（电力系统及其自动化专业论文）同步发电机阶跃响应最优控制方法的研究与实验.pdf

a b s t r a c t r e s e a r c ha n de x p e rim e n t so ns t e pr e s p o n s eo p tim a l c o n t r o lm e t h o d so fs y n c h r o n o u sg e n e t r a t o r 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 ri sa l li m p o r t a n tp a r to fp o w e rs y s t e m ，i t ss t a b l eo p e r a t i o n i sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h es t a b i l i t yo f t h ee n t i r ep o w e rs y s t e m t h ev a r i o u sd i s t u r b a n c e s i np o w e rs y s t e m sw i l la f f e c ts t a b l et h eo p e r a t i o no fs y n c h r o n o 鹏g e n e r a t o r s s o ，t h e r e s e a r c ho nv a r i o u sd i s t u r b a n c e sa f f e c t ss y n c h r o n o 璐g e n e r a t o r so p e r a t i o na n de x c i t e r o p t i m a lc o n t r o lm e t h o d s , w h i c hi so f t h eu r g e n tp r o b l e m sn e e dt or e s o l v ei nt h ea c t u a l i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sd i s t u r b a n c e s ，t h ep a p e ru s e sae x c i t e r c o n t r o lm e t h o do fl a r g es t e pd i s t u r b a n c eo b j e c t i v e sg i l i d ea n dc o n t r o lt o w a r dg o a l s ， a n dd e s i g n sb a s e do nt h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7e x c i t e rc o n t r o ld e v i c e s ，w h i c hc a na c h i e v e t h el a b o r a t o r ys t e pd i s t u r b a n c ec o n t r o le x p e r i m e n t s a tf i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ev a r i o u sd i s t u r b a n c e si nt h ep o w e rs y s t e m , a n a l y z e si n t e r n a t i o n a le x c i t e rc o n t r o lr e s e a r c hm e t h o d s ，p r e s e n t sp u r p o s ea n dm e a n i n g o ft h i sp a p e r t h e n , i n t r o d u c e sa b o u td s p , w h i c hi st h eb a s i sk n o w l e d g eo fn e x t d e s i g nb a s e do nd s pe x c i t e rc o n t r o ld e v i c e s i na d d i t i o n , o i lt h eb a s i so f d e t e r m i n i s t i c a n a l y t i c a lm e t h o d s ，f o rt h eq u a d r i cf o r mo p t i m a lm e t h o d s n o t i n t e n d e ds t e pd i s t u r b a n c ev o l t a g es t a b i l i t yc o n t r o lp r o c e s s ，a c c o r d i n gt ot h es p e e i f i e r e q u e s ti nt h ed i f f e r e n tt y p e so fo p e r a t i o n a ld i s t u r b a n c e st r a n s i t i n gt ot h en e w o p e r a t i o np o i n t ，t h i sp a p e rt a k e s t h et a r g e tm a i na f f e c t i n gc o n t r o lr e s u l t s a s p r i