一种32位浮点型处理器的励磁控制器设计

杜志强

(天津中德职业技术学院,天津 300350)

一种32位浮点型处理器的励磁控制器设计

杜志强

(天津中德职业技术学院,天津 300350)

针对同步发电机励磁控制系统在控制精度和控制稳定性方面存在的不足,通过对国内外励磁控制系统发展状况的分析,提出了一种基于32位浮点型处理器的数字式励磁控制系统。该系统通过将先进的交流采样算法和DSP的优异性能相结合,实现了励磁控制器的深度数字化;通过对同步发电机系统关键模拟量的采集与计算,得出适用于当前工况下触发脉冲角度α。试验验证了该设计能很好地解决发电机励磁控制系统中的稳定性问题。

数字式励磁控制器 智能仪表 双CAN网络 智能显示 交流采样

0 引言

励磁系统作为发电机系统的重要组成部分,一直是控制领域的研究热点。随着单片机、DSP等微处理器在励磁控制装置核心控制器中的应用,数字式励磁控制器逐渐成为发展趋势[1]。目前,国内市场上推出的控制器一般都以16位/32位单片机、32位(定点型) DSP处理器为核心,其在数据运算和处理的能力上都存在或多或少的缺点和不足。由于处理器本身是定点型处理器,故在实际运算过程中会增大计算误差,进而增大系统误差,这样会对整个发电机系统的控制精度与响应产生影响。

为了提高励磁控制系统的各项性能指标和运行参数精度,研究一种以新型的32位浮点型DSP芯片为核心的数字励磁控制系统成为同步发电机励磁系统的发展需要[2-3]。

本文提出了一种以新型的32位浮点型DSP芯片为核心的数字励磁控制系统。该系统一方面可以克服现有的一些技术缺陷;另一方面系统硬件设计使用交流采样芯片,采用交流采样算法,并结合浮点型处理器的优越性能,使得励磁控制系统的各项性能指标和运行参数精度都得到了提高[4]。

此外,该励磁控制系统选用了性能优异的可触摸平板电脑,通过双高速CAN网络与主控单元连接,构成系统的智能显示模块。

其一，在中考试题中应逐步加入一些有情境的数学问题.PISA的每道题目都具有一个接近实际的情境，而中考题基本上是单纯的数学问题，即题目都是封闭在数学自身体系内部的问题.事实上，现实情境的介入考察的就是数学抽象能力、数学建模能力和数据分析能力，这样的题型是对完全囿于数学内部题型的一种补充.其二，在中考试题中应逐步加入一些开放性问题.或结论不唯一，或条件不充分，这样的题目从问题结论的封闭性走向问题结论的开放性，从条件完备到条件缺失的情境，能够考察学生的数学推理能力、几何直观能力，还能发展学生的批判思维和创新思维.这一点恰好是当下我国中考试题缺失的元素.

1 系统原理与组成

本文提出的数字式励磁控制系统选用德州仪器(TI)最新推出的TMS320f28335 32位浮点型DSP芯片作为中央处理器。以该芯片为控制核心的新型励磁控制器的系统结构如图1所示。交流采样电路以MAXIM公司生产的14位、8通道,同步采样ADC转换芯片MAX1324为主,通过合理的硬件接口电路设计,将MAX1324与DSPf28335相连接,构成系统的数据采样模块。

数据存储模块硬件电路由外部扩展存储器组成,外扩存储器选用Ramtron公司生产的FM25L256芯片。DSP通过SPI与外扩存储器连接,可在系统运行过程中实现高速简捷的通信。系统可随时保存工作过程中采集的开关量信息和时间标签,完成数据的读、写工作,且支持掉电保存。

励磁控制系统的工作原理如下。

⑧外扩存储器的读/写子程序,完成励磁系统一些主要固定变量的存储;

因此，本研究的主要目的是利用感官评价、色谱骨架成分分析以及GC-Osme等多种风味化学技术评价低度五粮液的风味特征并与高度五粮液的风格特征进行比较，为科学认识五粮液风格特征、诠释民族优秀传统工艺提供有力的数据支撑。

②通过开关量输入、输出模块和电平转换模块,检测当前发电机系统的状态(停机状态、试验状态、空载运行状态或并网带载状态)、运行方式(恒压运行、恒流运行或其他的工作方式)以及其他开关量信息。励磁控制器可以完成对系统开关量信号的采集、输出。

①交流采样子程序,完成模拟量的交流采样;

④DSP处理器单元通过数据收发模块将控制角度α发送给智能功率柜单元,功率单元可根据控制角度产生触发脉冲,进而完成对整流桥中晶闸管的触发,输出励磁电流[5-6]。同时,通过数据收发模块将各种数据和状态量发送给智能显示单元,完成系统各种变量和图形的显示[7]。这样既可以避免电磁干扰,又可以提高脉冲精度,在保证系统安全稳定运行的前提下,提高了励磁系统的精度。

