（检测技术与自动化装置专业论文）双机热备用同步发电机励磁控制系统设计.pdf

摘要 同步发电机励磁控制系统承担着调节发电机输出电压、保障同步发电机稳定运行的 重要责任。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，为电网提 供合格的电能，而且还可有效地改善电力系统静态与暂态稳定性。 本文在深入分析励磁控制系统国内外研究现状和发展趋势的基础上，设计了一种以 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心的同步发电机励磁控制系统。 为提高励磁控制系统的可靠性，本文首先研究了励磁控制系统的双机热备用技术， 在此基础上，选择t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制核心，提出了双机热备用同步发电 机励磁控制系统的硬件设计及软件实现方法。在硬件系统中，本文设计了三电平 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 整流器作为励磁功率单元，同时，选择s v p w m ( s p a c e v e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 算法作为控制策略。 其次，在对双机切换原理进行详细分析的基础上，重点对双机切换单元进行了研究， 设计了双机切换电路。 在系统硬件支持下，采用模块化设计原则，设计了系统的应用软件，并给出了部分 软件流程图。最后，通过m a t l a b 仿真，分析了p i d 调节参数及采样周期对系统稳定 性的影响。 关键词：双机热备用， 同步发电机，励磁控制系统，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，p w m a b s t r a c t s y n c h r o n o u sg e n e r a t o re x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mi si nc h a r g eo fr e g u l a t i n gt h eg e n e r a t o r o u t p u tv o l t a g ea n dg u a r a n t e e i n gi t ss t a b l eo p e r a t i o n e x c e l l e n te x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mn o t o n l yc o u l dg u a r a n t e et h eg e n e r a t o rr u n n i n gr e l i a b l ya n ds t e a d i l y , b u ta l s oc o u l de n h a n c et h e s t a t i cs t a b i l i t ya n dt r a n s i e n ts t a b i l i t yo ft h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e m b a s e do na n a l y z i n gt h ea c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h ee x d t a t i o nc o n t r o ls y s t e m a th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rd e s i g n sas y n c h r o n o u sg e n e r a t o re x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m u s i n gt m s 3 2 0 f 2 8 1 2a st h ec o n t r o lc e n t e r t oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ee x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，f i r s t l yt h i sp a p e rr e s e a r c h e s o nt h ed u a lm o d u l eh o ts p a r et e c h n o l o g yo ft h ee x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m b a s e do ni t ，t h e p a p e rc h o o s e st m s 3 2 0 f 2 8 1 2a st h ec o n t r o lc e n t e r , p r e s e n t i n gt h ed e s i g nm e t h o d so ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nd u a lm o d u l eh o ts p a r es y n c h r o n o u se x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m i nt h e h a r d w a r es y s t e m ，t h i