o r i t y , p r e s e n t sap h a s e dc o n t r o lm e t h o d st h a ts i n g l et a r g e tg u i d i n ga n da c c u r a t e c o n t r o lo f a p p r o a c ht a r g e t s t ot e s tt h ee f f e c t i v e n e s so f t h i sc o n t r o lm e t h o d , t h ep a p e r d e v e l o p e st h ee x c i t e rc o n t r o ld e v i c e st h a tb a s e do nd s p f i n a l l y , o nt h eb a s i so f a b s t r a c t e x c i t e rc o n t r o ld e v i c e s ，a c h i e v i n gs t e pd i s t u r b a n c et a r g e tg u i d i n gc o n t r o lm e t h o d s ： e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee x c i t e rc o n t r o ld e v i c e st h a tb a s e do nd s p i s r a p i da n de f f e c t i v e ，a n ds t e pd i s t u r b a n c ec o n t r o lm e t h o d si ss i m p l ea n de a s i l ya p p l i e d s t e pl 舡g ed i s t u r b a n c et r a n s i t i n gt ot h en 跚o p e r a t i o np o l a rt a r g e tg 试d m gt h e o r ya n d p r a c t i c ec o i n c i d eb c t t c r , t o g e t h e rw i t ht h ea c c u r a t ec o n t r o lo f a p p r o a c ht a r g e t s ，f o r m e d ag r o u po fp r a c t i c a la n de f f e c t i v em e t h o d si nt h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o re x c i t e r c o n 们1 k e yw o r d s ：s t e pd i s t u r b a n c e ；e x c i t e rc o n t r o l ；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ； t a 昭e tg u i d i n g m 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其 中包括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文， 学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位 论文：( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为 资料在图书馆、资料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供 校内师生浏览部分内容。 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名：壑盎蠲 日 期：兰! 1 5 ：i ：2 1 导师签名：圆：互翌 日期：塑1 6 ：& ! 圣9 1 1 引言 第一章绪论 同步发电机是电力系统的重要组成部分，它的稳定运行直接关系到整个电 力系统的稳定。引起同步发电机不稳定运行的扰动因素很多，电力系统中的各种 扰动现象如：负荷时刻变化，各种故障现象( 短路，断线，切机等) ，都会对同 步发电机的稳定运行产生影响。因此，研究各种扰动对同步发电机运行的影响及 其励磁最优控制方法，用以解决工业生产中的实际问题，具有重大意义。 同步发电机的运行特性与它的空载电动势最值的大小有关，而e 。的值是发 电机励磁电流如的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行 特性。因此，对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实行控制的重要 内容之一。 同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，如 图1 1 图所示。励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流；励 磁调节器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。整个励磁自 动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。 