数据收发模块包括数据收发模块1与数据收发模块2,其原理如图2所示。由CAN通信组成的数据收发模块电路主要包括光隔离电路、CAN收发电路以及相关的适配电路,实现CAN通信信号的光隔离、数据接收和发送工作。CAN收发器选用德州仪器生产的SN65HVD1050DR(VP1050)芯片。数据收发模块1和数据收发模块2的输入端分别与DSP处理器模块的CAN1通信口和CAN2通信口相连接,构成双CAN网冗余网络;数据收发模块的输出端与智能显示模块和智能功率柜单元的通信输入口相连接,构成冗余高速双CAN网通信网络。通信网路的每个节点都具有网络自检功能,当网络出现故障时,可实现运行网络和备用网络的自动切换,进而保证励磁系统运行的安全和稳定性。

图2 数据收发模块原理图Fig.2 Schematic diagram of data transceiver module

2 励磁控制系统的软件设计

在系统的软件开发设计过程中,充分考虑软件程序与系统硬件资源相结合,采用模块化编程思想。这样设计的优点在于系统调试时,可分阶段逐步完成各模块的调试,使程序各部分的功能更加清晰;而且在系统运行过程中,当系统出现故障时,更容易判断故障的成因,进而快速准确地找出故障点的位置,进一步提高系统的安全可靠性。软件系统模块化设计的另外一个优点就是可以确保程序的可移植性,提升了程序的使用价值[8]。系统软件总体流程如图3所示。

我又想到了林老板。我现在在他的碗里刨食，夺他的口粮，他知道了怎能饶过我？阿花说你都离职了，还怕那个王八蛋？我说你好像挺恨他？阿花说，我恨不得扒了他的皮绷鼓。我说至于嘛，有杀父之仇，还是失身之恨哪？阿花说，有仇也有恨，你的前任，就是被他挖走的。我说生意场上竞争是难免的，别总记在心里。阿花双手搭在方向盘上，一声不吭。

图3 励磁控制系统的软件流程Fig.3 Software flowchart of the excitation control system

系统软件所包含的软件子程序如下。

③中央数据处理模块对采集到的开关量信号和计算得到的各项数据进行识别、判断和处理,并根据当前发电机系统的运行状态,经由PID计算和各种保护限制程序检验校正后,得出智能功率回路所需的移相脉冲的控制角度α(α范围为15°～150°)。

⑦数据发送/接收子程序,完成与其他智能模块之间的数据发送和接收任务;

多元化考核方案打破了单一的笔答考核的限制，更能反映出学生的学习情况[4]。使学生能够根据岗位的要求掌握必须的技能和适应本岗位的综合能力。企业考核重视过程评价，重点考核实践操作技能和服务意识和服务水平，学生实践过程中平时的出勤、技能操作的熟练程度、解决问题的态度，吃苦耐劳品质等都纳入了考核的评分标准。

④软件锁相环子程序,确保每个采样周期的信号都在同一个周期内,保证发电机组定子电压、定子电流等关键参量的正确采集;

③开关量输出子程序,完成对系统开关量的输出控制;

⑤模拟量计算子程序,计算出发电机机端电压、定子电流、有功/无功、励磁电流、励磁电压;

以上基于混凝土的新型材料都是现在生态型材料，用途广泛，特别是在河道治理上很适用，其中鱼巢式、卵石式、植草式可以搭配使用，鱼巢式放在水面以下，卵石式、植草式放在水面以上形成不一样的景观。

⑥PID计算子程序,通过计算得出当前的整流桥触发角度α及系统各种状态量;

②开关量输入子程序,完成对系统的状态信号采集和开关量的输入控制;

张明耀等[9]通过在接枝聚合过程中调节TDDM(硫醇)加入量，控制接枝SAN形态和分子量，研究发现：不加TDDM时橡胶内接枝数量多，橡胶模量增加，产品冲击性能变差；加入TDDM后内接枝减少，同时接枝SAN分子量也减少，提高了ABS树脂的冲击强度，并提高产品的流动性能。

①通过模拟量适配模块、交流采样模块和频率测量模块完成对发电机定子电压、电流以及发电机出口频率的采样。励磁电流适配模块可完成对系统励磁电流的采样,所有采样信号进入DSP处理器单元后,经过软件计算可得到发电机系统的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率及当前的励磁系统功率回路的各项数据。

测评反馈：学生完成老师要求的随堂测验并及时提交后，利用云端的大数据分析功能，得到实时反馈和数据分析。教师根据测评反馈结果和数据分析，找出学生知识薄弱点和欠缺点，重点进行问题辨析和补充讲解，通过多样化的互动交流解决学生遇到的问题。[3]

⑨标幺子程序,完成各项数据的标幺计算;

⑩励磁系统主要逻辑及各种保护功能子程序,完成对励磁系统的逻辑判断及各种保护和限制功能[9]。

3 试验验证

在励磁控制器的软硬件设计和调试完成后,实现样机生产;在完成基础模块功能的调试后,通过整机运行数据采集与分析,对励磁控制系统的性能进行检测。结果表明,控制器能很好地解决传统励磁系统所存在的计算精度差、稳定性不好的问题。