sp a p e rd e s i g n st h r e e l e v e l p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) a st h e e x c i t a t i o np o w e ru n i ta n dc h o o s e ss v p w m ( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) a r i t h m e t i c a st h ec o n t r o ls t r a t e g y s e c o n d l y , b a s e do nt h ep a r t i c u l a ra n a l y s i so ft h es w i t c hp r i n c i p l eo fd u a lm i c r o c o m p u t e r , t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h es w i t c hu n i to fd u a lm i c r o c o m p u t e rs p e c i a l l ya n dd e s i g n st h ec i r c u i t o f i t u n d e rt h es u p p o r to ft h es y s t e mh a r d w a r e ，a d o p t i n gm o d u l a r i z i n gd e s i g nr u l e ，t h i sp a p e r d e s i g n st h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo ft h es y s t e ma n dg i v e sp a r t so ff l o w c h a r t so ft h es o f t w a r e f i n a l l yt h r o u g hm a t l a bs i m u l a t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee f f e c to fp i dp a r a m e t e r sa n d s a m p l i n gc y c l eo nt h es t a b i l i t yo fe x c i t a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：d u a lm o d u l eh o ts p a r e ，s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ， t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 ，p w m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，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 墨盗墨墨太堂 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：枷绰确 签字日期：矽诊浒 月油日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天洼理工大学有关保留、使用学位论文 的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者弛：枷华确导师签名：苏老琴 f 签字日期：矽珍瓣月矽日签字日期： 7 o o g 年1 月2 , o 日 第一章绪论 第一章绪论 励磁控制系统是由励磁功率单元、励磁控制器和同步发电机共同组成的反馈系统。 励磁功率单元和励磁控制器组成的系统就是人们通常所说的励磁系统。励磁功率单元负 责向发电机转子提供直流励磁或交流励磁电流；励磁控制器负责根据检测到的发电机的 电压、电流或其他状态量的输入信号，按照给定的励磁控制准则自动调节励磁功率单元 的输出【1 一。 励磁系统是同步发电机的一个重要组成部分，它直接影响发电机的运行特性，对电 力系统的安全稳定运行有重要的影响【3 l 。优良的励磁系统不仅可以保证发电机可靠运行， 而且还可以有效地提高电力系统的性能指标，为电网提供优质的电能。励磁控制系统框 图如图1 1 所示1 4 l 。 励磁系统 图1 - 1 励磁控制系统框图 f i g 1 1e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e md i a g r a m 1 1 同步发电机励磁控制系统的作用 在电力系统正常运行或事故运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用。 无论在稳定运行或受外界扰动后的暂态过程中，同步发电机和电力系统的正常运行状态 以及事故情况下的运行特性，都和励磁系统的性能密切相关。优良的励磁控制系统不仅 可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，提供合格的电能，而且还可有效地提高发电机 及其相连的电力系统的技术经济指标【捌。根据整个电网的要求，同步发电机励磁控制系 统的主要做用如下【1 , 2 , 3 】： 一、维持发电机机端电压 在发电机正常工作情况下，励磁系统应维持发电机机端电压( 或升压变压器高压侧 电压) 在给定水平，电力系统在正常运行时，负荷总是经常波动的，同步发电机的功率 也就相应变化。