f ：励磁调节器j 图1 - 1励磁控制系统原理图 f i b 1 - 1 s c h e m a t i cd i 姆 a mo f e i t a t i o nc o n t r o l 母s t e m 在同步发电机发电系统中，励磁调节系统是其中的重要组成部分，通过对发 电机参数( 如定子电压、电流，励磁电压、电流等) 的监测，控制励磁电路功率 器件( 如i g b t 或s c r ) 导通角的大小，从而改变励磁电流的数值，以保证发电 机组发出电能的质和量( 如输出电压的大小和稳定性、无功功率的出力大小) 。 至今，励磁调节器的发展经历了从半导体式到微机式的过程，随着微电子技术和 大规模集成电路技术的发展，微机励磁调节器必将取代半导体式励磁调节器。首 先，微机励磁调节器具有强大的计算和逻辑功能，可以相对方便地实现复杂的控 制策略，除能够实现模拟式励磁调节器可以实现的各种功能外，还可以实现模拟 式励磁调节器较难以实现的一些控制策略，增强了励磁控制功能，改善了发电机 的运行工况。其次，微机励磁调节器的控制和算法都由软件完成，因此它比模拟 式励磁调节器便于修改、灵活性强。第三，微机励磁调节器还可以实现更加完备 的限制和保护功能，并具有操作简单、维护方便以及便于试验和调试的优点。此 外，微机励磁调节器还具有高可靠性和较强的通信功能，方便进行机组间的综合 协调。微机励磁调节器一直用单片机作为数据处理和控制核心，本论文介绍了应 用t m s 3 2 0 2 0 0 0 系列芯片设计的微机励磁调节器。 整个励磁控制系统的发展包括有两个方面的内容：一方面是主励磁系统本身 即励磁方式的改进与发展；另一方面是励磁调节器即励磁控制方式的改进与发 展。显然这两方面的内容是相互关联、相互牵制和相互促进的，本论文主要研究 励磁控制方式。 1 2 电力系统扰动问题概述 “ 电力系统是一个多变量的动态大系统，具有强非线性、变结构、时变性和不 确定性的特点。电力系统中存在各种扰动现象如：负荷时刻变化，各种故障现象 ( 短路，断线，切机等) 时有发生，这些扰动都对电力系统的安全稳定运行产生 ，定影响。与电力系统动态行为有关的研究对象，如励磁控制，调速器控制、 f a c t s 控制、负荷频率控制等，目前已经有了l y a p u n o v 方法，h o o 控制、反馈线 性化、变结构控制等在内的多种电力系统稳定控制方法嘲。 电力系统运行可靠性，就是系统承受这样或那样扰动的能力，可以用系统的 稳定程度来描述。系统稳定又可分为在系统中常发生的小扰动时的静稳定性和大 扰动时的动稳定性。扰动是多种多样的，例如：输电线短路、失去发电功率、增 加负荷或甩负荷等等。电力系统中的。扰动”的概念大多数情况下是指功率的波 2 第一幸爿啼 动，而其中又主要是有功功率波动，即是负荷的变动和发电机出力的变动或者由 于系统参数的突然改变带来的系统功率波动。同时“扰动”有时还包括电压的变 动，脉冲的干扰等。 同步发电机是电力系统中发电的重要设备，对电力系统的稳定运行起着关键 性的作用，对同步发电机的励磁控制就显得格外重要。引起同步发电机励磁调节 过程的扰动可分为阶跃扰动( 起励建压、负荷功率突变、甩负荷等) 和脉冲扰动， 阶跃扰动是通过励磁调节使发电机从起始运行状态过渡到新的稳态平衡点的过 程。脉冲扰动是发电机在起始状态点受到扰动，尚未达到新的稳态平衡点，经调节 又恢复到起始状态的过程。嘲 大型同步发电机的励磁控制系统对电力系统的安全稳定运行有重要的影响。 励磁控制系统的主要任务是维持发电机或其他控制点( 例如发电厂高压侧母线) 的电压在给定水平上以提高电力系统运行的稳定性。 电力系统的稳定包括功角稳定、电压稳定及频率稳定。稳定实际是一个动态 。 过程，主要是指电力系统受到大1 4 干扰，造成系统发电与负荷之间的不平衡，进 而引起同步电机电压相角的再调整，从而建立起一个新运行状态的过程。按照电 力系统遭受干扰后的过渡过程，一般将稳定分为静态稳定、动态稳定和暂态稳定。 静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生自发振荡和非周期性的失步，自动 恢复到起始运行状态的能力：暂态稳定是指电力系统受到大干扰后，各同步电机 保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力，通常是指保持第 一或第二个振荡周期不失步；动态稳定是指电力系统受到小的或大的干扰后，在 自动调节和控制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性的能力。下面简单介绍 一下这三种稳定。 静态稳定：在正常运行情况下，同步发电机的机械输入与电磁输出功率是保 持平衡的。同步发电机以同步转速运转。其特征通常用功一角特性予以表示，对 于汽轮发电机，其功一角特性为：| p = ；华s i n j 以 式中e 一发电机内电势。 以一受端电网电压； 奄一发电机与电网间的总电抗。 如果发电机在运行中可自动调节励磁，则此时e 为变值，相应的传输功率 可得到显著的提高哪。+ 、一 。“ 暂态稳定 暂态稳定是电力系统受大扰动后的稳定性。励磁控制系统的作用主要由以下 3 个因素决定。 ( 1 ) 励磁系统强励顶值倍数 提高励磁系统强励倍数可以提高电力系统暂态稳定。提高励磁系统强励倍数 的要求。与提高调压精度并没有矛盾。 ( 2 ) 励磁系统电压响应比 励磁系统电压响应比越大，励磁系统输出电压达到顶值的时间越短，对提高 暂态稳定性越有利。电压响应比主要由励磁系统的型式决定，但是，励磁控制器的 控制规律和参数对电压响应比也有举足轻重的影响。在相同的控制规律下，增大 、 励磁控制系统的开环增益可以提高励磁电压响应比，同时，也能提高电压的调节 精度。 ； ， ( 3 ) 励磁系统强励倍数的利用程度， t 充分利用励磁系统强励倍数，也是发挥励磁系统改善暂态稳定作用的一个重 要因素。如果电力系统发生故障时励磁系统的输出电压达不到顶值，或者维持顶 值的时间很短，在发电机电压还没有恢复到故障前的值时，就不再进行强励了，那 么它的强励倍数就没有得到很好发挥，改善暂态稳定的效果也就不好。充分利用 励磁系统顶值电压的措施之一，就是提高励磁控制系统开环增益。开环增益越大， 强励倍数利用就越充分，调压精度也越高，也越利于电力系统暂态稳定性的改善。 动态稳定 电力系统的动态稳定性问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。励 。 磁控制系统中的自动电压调节作用，是造成电力系统机电振荡阻尼变弱( 甚至变 负) 的最重要的原因之一哪。在一定的运行方式及励磁系统参数下。电压调节作用 在维持发电机电压恒定的同时，将产生负的阻尼作用。许多研究表明，在正常实用 的范围内，励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的增大而加强。因此提 高电压调节精度的要求和提高动态稳定性的要求是不相容的。下面分析解决此不 相容的办法： ( 1 ) 放弃调压精度要求，减小励磁控制系统的开环增益。但这对静态稳定性和 暂态稳定性均有不利的影响，是不可取的。 ( 2 ) 在电压调节通道中。增加一动态增益衰减环节。这种方法可以达到既保持 电压调节精度，又可减小电压调压通道的负阻尼作用的两个目的。但该环节使励 磁电压响应比减小，不利于暂态稳定性，也是不可取的。 ( 3 ) 在励磁控制系统中，增加附加励磁控制通道。解决电压调节精度和动态 稳定性之问矛盾的有效措施，是在励磁控制系统中增加其他控制信号。这种控制 信号可以提供正的阻尼作用，使整个励磁控制系统提供的阻尼是正的，而使动态 稳定极限的水平达到和超过静态稳定的水平。这种控制信号不影响电压调节通道 的电压调节功能和维持发电机端电压水平的能力，不改变其主要控制的地位嘲，7 因此，称为附加励磁控制。 本论文主要论述的是系统受到大干扰后励磁控制对暂态稳定性问题的影 响，而对于静态稳定性问题不做太多的讨论。 - ， 1 3 国内外同步发电机励磁控制方法的发展 励磁控制理论的发展与控制理论本身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，再到智能化控制。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。 最先应用在微机励磁控制器上的是按发电机端电压偏差的比例一积分一微 分调节的p i d 调节方式。p i d 调节方式虽在一定程度上提高了稳态电压精度，却 不能有效地改善系统的动态品质与提高系统的稳定水平。尤其是快速励磁方式的 采用会使电力系统特性恶化，致使出现负阻尼情况，使电力系统发生低频振荡。 为了改善p i d 式励磁控制器在稳定性以及在提供人工阻尼方面的不足，美国 学者f d d e m e l l o 和c c o n c o r d i a 采用古典控制理论中的相位补偿原理，于1 9 6 9 年 提出了电力系统稳定器( p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r ，缩写为p s s ) 的辅助励磁控制策 略，从而形成了“a v r + p s s ”结构的励磁控制器。这样，励磁控制技术由单输 入的控制系统发展成为双输入的控制系统，a v r 十p s s 这一控制方式至今仍被广 泛采用。m 然而，电力系统是多自由度的，亦即多变量的多输入、多输出的动力学系 ， 统。电力系统控制的实践也表明无论从提高电力系统的稳定性还是从改善电力系 统的动态品质出发都需要有多变量参与控制，多变量反馈控制是电力系统这一控 制对象的客观需求。然而，以上两个阶段励磁控制器的设计方法均是基于以传递 函数为基础的古典控制理论，对电力系统这样的多输入、多输出或多个控制信号 的系统就较难解决 随着现代控制理论和实践的发展，研究方法和使用工具得到了不断的改进。 7 0 年代，作为现代控制理论分支的状态空间法获得了迅速发展，建立了完整的控 制系统状态空间描述方法以及多维空间中的算子理论，它的研究对象扩展到多输 入一多输出的动态系统，使用的数学工具的范围涉及到现代微分方程理论、泛函 极值理论和线性代数等。与此同时，微电子技术和计算机控制技术的高速发展以 及晶闸管快速励磁控制系统的广泛应用，为高度智能化的微机励磁调节器应用于 工业现场提供了先决条件。励磁控制对电力系统稳定性的改善己经受到广泛重 视，同时电力系统不断涌现的新问题，也促使了励磁控制技术的进一步提高。 7 0 年代余耀南首先提出将最优控制理论应用到电力系统中，国内则是清华大 学首先建立和完善了线性最优励磁控制器的理论体系，并与天津电气传动研究所 共同研制出了第一台基于线性最优励磁控制理论的模拟式线性最优励磁装置，于 1 9 8 6 年安装于甘肃碧口水电厂，标志着线性最优励磁控制理论已达到了工业应用 阶段。基于线性最优理论的线性最优励磁控制器有一套严整的设计理论，这比在 很大程度上依赖工程经验的传统a v r + p s s 设计大大地前进了一步。由于考虑了 电力系统多个控制目标的综合，并采用最优化设计，因而具有更好的动态性能， 在鲁棒性和适应性上也有很大改善。基于线性最优控制理论的线性最优励磁控制 器可以使远距离输电系统的静稳定极限大为提高，几乎达到机端电压恒定时的线 路功率极限，同时改变系统遭受小扰动的阻尼特性。但这种励磁控制器是针对电 力系统局部线性化模型来设计的，这样设计出的励磁控制器能保证在运行点附近 具有良好的控制性能，当偏离运行点时，控制性能就会变差，因此在强非线性的 电力系统中对大干扰的控制效果不理想。