现以如下同步发电机为例,通过对其空载建压波形的记录和数据分析,对本设计进行验证。录波使用的是本设计所提到的智能显示单元(录波模块用LabVIEW编制)[10]。

发电机组的参数如下:视在功率4 000 kW;功率因数0.8;额定电压6 300 V;额定励磁电流447 A。

用原动机拖动同步发电机达到同步转速,发电机组在空载下投入励磁控制系统。设定发电机的起励(发电机建压)复位值为额定机端电压的80%,得到发电机的空载建压波形如图4所示。图4中:Ug为发电机端电压;If为励磁电流;α为励磁控制系统输出的触发角[11]。

根据国标对发电机运行特性的相关要求,当同步发电机空载建压时,端电压超调量不得超过额定值的15%,电压振荡次数不超过3次,调节时间不超过10 s。

由图4可见,该励磁系统能很好地实现零起升压,峰值时间3.5 s,调节时间5 s,峰值电压5 730 V,超调量为8.1%,振荡周期为1次,均满足或优于国标。通过试验验证说明励磁控制系统能很好地对发电机进行控制,根据当前工况,输出合适的α角给智能功率柜单元,完成整流桥控制脉冲的触发。通过控制励磁电流,实现对发电机组的无功功率控制,提高了机组的运行特性[12]。

首先，教师“支架”促进教师的课堂组织，在课堂进行过程中不断促进学习者参与课堂。研究者发现教师“支架”能帮助学习者积极参与课堂互动的意义协商（梁国杰2011），也能调节学习者情绪从而帮助他们摆脱焦虑和体验成功(杨翠蓉、韦洪涛2015)。

图4 发电机空载建压时机波形对照图Fig.4 Contrast of the waveforms when generator builds pressure with no load

4 结束语

以DSPf28335为控制核心的同步发电机励磁控制器,充分利用了浮点型DSPf28335芯片自身的优良性能,并且选用性能优异的可触摸平板电脑,通过双高速CAN网络与主控单元连接构成智能显示系统,实现了交流采样、频率测量、PID调节计算和可控硅触发角α的正确输出。智能功率柜通过CAN总线接收到触发角后,自身形成触发脉冲,触发整流组件,产生励磁电流。励磁控制器通过控制励磁电流,进而控制发电机的无功功率,从而实现同步发电机的励磁系统控制。实际应用表明,该励磁控制器主要性能优于国标的要求,能在当前工况下能输出适合的触发角α,增强了发电机系统的稳定性,进而为发电机的可靠运行提供了保障。

[1] 李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].2版.北京:中国电力出版社,2009:46-60.

[2] 国家能源局.大型汽轮发电机励磁系统技术条件[S].北京:中国电力出版社,2011.

[3] 国家能源局.中华人民共和国电力行业标准·同步发电机励磁系统建模导则[S].北京:中国电力出版社,2012.

[4] 国家质量监督检验检疫总局.GB/T 7409.3-2007同步电机励磁系统大、中型同步发电机励磁系统技术要求[S].北京:中国标准出版社,2007.

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[6] 初华,万强,曹海源,等.基于DSP和FPGA的数字示波器设计[J].自动化仪表,2013,34(3):79-82.

[7] 陈发堂,郭丽强.ARM+DSP系统MMU在射频一致性测试仪表的实现[J].自动化仪表,2014,35(1):55-58.

[8] 孙攀,张广明.基于DSP的电能质量监测系统设计[J].自动化仪表,2012,33(1):82-86.

[9] 张海静,吴开明.微机励磁调节器监控软件的设计[J].自动化仪表,2010,31(7):39-41.

[10] 张晶晶,张涛,陈要玲,等.采用LabVIEW编程的LED非接触式结温检测系统[J].自动化仪表,2013,34(9):37-39.

[11] 熊静,韩磊,吴在军,等.电能质量检测的研究与仿真[J].自动化应用,2010(1):56-58.

[12] 翁情安,张炳达,郝爽.基于TMS320F2812的同步发电机励磁控制器[J].电力系统保护与控制,2009,39(19):92-96.

Design of the Excitation Controller Based on 32-bit Floating Point Processor

Aiming at the shortcomings of control accuracy and control stability in excitation control system of the synchronous power generator, through analyzing the developing situations of the excitation systems abroad and at home,the digital excitation control system based on 32-bit floating point processor is proposed.In this system,the advanced AC sampling algorithm is combined with the superiority of DSP,for implementing the deep digitization of the excitation controller.Through collecting and calculating the critical analog quantities,the triggering pulse angle α that suitable for current operation condition is obtained.The test result verifies the feasibility of the design for solving the stability issue of generator excitation control system.

Digital excitation controller Smart instrument Dual CAN network Smart display AC sampling

TP23

A

修改稿收到日期:2014-02-21。

作者杜志强(1978-),男,2012年毕业于河北工业大学技术经济及管理专业,获硕士学位,讲师;主要从事电机励磁系统设计、风力发电控制技术教学及自动化控制系统设计与研究等方面的工作。