当发电机负荷改变时，发电机端电压将随之变化，这时励磁系统将自动 第一章绪论 增加或减少发电机的励磁电流，使发电机端电压维持在一定的水平上，并保证有一定的 调压精度。当机组甩负荷时，通过励磁系统的快速调节作用，应限制机端电压不致过分 升高。励磁控制系统承担了维持电压水平这一任务。 二、控制并列运行的发电机间无功功率的分配 多台发电机在母线上并列运行时，它们输出的有功决定于输入的机械功率，而发电 机输出的无功和励磁电流有关。在实际运行中，改变励磁电流将会使发电机端电压和输 出的无功功率都发生改变，但一般来说，发电机的端电压变化较小，而输出的无功功率 变化较大。控制并联运行的发电机之间无功分配是励磁控制系统的一项重要功能。各并 联发电机间承担的无功功率的大小取决于各发电机的调差特性。定义调差系数为 一筹 ( 1 1 ) 式中：a v ；为发电机端电压变化对额定电压之比，u j a u 。u 。；峨为无功电流变 化对额定无功电流之比，三一鲥q t 咖，在实际电力系统常用无功变化对额定无功之 比，a q 一a q q 。 当母线电压发生波动时，发电机无功电流的增量与电压偏差成正比，与调差系数成 反比。 三、提高同步发电机并列运行的稳定性 电力系统可靠供电的首要条件，是使并入系统中的所有同步发电机保持同步运行。 电力系统在运行中随时会遭受各种扰动，这样，伴随着励磁调节，系统将由一种平衡状 态企图建立新的平衡状态。这种由一种平衡状态过渡到另一种平衡状态或平衡状态被破 坏的过程叫暂态过程。在各种扰动后，发电机组能够恢复到原来的运行状态，则称系统 是稳定的。电力系统稳定的主要标志是，暂态过程结束后，同步发电机维持或恢复同步 运行。 为方便研究，将电力系统的稳定性分为静态稳定性、暂态稳定性和动态稳定性。电 力系统的静态稳定性是指发电机在稳态运行时遭受到某种微小的扰动后，能自动回复到 原来运行状态的能力。电力系统的暂态稳定性是指系统遭受到大干扰( 如短路、断线等) 时，能否维持同步运行的能力。这里的大扰动是指电力系统发生事故，如高压输电网络 中发生短路或一台主要发电机被切除等，系统发生较强烈的振荡。电力系统的动态稳定 性是指研究电力系统受到扰动后，恢复原始平衡点( 瞬时扰动) 或过渡到新的平衡点( 大 扰动后) 的过程稳定性。 四、励磁控制系统其他方面的作用 除了上述三方面的作用外，励磁控制系统还具有以下的作用： ( 1 ) 提高继电保护动作的灵敏度 若电力系统发生短路故障，其短路电流较小，且随时间衰减，以致带时限的继电保 护不能正常工作。励磁控制系统可以调节励磁对发电机进行强励，不仅有利于提高电力 系统稳定性，而且使得继电保护动作的灵敏度得到提高。 ( 2 ) 快速灭磁 当发电机或升压变压器( 采用单元式接线) 内部故障时，为了降低故障所造成的损 第一章绪论 害，要求发电机快速灭磁。 ( 3 ) 改善电力系统的运行条件 当电力系统出现短时低压时，励磁自动控制系统可大幅度增加励磁以提高系统电 压：反之，当系统电压升高时，可自动减少励磁电流，抑制电压的上升。在下述情况下 可以改善系统的运行条件。 改善异步电动机的自起动条件。 为发电机异步运行创造条件。 减少负荷合闸时的电压下降。 减少重负荷跳闸时系统电压的上升。 1 2 同步发电机励磁控制系统的发展 同步发电机励磁控制研究长期以来是一个非常活跃的领域，长期以来，经过国内外 众多学者和科技工作者的研究探索，励磁系统及其控制技术在理论和实践上，都已取得 了丰硕的成果。 1 2 1 励磁控制规律的发展 励磁控制器的控制规律研究一直是控制领域和电力系统一个极为活跃的课题。励磁 控制理论的发展与自动控制理论的发展是息息相关的，控制理论总的发展趋势是由单变 量到多变量，由线性到非线性，最后到智能化控制。同样，励磁控制方式的发展也经历 了一条与之相对应的道路。励磁控制方式经历了以下几个发展阶段【4 捌： ( 1 ) 经典励磁控制阶段； ( 2 ) 线性多变量控制阶段； ( 3 ) 非线性多变量控制阶段； ( 4 ) 智能控制阶段； ( 5 ) 多种控制方法的综合应用。 ， 近年来模糊控制、人工神经网络和遗传算法的研究和应用给控制领域带来了新发 展，使得智能励磁控制得到了突破性的发展，出现了模糊励磁控制，基于规则( 专家系 统) 的励磁控制，人工神经网络励磁控制，基于遗传算法以及它们的某种结合的励磁控 制等，其基本特点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直觉推理相结合，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尝试，欲推广其应用，还有大量的理论和实 际工作要做。 1 2 2 励磁方式的发展 励磁方式的发展先后经过了直流励磁机励磁、交流励磁机励磁、静止励磁系统等几 第一章绪论 个阶段，其趋势是向大容量、高可靠性、快速响应方向发展，去掉励磁机采用静止励磁 方式，己经成为励磁方式的主流【6 】。 1 2 3 励磁控制器国内外研究现状 一、国内研究现状 我国微机励磁调节器的研制开发比较早，8 0 年代初就有一些电力科研单位和高校开 始研制微机励磁调节器。首先投入运行的是电力部南京自动化研究所( 现电力部电力自 动化研究院) 于1 9 8 5 年研制的适用于大中型发电机的w l t - 1 型励磁调节器。w l t - 1 型 励磁调节器以8 位单板机为核心，采用p i d 调节 7 1 。1 9 9 0 年4 月，南京自动化研究所又 推出w l t - 2 型数字式励磁调节器，该调节器采用i n t e l 公司的1 6 位i s b c 系列计算机 模板，有两个独立的自动通道，互为热备用，在一个通道发生故障的时候可以自动切换 到另一个通道工作，同时增加了线性最优励磁控制和p s s 附加励磁控制【8 ，9 】。