针对线性最优励磁控制所存在的不足， 国内外提出了很多改进型的最优励磁控制技术，其主要思路是对最优反馈增益进 行实时跟踪，构成适应型最优励磁控制器，同时，多机电力系统中的分散最优励 磁控制器的设计方法也得到了发展，值得指出的是，国内对最优励磁控制的研究 6 是深入和持久的，在理论和实践上都取得了丰硕的成果。迄今为止，线性最优励 磁控制器已进入实用阶段，成为兼有调节器( a v r ) 和稳定器( p s s ) 功能，可供大 型发电机组选择的励磁控制方案之一。”“”1 随着电力工业的不断发展，目| j 的电力系统己发展成为一个巨维数的典型动 态大系统，它具有强非线性，时变性且参数不确切可知，并含有大量未建模动态 部分。而上述几种励磁控制器的设计方法均是针对线性定常系统，并且均是基于 系统的局部线性化模型来设计的。如何有效提高励磁控制器对电力系统的强非线 性和时变性的适应能力成为现代励磁控制器设计的主要任务。在这一阶段，自适 应控制、非线性控制以及智能控制等理论相继被引入励磁控制系统的设计当中。 将自适应控制理论应用于励磁控制器和电力系统稳定器的设计始于八十年代初 期，取得了很多有意义的成果。文献 1 1 ， 1 2 1 分别设计了一种自适应最优励磁 控制器及自适应最优电力系统稳定器。非线性励磁控制理论的研究也始于八十年 代，清华大学应用微分几何控制理论，提出了一种多机电力系统发电机励磁非线毒 性反馈解耦控制器的设计方法，并结合最优理论，提出了一种解耦非线性最优励 磁控制器，并从理论上证明了基于微分几何的非线性控制器在线性二次最优意义t 上与线性化系统最优控制是等价的，是一种非线性最优控制。文献 1 3 对非线性 理论作了详尽的阐述。 与此同时，以( 滑模) 变结构控制、b o o 控制为代表的鲁棒控制理论在同步发 电机励磁控制理论中也得到了应用。“”。”1 近年来，灰色控制，模糊逻辑控制， 专家系统，人工神经网络以及遗传算法等智能化控制策略都被用于励磁控制系统 的设计当中。“”“”啪m 1 它们的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。其中，智 能技术既可以作为一种上层策略以实现在线或离线调整或优化原非智能控制器 的参数和或结构，也可以作为一种底层控制规律柬取代原有励磁控制的某一环 节，实现特定的控制算法或映射关系。目前，鲁棒励磁控制理论和智能型励磁控 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尝 试，欲推广应用，还有大量的实际问题需要进一步的研究。 以上我们对目前已有的各种励磁控制方式做了简单的论述，从中可以了解到 7 这样几点：首先，实际电力系统对励磁控制有着多种不同的要求，若想同时满足 这些要求，单靠励磁控制是办不到的；其次，实际励磁控制系统是一个非常复 杂的时变非线性系统；再次，已有的励磁控制方法各有其优缺点，但不同程度上 都存在着所使用控制理论的适用面与励磁系统特性之间的矛盾。据此我们可以初 步得出这样的结论：应该针对控制对象的具体行为，结合智能策略控制，就有望 取得更好的控制效果，而针对控制对象的具体行为，就有必要较为详细、深入地 讨论同步发电机在各种扰动下所需的控制方法。 。 1 4 本课题研究的目的和意义 以上所说的控制方法多是抑制振荡的，这方面的文章很多，研究成果也很多， 目前9 0 9 6 的研究都是从抑制振荡入手然而，工业实际当中9 0 以上的扰动是运 行点发生变化的阶跃扰动，再看同步发电机励磁系统的基本要求中有： ( 1 ) 自动励磁装置应保证发电机突然零起升压时端电压超调量不得超过额定 值的1 5 ，调节时间不大于l o s ，阶跃大扰动的调节时间更短，至多为3 5s ( 2 ) 在额定功率因数下，当发电机突然甩掉额定负载后，发电机电压超调量不 大于1 5 2 0 额定值，振荡次数不超过3 5 次，调节时间不大于5 s 。 c 3 ) 发电机空载时在额定电压下，突增阶跃响应l o 时，常规励磁系统超调量 不应大于阶跃量的5 0 9 6 ，快速励磁系统不超过3 0 。噙1 从以上要求我们可以看出工业实际需要做的是对同步发电机阶跃扰动的控制，目 前这方面的研究很少，所以本课题的研究是非常有必要的，更具有实际意义。 基于以上原因，本课题的研究是根据同步发电机运行的基本问题，根据各种 ，扰动的特点，讨论同步发电机阶跃扰动的控制耳标，研究各种阶跃扰动的最优控 制方法，为同步发电机的快速稳定运行提供合理的控制方法。 8 第= 0 s p ( 囊字伯号笼理器) 翻i 蓬 第二章d s p ( 数字信号处理器) 综述 2 1d s p 发展历史及其应用 d s p 芯片，也称数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，简称d s p ) ，是一 种具有特殊结构的微处理器。d s p 芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具 有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快 速地实现各种数字信号处理算法。 d s p 是一门涉及多学科、应用于众多领域的新兴学科，它是利用计算机或专 用处理设备，以数字形式对信号进行采集、交换、滤波、估值、增强、压缩、识 别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。