模块。该模块包括RS232和RS485模块。AD采集的数据和PID运算结果等参数由FPGA通过串口RS232反馈到触摸屏，并在人机界面上显示。上位机发送的恒电流、恒电压、恒角、P、I、D、PID采样周期、转差率、强励值、强励时间等参数也是通过串口RS232发送给下位机。由

于上位机与下位机距离不足半米，RS232模块完全可以胜任。RS485模块则用于现场与控制室之间的通信。

4　实验结果

文中设计的同步电动机励磁装置已经完成样机的测试。其实验结果如下：

图6显示的参数包括：PID运算调节过程的曲线图、实际电流反馈值、PID运算结果的增量和。PID运算调节的过程由图中红线表示，实际电流反馈值(147A)、PID运算结果的增量和(68120)、PID运算的曲线图和PID运算结果的增量和是相对应的，一个是图形显示，一个是数值显示。

图6　PID运行曲线

图7显示的是励磁电流设定值和实际值。由图6显示的PID曲线可知，电流实际值的初始状态0A，与励磁电流设定值147A之间存在差值，所以PID运行曲线第一段是陡增的直线，几乎和横坐标垂直，表示电流实际值经过PID调节后突然增大，PID结果的增量和也一样在增加。第二段曲线比较平缓，此时因为PID运算的增量和达到了限幅值，所以PID增量和在最大限幅值处维持短暂的时间，第三段曲线出现了一段下滑的过程，表示之前PID调节后，电流实际值大于设定值，这时PID运算的增量为负，所以PID的增量和减少，电流实际值也在降低，逐渐逼近励磁电流设定值，第四段曲线几乎和横轴平行，说明电流实际值和励磁电流设定值相等，之后一直维持此状态。从实验结果可知，文中设计的方案是可行的，系统工作稳定，具有较高的可靠性和实时性，具有良好的推广前景。