华中理工 大学和东方电机厂合作研制了双数字式励磁调节器。该调节器由两套c c s d k 8 6 微型计 算机构成，采用i n t e l 8 0 8 6 c p u 和线性最优励磁控制策略。电力部电力科学研究院与 南京自动化设备厂合作研制了w k k l - 1 型微机双自动励磁调节器，于1 9 9 1 年在湖南耒 阳电厂投入运行。它选用1 6 位工业控制机c c s d k - 8 6 ，在控制规律上以p i d 调节为主， 同时引入了p s s 附加控制。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 单片机，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。武汉洪山电工技术研究所研制开发的h w j t 型单片机数字式励磁调节器于 1 9 9 3 年在邯郸热电厂投入运行，它选用8 0 9 8 单片机为主机型。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 调节为主要控制规律来实现励磁控制，较之传统的模 拟励磁装置在运行速度、控制精度以及控制算法方面有了很大的改进。清华大学分别与 哈尔滨电机厂和北京重型电机厂合作，研制了全数字式励磁调节器，采用s t d 总线结 构或8 0 9 8 单片机结构，控制规律采用比例积分微分调节( p i d ) 、电力系统稳定器( p s s ) 附加控制、线性最优励磁控制( u ) e c ) 和非线性励磁控制( n e c ) ，四种调节规律由用 户选择，具备完善的保护、限制、报警功能。国内还有一些院校、研究所和公司进行了 微机励磁调节器的研制、开发和生产工作经过1 0 多年的努力，在设计、生产和运行方 面已经积累了丰富的经验，微机励磁调节器的优良性能在实际生产运行中也日益显示出 来f 1 ，7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 l 。 二、国外研究现状 国外微机励磁控制器进入实用也是在2 0 世纪8 0 年代，1 9 8 9 年7 月日本东芝公司在 日本八户火力发电所3 号机上投运了双微机系统的数字式励磁调节器：加拿大通用电气 公司( c g e ) 于1 9 9 0 年5 月也开发出了微机励磁调节器；瑞士a b b 公司开发了 u n i t r o l - d 型微机励磁调节器；日本三菱公司1 9 9 3 年投运了m e c5 0 0 0 型系列微机 励磁调节器。此外奥地利e l i n 公司，德国s i m e n s 公司和英国的g e c 公司和 r o l i s r o y e s 公司等也都相继生产出微机励磁调节器。这些大公司均具有很强的科研 开发能力，励磁摔制器所用的计算机系统一般都以专用的高速可编程控制器或高速微机 处理器为核心，采用自行研制的专用控制板组成，从而具有结构：鬃凑，可靠性高的优点。 第一章绪论 其中，a b b 公司的u n i t r o l - d 型多微机微机励磁控制器在我国石洞口电厂、李家峡电 厂等得到使用，三峡7 0 0 m w 机组的励磁控制器由s i m e n s 公司提供；加拿大公司生产 的s i l c o 双通道型微机励磁控制器安装在我国隔河岩水电站的进口机组上；奥地利e l i n 公司生产的微机励磁控制器应用于十三陵抽水蓄能电站、天荒坪抽蓄能电厂和五强溪水 电站等；英国g e c 公司和r o l l s r o y e s 公司生产的微机励磁调节器系列，用在广东 大亚湾核电厂和上安电厂。这些微机励磁控制器大多采用p i d + p s s 控制，各种控制、 限制功能较完善，装置整体制造水平剐1 , 4 , 9 , 1 2 , 1 3 , 1 4 l 。 由国内外研究现状分析可知，励磁控制器从控制通道上看，可分为单通道微机励磁 控制器、双通道励磁控制器和多通道微机励磁控制器；从c p u 的结构上又可分为单c p u 结构和多c p u 结构系统两种形式1 6 , 1 3 j 。 ( 1 ) 单通道微机励磁控制器由单微机及相应的输入输出回路组成，有一个自动调 节通道( a v r ) 和一个独立( 或内含) 手动控制器通道。这种形式在中小型水电站应用 较多。 ( 2 ) 双通道微机控制器由双套微机和各自完全独立的输入输出通道构成两个自动 调节通道( a v r ) 和内含两个或一个手动通道。正常情况下一个通道工作，另一个处于热 备用状态，彼此之间用通讯方式实现跟踪功能，当工作通道故障时，备用通道自动无扰 动接替故障通道工作。这种硬件结构形式通常用于大中型水电机组，以确保机组的连续、 可靠、稳定运行。 ( 3 ) 多通道微机控制器目前主要有两种典型结构。一种是以多微机构成多自动通 道，通常是三通道，工作输出采用3 取2 的表决方式；另一种是由多微机构成两个自动 通道，外加模拟手动通道。多个微机之间依据不同功能有不同分工，相互以通讯方式传 递跟踪各种信息。 ( 4 ) 单c p u 结构的励磁控制器，用单微机实现了励磁控制器的全部功能，硬件电 路简单可靠，但在一片微处理器上要实现采样、励磁控制算法、频率测量和移相触发脉 冲的形成使得软件编程困难。这种励磁控制器通常用于小型机组。 ( 5 ) 多c p u 结构系统是指将励磁控制器按功能分成不同的单元，分别用几个独立 的c p u 实现这些功能。这种励磁控制器通常用于大型水电机组。 