数字信号处理的实现方法很多如： 在通用计算机( 如p c 机) 上用高级语言实现；在通用计算机系统中加上专用的加 速处理机实现；在通用的单片机( 如m c s 一5 1 ，9 6 系列) 等实现。但上述几种方法中 存在的缺点是处理速度较慢，仅适合简单的控制算法，应用受到很大限制。随着 数字信号处理越来越高的要求，只有用可编程d s p 芯片实现方法才使数字信号处 理技术得以广泛的应用。嘲 2 1 1d s p 的发展历程阻”1 d s p 发展历程大致分为三个阶段：7 0 年代理论先行，8 0 年代产品普及，9 0 年代以后突飞猛进。在d s p 出现之前数字信号处理只能依靠m p u ( 微处理器) 来完成。但m p u 较低的处理速度无法满足高速实时的要求。因此，直n 7 0 年代， 有人才提出了d s p 的理论和算法基础。那时的d s p 仅仅停留在教科书上，即便是 研制出来的d s p 系统也是由分立元件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航 天部门。世界上第一个单片d s p 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 1 l ，1 9 7 9 年美国 i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。但这两种芯 片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。 随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的i x p d 7 7 2 0 是 第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。这种d s p 器件采用微米工艺 n m o s 技术制作， 虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比m p u 快了几十倍，尤其在语音合成和编码解 码器中得到了广泛应用。之后，许多大公司a d m o t o r o l a , l u c e n t , n e c 等都相继 推出了自己的d s p 产品。至8 0 年代中期，随着c m o s 技术的进步与发展，第二代 9 第= 章d s p ( 囊：字信号笼理嚣) 缘造 基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高， 成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。8 0 年代后期，第三代d s p 芯片问世， 运算速度进一步提高，其应用于范围逐步扩大到通信、计算机领域。 9 0 年代d s p 发展最快，相继出现了第四代和第五代d s p 器件。现在的d s p 属 于第五代产品，它与第四代相比，系统集成度更高，将d s p 核芯及外围元件综合 集成在单一芯片上。这其中最成功的是美国德洲仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ，简 称t d 的产品，1 r i 公司的产品跨越了六代，分为三大系列平台：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系 列适于控制应用；t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列适于低功耗应用；t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列则适 于高性能运算的应用，例如a d s l 、无线基站、数字广播设备以及联网系统等。 目前t i 公司已成为世界上最大的d s p 芯片供应商，其d s p 市场份额占全世界份额 近5 0 。这种集成度极高的d s p 芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐 渐渗透到人们日常消费领域。； 经过2 0 多年的发展，d s p 产品的应用已扩大到人们的学习、工作和生活的各 个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。目前，对d s p 急剧需求的时 代已经来临，发展前景十分壮观。 2 1 2d s p 芯片的应用状况”制 d s p 器件出现在2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代初，在当时，d s p 技术首先用 于军事的声纳和雷达、监测和监听设备以及气象卫星、地震监测器等。8 0 年代 后开发出通用产品，逐步进入民用产品各领域。进入9 0 年代后，d s p 器件的应 用开始进入普及阶段，目前用于通信的占一半以上，计算机、消费类电子产品、 交通工具等应用也不少，并都保持着日益增长之势，据市场调查公司i c e 统计， 1 9 9 8 年3 3 4 亿美元的d s p 市场上，通信占4 8 ，计算机m o d e r n 占3 0 ，硬盘 机1 2 ，消费类产品5 ，军用航空航天5 ，d s p 典型的应用产品系统包括：电 视会议、文件成像、电视电话、数字蜂窝电话、杜比数字设备、马达调速、m o d e m 、 可视地图等，甚至空调、洗衣机等为节省电能也都开始采用1 d s p 。d s p 器件在 9 0 年代末和2 1 世纪初成为新的技术增长点，d s p 市场正处于高速成长的阶段。 