从理论上说，双通道、三通道励磁控制器比单通道励磁控制器的可靠性要高，但通 道之间的判定决策、出现故障时通道之间的无扰动切换又成了设计的重点，拙略的设计 反而会使励磁系统的可靠性降低【1 4 j 。多c p u 结构一般都包含d s p 处理器和微控制器 ( m p u ) ，充分利用了d s p 处理器强大的数据处理能力和微控制器( 妇u ) 的实时控制功能， 发挥了各自的优点。多c p u 系统使得励磁控制器的设计条理清除、结构明晰，但各个c p u 之间的数据传送影响到各c p u 之间的协调工作。 1 3 本课题研究的主要内容 由前面励磁控制器的国内外发展状况，可以看出励磁装置今后的发展趋势：在功率 单元，将采用更大功率的可控硅和便j ：托浦0 的大功率可关断三极管( i g b t ) 作为励磁装置 第一章绪论 的功率单元；在控制单元方面，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 ) 作为微机励磁调节器的主控芯片，并采用交流电量测量和全数字 触发回路；在控制模式方面，将向着智能控制方向发展。 为了适应微机励磁控制器的发展趋势，保证励磁系统的可靠运行，本文采用绝缘栅 双极型晶体管( i g b t ) 构成励磁控制系统的功率单元，采用高性能、低成本的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为励磁控制系统的控制核心，为了进一步提高可靠性，本课题的励磁 控制系统采用双机热备用结构【1 5 , 1 6 】。 本课题的主要研究内容有： ( 1 ) 双机热备用同步发电机励磁控制系统的总体结构； ( 2 ) 双机热备用同步发电机励磁控制系统的硬件设计： ( 3 ) 研究双机热备用同步发电机励磁控制系统的励磁功率单元； ( 4 ) 双机热备用同步发电机励磁控制系统的软件设计； ( 5 ) 励磁控制系统的稳定性分析。 6 第二二章d s p 概述 2 1d s p 芯片的发展 第二章d s p 概述 世界上第一个单片d s p 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司宣布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司推出的i n t e l2 9 2 0 是第一块脱离了通用型微循环氯气结构的d s p 芯片，成为d s p 芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须的单周期芯片。 1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的g p d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。 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 i t a c h i 公司，它于1 9 8 2 年推出 了浮点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，从而处理的吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一个高性能的浮点 d s p 芯片应是a t & t 公司于1 9 8 4 年推出的d s p 3 2 。 美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ，简称t 1 ) 在1 9 8 2 年成功推出启迪一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品t m s 3 2 0 1 1 、t m s 3 2 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等，之后相继 推出了第二代d s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 ，t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片 t m s 3 2 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ，第四代d s p 芯片t m s 3 2 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯片 t m s 3 2 c 5 0 c 5 1 c 5 2 c 5 3 以及集多个d s p 于一体的高性能d s p 芯片t m s 3 2 c 8 0 c 8 2 等。 第六代为更高性能的t m s 3 2 0 c 6 4 x c 6 7 x 和高性能的d s p 控制器t m s 3 2 0 c 2 8 x 等。 m o t o r o l a 公司1 9 8 6 年推出m c 5 6 0 0 1 定点d s p 芯片，1 9 9 0 年推出了与i e e e 浮点格 式兼容的m c 9 6 0 0 2 浮点d s p 芯片。 美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s ，简称a d ) 也相继推出了一系列具有自己特点 的d s p 芯片，在d s p 市场上也占有一定份额。 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。 从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 时间已经从8 0 年代初的4 0 0 r l s ( 如 t m s 3 2 0 1 0 ) 降低到4 0 n s ( 如t m s 3 2 c 4 0 ) ，处理能力提高了1 0 多倍。d s p 芯片内部关 键的乘法器部件从1 9 8 0 年的占模片区的4 0 左右下降到5 以下，片内r a m 增加一个 数量级以上。从制造工艺来看，1 9 8 0 年采用铋的n 沟道m o s 工艺，而现在则普遍采 用亚微米c m o s 工艺。d s p 芯片的引脚数量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在的2 0 0 个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加。此外，d s p 芯片的发展，使d s p 系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降l l 列。 2 2d s p 与单片机的比较 ( 1 ) 单片机的特点 单片机们i 称为控制单元( m c u ) ，它在一块芯片一f ：集成了c p u ，r a m ，r o m 第二章d s p 概述 ( e p r o m 或e e p r o m ) 、时钟、定时计数器、多种功能的串行和并行i o 口。除了以 上基本功能外，有的还集成有a d ，d a ，如i n t e l 公司的8 0 1 9 6 系列。概括起来说，单 片机具有如下特点： 有位处理能力，强调控制和事务处理功能； 价格低廉，如低档单片机价格只有几元人民币； 开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多。 ( 2 ) 通用d s p 的特点 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运算的微处 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，如对声音、图像等数字信 号进行处理。d s p 芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、单周 期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集，这就使得其具有快速实 现数字信号处理的功能。不仅如此d s p 芯片还具有以下特点1 1 8 , 1 9 , 2 0 l ： 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； 片内具有快速r a m ，可通过独立的数据总线对其进行访问； 快速的中断处理和硬件i o 支持； 可以并行执行多个操作； 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 这些特点使得d s p 处理器可以实现快速的数据运算，并使大部分运算( 例如乘法) 能够在一个指令周期内完。由于通用d s p 芯片是软件可编程器件，因此具有一般微处 理器具有的方便灵活的特点。 当然，与通用微处理器相比，d s p 芯片的其它通用功能相对较弱些。针对这些弱点， 近年来各大d s p 公司竟相推出了d s p 控制器。如t i 公司、a d i 公司和m o t o r o l a 公司 在占 专乎o ( 3 ) d s p 控制器的特点【2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 4 , 2 5 j d s p 控制器结合了通用d s p 和m c u 的优点，具有比单片机更快的速度和通用d s p 处理器更强的控制能力。d s p 控制器采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间， 允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使d s p 器件 具有高速的数据运算能力。此外，d s p 器件提供j t a g 接口，具有更先进的开发手段， 批量生产测试更方便，开发工具可实现全空间仿真，不占用用户任何资源。软件配有汇 编、c 编译器、c 源码调试器。分析比较结果如表2 - 1 所示。 表2 - 1 微处理器性能比较 m c u通用d s pd s p 控制器 乘累加指令无有有 运算能力一般强强 控制能力强弱强 8 第二章d s p 概述 片内外设 较多 少 丰富 价格便宜高适中 从以上比较可见，d s p 控制器实际上也是一种具有高速数据处理能力的单片机，它 不但具有一般单片机事务密集型的特点，而且使单片机拥有了d s p 的运算密集型的强 大的数据处理能力。d s p 控制器又有别于一般的单片机，它采用了多组总线技术实现并 行运行机制，从而极大地提高了运算速度，也提供了非常灵活的指令系统。近些年来， 各种d s p 控制器的性能不断得以改进，相应的软件和开发工具日臻完善，价格大幅下 降，使得d s p 在控制领域的应用愈来愈广泛。 随着d s p 性能不断改善，用d s p 器件进行实时处理己成为当今技术发展的一个新 热点。d s p 技术的不断完善，各种d s p 器件的不断推出，将为实时数字信号处理的应 用创造前所未有的广阔空间。由以上比较并结合励磁系统的要求，本研究选用了d s p 控制器作为励磁系统的处理器。 2 3 本课题中d s p 芯片的选择 2 3 1 选择的一般原则 设计d s p 应用系统，d s p 芯片的正确选择是非常重要的一个环节。只有选定了d s p 芯片才能进一步设计其它外围电路。总的来说，d s p 芯片的选择应根据实际的应用系统 需要而确定。