在数字化、个人化和网络化的推动下，1 9 9 7 年世界d s p 市场营销额超过3 2 亿美 元，预计未来的年均增长率高达4 0 ，按照这一增长速度，至2 0 0 7 年，世界 d s p 市场营销额将突破5 0 0 亿美元如此高速增长，将吸引着越来越多的半导体 ：1 r - - td s p ( 敦字信号处理器) 缘述 厂商争相竞放，但目前只有几家厂商企业占据了绝大部分的市场份额，其中1 r i 公司独占鳌头，占世界市场4 5 以上的份额，其次是朗讯( 2 8 ) 、a d i ( 1 2 ) 、摩托罗拉( 1 2 ) 、其他公司( 3 ) 。 目前，制约d s p 技术更快普及的主要因素是：同通用单片机相比，价格仍然 比较昂贵；受技术水平的限制，由于d s p 的运算速度比较快，电路中会因高频出 现干扰等问题，解决方案并非能够轻易掌握；开发工具有待改善，现有开发工具 虽然比较丰富但有缺陷。但随着d s p 芯片性价比的日益提高，以及开发工具的不 断完善，可以预见d s p 芯片将会在更多的领域内得到更为广泛的应用。 2 2d s p 芯片的基本结构及其特点m “1 为了快速地实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用特殊的软、硬件结 构。以1 1 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 芯片为例，其基本结构包括：哈佛结构；流水线 操作；专用的硬件乘法器；特殊的d s p 指令；快速的指令周期。这些特殊的内部 硬件结构和指令的配合使得d s p 在进行数字信号处理时相当优越，下面分别介绍 这些特点是如何在t m s 3 2 0 系列d s p 芯片中应用并使得芯片功能得到加强的。 ( 1 ) 哈佛( h a r v a r d ) 结构 哈佛结构的主要特点是程序和数据具有独立的存储空间，有着各自独立的程 序总线和数据总线，由于可以同时对数据和程序进行寻址，大大地提高了数据处 理能力，非常适合于实时的数字信号处理。1 r i 公司的d s p 芯片结构是基本哈佛结 构的改进类型。改进之处是在数据总线和程序总线之间进行局部的交叉连接。这 一改进允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片 的灵活性。只要调度好两个独立的总线就可使处理能力达到最高，以实现全速运 行。改进的哈佛结构还可使指令存储在高速缓存器中( c a c h e ) ，省去了从存储器 中读取指令的时间，大大提高了运行速度。 ( 2 ) 流水线操作 在流水线操作中，一个任务被分解为若干个子任务，各个任务可以在执行时 相互重叠。d s p 指令系统的流水线操作是与哈佛结构相配合的，增加了处理器的 处理能力，把指令周期减小到最小值，同时也就增加了信号处理器的吞吐量。以 1 1 公司的t m s 3 2 0 系列产品为例，第一代t m s 3 2 0 处理器( 例如t m s 3 2 0 c 1 0 ) 采用 了二级流水线操作；第二代产品( 例如t m s 3 2 0 c 2 5 ) 采用了三级流水线操作；第 第= 章d s p ( 数字信号笼理器) 缘连 三代d s p 芯片( 例如t m s 3 2 0 c 3 0 ) 采用了四级流水线操作图2 - 1 所示为一个三级 流水线操作的例子。在流水线操作中，d s p 处理器可以同时并行处理2 6 条指令， 每条指令处于其执行过程中的不同状态。 。 1 i _ j_ j_ j n n + ln + 2 1rr、r n 1nn + l 、r1 r1r n 2n l jn 图2 - 1 三级流水线操作示意图 。f i g 2 - 1t h r c e - l e v e lp i p c l i n eo p c r l i t i o n ， n 。 ( 3 ) 专用的硬件乘法器 在一般的计算机上，算术逻辑单元( a l u ) 只能完成两个操作数的加、减及逻 辑运算，而乘法( 或除法) 则由加法和移位来实现。因此，在这样的计算机的汇编 语言中虽然有乘法指令，但在机器内部，实际上还是由加法和移位来实现的，因 此它们实现乘法运算就比较慢。与一般的计算机不同的是，d s p 都有硬件乘法器， 使乘法运算可以在一个指令周期内完成。如在t m s 3 2 0 c 2 x 系列d s p 芯片中，有一 个硬件乘法器，在t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列中则有两个硬件乘法器 ( 4 ) 特殊的d s p 指令 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的另一个重要特征是有一套专门为数字信号处理而设 计的指令系统，这些特殊指令能够使程序更加精练、执行更有效率。 ( 5 ) 快速的指令周期 w， ”一 ”； ” c m o s 技术、先进的工艺、哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特 殊的d s p 指令再加上集成电路的优化设计，使得d s p 芯片的主频不断提高，可使 d s p 芯片的指令周期在2 0 0 n s 以下。t m s 3 2 0 系列处理器的指令周期已经从第一代 的2 0 0 n s 降低到现在的2 0 n s 以下。可以预见，随着微电子技术的发展，。工作频率 还将继续提高，指令周期将进一步缩短。快速的指令周期使得d s p 芯片能够实时 实现许多数字信号处理的应用。 t 1 2 第= 章d s p ( 数字信号处，理器) 壤遣 ( 6 ) 支持灵活的寻址方式 支持循环寻址、位翻转寻址等适合实现数字信号处理算法的特殊寻址方式。 ( 7 ) 拥有简便的内存接口 为了避免使用大型缓冲器以及复杂的内存接口，t m s 3 2 0 系列d s p 尽可能简 化电路设计，减少内存访问。 ( 8 ) 针对寄存器文件和累加器优化 使用多种专用寄存器文件，为高速运算提供优化；提供很大的累加器，并可 对如数据溢出等异常情况进行处理。 2 3 - i m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 芯片介绍鸪”1 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片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外围电路系统的其它电路。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。一般来说，选择d s p 芯片时考虑如下诸多因素： d s p 芯片的运算速度、价格、硬件资源、开发工具，芯片的功耗等。 2 3 1d s p 芯片的选型 目前，d s p 市场上各公司的产品型号繁多，选择哪家公司的产品是个值得考 虑的问题。根据市场调查公司i c e l 9 9 8 年的统计。世界主要的d s p 生产厂商有四 家，依次为：1 7 、l u c e n tt e c h n o l o g y 、a n a l o gd e v i c e 、m o t o r o l a 。其l u c e n t 由于技术传统，力量主要集中在通信用d s p 的开发生产上；a d 公司则致力于数字 马达控制：m o t o r o l a 公司的经营重点与l u c e n t 相仿，其d s p 产品主要应用于公司 内部通信系统。而n 公司在业界处于主导地位，其d s p 市场份额占全世界份额近 5 0 。在国内，t i 公司有不少的代理商及第三方开发者，他们所提供的t i 公司的 d s p 产品及开发系统也较为丰富。因此，从技术优势、市场销售、技术服务等方 面考虑，决定选择1 1 公司的产品。t i 公司的主打产品为t m s 3 2 0 ，其发展跨越了 六代，分为三大系列平台：c 2 0 0 0 系列、c 5 0 0 0 系列和c 6 0 0 0 系列。c 5 0 0 0 系列和 c 6 0 0 0 系列属于高性能的高端产品，主要应用于语音、图像处理；而c 2 0 0 0 系列 主要应用于控制领域，如电机控制、工业自动化控制等，其价格也相对较低，性 能上完全满足本课题的设计要求。因此，决定选用( 2 2 0 0 0 系列中的1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 第二章d s p ( 教字信号处理嚣) 综述 芯片作为装置的核心部分。下面就具体介绍有关t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 器件的内部构成 以及性能特点。 母 2 3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 介绍 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是1 1 公司主推的定点d s p 之一，通过将存储器和外设集成 到控制器内部，兼实时处理能力和控制器外设功能于一身，为励磁控制系统的设 计提供了一个理想的平台。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的功能结构如图2 - 2 所示。 b 。 图2 - 2 d s 3 2 0 f 2 4 0 7 d s p 结构框图 f i g2 - 2t h es m m r ed i a g r a m o f t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 一，一，。11 。十t q ， qt t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的指令执行速度是3 0 m i p s ，几乎所有的指令都可以在一个 3 3 n s 的单周期内执行完毕。这使高性能的复杂控制算法的实时执行成为可能。 具有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构特点，有强大的片内i o 端 口而且他有为电机控制应用提供单片解决的方案所必需的外围设备。这个应用优 化的外围设备单元与高性能的d s p 内核一起，使在所有类型电机的高精度、高 效、全变速控制使用先进的控制技术成为可能。在t m s 3 2 0 系列d s p 的基础上， 1 4 第= 章d s p ( 藏字信号笼理器) 缘述 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 具有如下特点： 1 、t m s 3 2 0 c 2 x x 核心c p u ： ( 1 ) 3 2 位中央算术逻辑单元( c a l u ) ，在单个机器周期内执行3 2 位操作； ( 2 ) 3 2 位累加器，用来保存c a l u 计算结果并为下一次c a l u 操作提供输 入，它具有移位和循环操作功能； ( 3 ) 1 6 位1 6 位的硬件乘法器，可在单个机器周期内产生3 2 位结果； ( 4 ) 三个定标移位器，包括输入数据定标移位器、输出定标移位器和乘积定 标移位器； ( 5 ) 八个1 6 位辅助寄存器和一个辅助寄存器算术单元，间接寻址用； ( 6 ) 程序控制器，对指令进行译码。 2 、存储器 ( 1 ) 5 4 4 字的数据程序双口r a m