不同的应用场合、应用目的，对d s p 芯片的选择也不同。一般来说，选 择d s p 芯片时考虑如下诸多因素f 踅，2 7 1 ： ( 1 ) 运算速度 运算速度是d s p 芯片的一个最重要的性能指标，也是选择d s p 芯片时所需要考虑 的一个主要因素。 ( 2 ) 价格 根据实际系统的应用情况，确定一个价格适中的d s p 芯片，通常在开发阶段选用 某种价格稍贵的d s p 芯片。其原因是：系统开发完毕后，选用芯片的价格可能已经大 幅度下降。 ( 3 ) 硬件资源 不同的d s p 芯片所提供的硬件资源是不相同的，如片内r a m ，r o m 的数量，外 部可扩展的程序和数据空间，总线接口，i o 接口等。丰富的硬件资源可大大简化系统 的硬件设计，并提高系统的集成度和可靠性。 ( 4 ) 运算精度 一般的定点d s p 芯片的字长为1 6 位或3 2 位，如t m s 3 2 0 系列。但有的公司的定 点芯片为2 4 位，如m o t o r o l a 公司的m c 5 6 0 0 1 等。浮点芯片的字长一般为3 2 位。 ( 5 ) 开发工具 在d s p 系统的开发过程中，歹：发1 ：具是必不可少的。如果没有开发工具的支持，要 第二章d s p 概述 想开发一个复杂的d s p 系统几乎是不可能的。如果有功能强大的开发工具的支持，如c 语言支持，则开发的时间就会大大缩短。因此，在选择d s p 芯片的同时，必须注意其 开发工具的支持情况。 ( 6 ) 功耗 在某些d s p 应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题。如便携式的d s p 设备、 手持设备、野外应用的d s p 设备等都对功耗有特殊的要求。 可以看出，上述因素中有些互相矛盾，所以在选择芯片的时候，要本着简单适用的原则， 即在满足系统需求、降低系统设计难度的前提下，选择简单经济的d s p 芯片。 2 3 2d s p 芯片的选择 在d s p 市场上有许多著名的芯片公司的d s p 产品，如t i 、a d 、m o t o r o l a 等，目前， 美国t i 公司的d s p 产品在世界d s p 市场上占有主导地位，在国内，1 1 公司拥有许多 的代理商和第三方开发者，他们所提供的1 r i 公司的d s p 产品及开发系统品种较为丰富， 且技术支持及售后服务做的比较好，因此本文决定选用1 r i 公司的t m s 3 2 0 系列产品。 目前，1 i 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 的主打产品主要为以下三类：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 ， t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 及t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列的d s p 产品价格较低，速度为 2 0 m i p s 左右，主要应用于控制领域，如电机控制、工业自动化控制等。t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列的d s p 产品的突出特点则是低功耗高性能，速度为4 0 2 0 0 m i p s 左右，主要应用于 有线和无线通信、l p 、便携式信息系统等。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列的d s p 产品属于t l 公司 的高端产品，其速度可达1 2 0 0 2 0 0 0 m i p s ，主要应用于为网络系统、m o d e m 、交换机、 数字音频及图像处理设备等1 2 8 j 。 由于励磁控制系统属于工业自动化控制的范畴，因此考虑到适用性及价格等方面的 原因，我们选择t i 公司新推出的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，它属于3 2 位的定点d s p ，最高速度 可达1 5 0 m i p s ，可以在单个指令周期内完成3 2 x 3 2 位的乘累加运算，具有增强的电机控 制外设、高性能的1 2 位模数转换能力和改进的通讯接口，具有1 m b 的线性地址空间， 采用低电压供电( 3 3 v 外设、1 8 v 内核) ，与t m s 3 2 0 c 2 4 x 源代码兼容。如表2 2 所示 为其它应用于控制领域的单片机和d s p 与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的性能比较。 由表2 2 可以看出，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为款专为电机控制而设计的d s p 控制器， 它不仅具有运算速度快的特点，而且集成了丰富的片内外设，与其它应用于控制领域的 单片机和d s p 相比，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有明显的优势，能够满足励磁控制器对测量、控 制、保护、开关量输入输出、故障检测、与上位机通讯等多方面的要求，因此，我们选 择t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为励磁控制器的控制核心。 第二章d s p 概述 表2 - 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 与其它控制芯片的性能比较 i n t e l t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2t m $ 3 2 0 u 砣4 0 7t m $ 3 2 0 f 2 4 0m c 6 8 h c l 6 8 x c l 9 6 m c 单周期，单周期，单周期，3 0 个周期，1 2 个周期， 乘加指令 6 6 n s2 5 n s5 0 n s1 9 9 0 n s4 8 0 n s 硬件 有，3 2 3 2 有，1 6 1 6 有，1 6 x1 6 无无 乘法器 加 2 个1 2 位，1 62 个1 0 位，1 62 个1 0 位，1 个8 1 0 位，1 个8 1 0 位， 转换器 路，8 0 n s路，5 0 0 n s1 6 路，6 1l as1 3 路，1 1l as6 路，8 6us p w m 1 6 路 1 6 路 1 2 路8 路4 路 定时器4 个4 个3 个2 个2 个 内置通讯 s p l s c ls p l ，s c ls p l ，s c i 无无 外设 c a nc a n 2 3 3t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片介绍 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是美国1 1 公司最新推出的主频可达1 5 0m h z 的3 2 位定点d s p ，其 功能框图如图2 - 1 所示。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上有丰富的外设资源，主要有模数转换模块 ( a d c ) 、事件管理器模块( e v ) 、串行外设接口模块( s p i ) 、串行通信接i z l 模块( s c i ) ，c a n 控制器模块( e q 气n ) 等【2 9 3 0 3 1 3 2 3 引。 第二章d s p 概述 图2 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的功能框图 f i g 2 - 1f u n c t i o nd i a g r a mo ft m s 3 2 0 f 2 8 1 2 由图2 1 可知，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 芯片的主要特点如下i 蚓： 1 、高性能的静态c m o s 技术 时钟频率可达1 5 0 m h z ( 周期6 6 7 n s ) ： 低功耗，核心电压1 8 v ，外设及i o 口电压3 3 v ； f l a s h 编程电压3 3 v 。 2 、j t a g 边界扫描支持 3 、高性能3 2 位c p u 1 6 x 1 6 位和3 2 x 3 2 位乘法累加操作； 1 6 x 1 6 位的双乘法累加器； 哈佛总线结构； 八级流水线操作； 强大的操作能力： 迅速的中断响应和处理； 统一的寄存器编程模式： 4 兆字的线性程序地址： 4 兆字的线性数据地址； 第二章d s p 概述 可用c c + + 或汇编语言编程，代码高效； 与t m s 3 2 0 f 2 4 x l f 2 4 0 x 系列数字信号处理器的源代码兼容。 4 、片上存储器 1 2 8 k x l 6 位的f l a s h 存储器； 1 k x l 6 位的o t p 型只读存储器； 两块4 k x l 6 位的单口随机存储器( l 0 和l 1 ) ； 一块8 k x l 6 位的单口随机存储器( h o ) ； 两块1 k x l 6 位的单1 2 随机存储器( m 0 和m 1 ) 。 5 、根只读存储器( b o o tr o m ) 4 k x l 6 位 带有软件的b o o t 模式； 标准数学表。 6 、外部存储器扩展接口 最多1 m b 的寻址空间； 可编程等待周期； 可编程读写选择时序； 3 个独立的片选信号。 7 、时钟与系统控制 支持动态改变的锁相环的倍频系数； 片内振荡器； 看门狗定时模块。 8 、三个外部中断 9 、外设中断扩展模块( p i e ) 支持4 5 个外设中断 1 0 、三个3 2 位c p u 定时器 1 1 、1 2 8 位密码保护 保护f l a s h o t p 和l o ，l 1 ； 防止r o m 中程序被非法盗用。 1 2 、运动控制与马达控制外围设备 两个事件管理器与c 2 4 0 兼容且有增强功能： 每个事件管理器各有两个可输出p w m 脉冲的定时器、三个可输出6 路带死区 控制的p w m 脉冲的全比较单元、三个可同时复用做正交编码脉冲电路的捕获 单元及功率驱动保护中断。 1 3 、串行外围设备 串行外设接口( s p i ) ： 两个串行通讯接口，标准u a r t ； 增强型局域网络控制器( e c a n ) ； 多通道缓冲串行接口( m c b s p ) 。 1 4 、1 2 位精度1 6 通道的a ，d 转换器 2 x 8 通道复用输入接门； 第二章d s p 概述 两个采样保持电路； 单连续通道转换； 流水线最快转换周期为6 0 n s ，单通道最快转换周期为2 0 0 n s ； 可以使用两个事件管理器顺序触发8 对模数转换。 1 5 、高达5 6 个可配置通用目的i o 引脚 1 6 、先进的仿真调试功能 分析和断点功能； 硬件支持适时仿真功能。 1 7 、低功耗模式和省电模式 支持空闲模式、等待模式和挂起模式； 禁止外设独立时钟。 1 8 、开发工具 ， a n s ic c + + 编译器汇编器链接器； 支持t m s 3 2 0 c 2 4 x 2 4 0 x 的汇编指令； 代码编辑集成环境； d s p b i o s ：