（水利水电工程专业论文）dsp微机励磁控制系统研究与开发.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知。 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：歪崆明年弓月岬只 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定即：研究生在 校攻读学位期问所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许可决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 论文作者签名：左至f 哇导师签名：童邀弦卿年3 月，9 日 d s p 微机励磁控制系统研究与开发 学科名称：丛型查电工程研究方向：盔型电力自动丝 答辩时间：2 0 0 4 年3 月 摘要 励磁控制器是同步发电机励磁系统的重要组成部分，对于电力系统的安全稳 定运行起着十分重要的作用。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机安全可靠 运行，为电网提供合格的电能，而且能够有效地改善电力系统静态与暂态稳定性。 本文介绍了微机励磁装置的特点、发展现状及存在的问题，论述了微机励磁 调节的原理和实现方法，研究开发基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x ad s p 处理器的励磁控制 ( 调节) 器，并详细介绍该励磁控制器的具体软硬件设计和实现方法。 该励磁控制器充分发挥了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x ad s p 处理器的强大的数据运算能力、 丰富的片内外设资源和较强实时控制能力，用单片系统结构实现了快速交流采样， 数字同步脉冲形成，c a n 现场总线网络、以及p i d 控制算法和各种励磁限制等功 能；用c p l d 器件实现了开关量抖动预处理和可控硅触发脉冲遗漏的检测，减轻了 d s p 处理器负担，提高了励磁控制器可靠性、抗干扰能力和控制能力；使用v c + + 6 0 开发的基于w i n d o w s 操作系统的励磁系统调试软件，人机界面简洁友好，使用 操作灵活方便。 以t m s 3 2 0 1 f 2 4 0 x ad s p 为核心处理器的励磁控制器具有结构简单可靠，性能价 格比高的优点，广泛适用于各种同步发电机励磁控制，特别是中小型水轮发电机， 对于促进我国中小型电站的发展具有十分重要意义。 关键词：励磁控制器：d s p 处理器；交流采样；复杂可编程逻辑器件；u s b 接口 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe x clt a t10 nc o n t r o ls y s t e m b a s e do nd s p s u b j e c t ： 、旦! 盟! q ! ! ! ! ! ! i ! 星旦g i ! ! ! 芏i 望g s p e c i a l i 厦y ：星! ! ! ! i ! 鱼里! ! q 巫垦i q ! c a n d i d a t e ： 苎h i ￥i 旦! 璺g s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：! i ￥! ! i 垦s i g n a t u r e ：堑上然 鱼垦垒g 。i i 垦旦g b i i s e g n a t u r e a b s t r a c t e x c i t a t i o nc o n t r o l l e ri sa ni m p o r t a n tp a r t 【nt h ee x c i t a t i o ns y s t e m i t sa l s oi m p o r t a n t 0 rs a t j i va n ds t a b l yr u n n i n go ft h e e l e c t r i cp o w e r e x c e l l e n te x c i t a t i o nc o n t r o l l e rs y s t e m n o to 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 gs a f e l y o f f e rq u a i l r ye l e c t r i cp o w e rb u ta l s o c o u l de n h a n c et h es 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 rs y s t e m t h ef e a t t i r e s t a t u sq u oa n de x i s t i n gp r o b l e m sa r ed e s c r i b e dj nt h ea r t i c l e a t i e r a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l ee x c i t a t i o ns y s t e ma n dt h er e a l i z em e t h o d t h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e r b a s e do nt m s 3 2 0 i f 2 4 0 x ad s pp r o c e s s o ri sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d t h ed e t a i lo ft h e h a r d w a r e s o f t w a r e f i r m w a r ea n dt h er e a l i z e dm e t h o d sa r ed e s c r i b e d t h ec o n t r o l l e rt a k e sf u i ia d v a n t a g eo ft h ef e a t u r e so ft it m s 3 2 0 1 f 2 4 0 x ap r o c e s s o r , s u c ha sh i g hp e r f o r m a n c ep r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e s 。p l e n t yo fp e r i p h e r a l so nc h i pa n dh i g h r e a lt i m ec o n t r o l b yt h ev i t a lo ft h e s ef e a t u r e st h ef a s ta cs a m p l i n g s y n c h r o n i cp u l s e d i g i t a l s h i f t p h a s et r i g g e rp u l s e ，c a nb u sc o m m u n i c a t i o n p i dc o n t r o lm e t h o da n d e x c i t a t i o nf i m i t a t i o n sa r er e a l i z e d ，t h ep r e t r e a t m e n to ft h es w i t c hs i g n a l sa n dt h et e s to ft h e s h i f tp h a s et r i g g e rp u l s e sa r er e a l i z e db yu s i n gt h ec o m p l e xp r o g r a m m a b l ed e v i c e ( c p l d ) b e c a u s eo fu s i n gt m $ 3 2 0 1 t 2 4 0 x aa n dc p l d t h eh a r d w a r ef r a m eo fe x c i t a t i o nc o n t r o l l e r i ss i m p l i f i e d t h es t a b i l i t ya n da n t i d i s t u r bo ft h ec o n t r o l l e ra r ei m p r o v e d t h ee x c i t a t i o n d e b u g g i n gs o f t w a r eb a s e d0 nw i n d o w si sd e v e l o p e di no r d e rt om a k et h eh u m a ni n t e r f a c e f r i e n d l va n dt ob eu s e de a s i l y b e c a u s eo fi t ss i m p l ec o n s t r u e ，h i 曲r e l i a b i l i t ya n dt h eh i g hr a t eo fp e r f o r m a n c et o c o s t t h ed s pe x c i t a t i o nc o n t r o l l e rc a nb ew i d e l yu s e di nt h es m a l lo rm i d d l es i z ep o w e r p l a n ta n dw i l lb ei m p o r t a n tf o rt h e s ep o w e rs y s t e m k e y w o r d s ：e x c i t a t i o nc o n t r o l l e r , d s pp r o c e s s o r a cs a m p l i n g c p l d ，u s bi n t e r f i a c e 1 绪论 1 1 同步发电机励磁系统在电力系统中的作用 电力系统正常运行或故障运行中，同步发电机励磁控制系统起着十 分重要的作用。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，而 且还可有效地提高电力系统的性能指标，为电网提供优质的电能。根据 整个电网的要求，励磁控制系统主要承担如下任务： 1 ) 电压控制； 2 ) 无功功率的分配； 3 ) 强行励磁功能： 4 ) 改善电力系统的运行条件： 5 ) 提高同步发电机并联运行的稳定性。 综上所述，励磁控制器( 装置) 是电厂中关键的控制设备，在电力系 统中起着十分重要的作用。 1 2 同步发电机励磁控制器的发展 同步发电机励磁控制技术的发展和提高总是紧紧跟随着控制理论和 电子技术的发展，可以说励磁控制技术的每一次突破都是以控制理论的 发展为契机的。1 ，励磁控制器的更新换代和电子技术息息相关。同步发 电机励磁控制研究长期以来是个非常活跃的领域，成为各种控制理论 和方法的“试金石”3 。经过国内外众多学者和科技工作者多年的探索， 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；在将 来，随着电网规模的不断扩大及其对安全稳定性水平要求的提高，以及 控制理论的推陈出新，都将推动这一领域研究的迅速发展。 1 2 1 励磁控制规律 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。控制理论及其应用水平提高和发展趋势是由单交量到多变最， 由线性到非线性，最后达到全智能化方式，励磁控制也经历了与之完全 相适应的发展过程。励磁控制方式经历了几个发展阶段： 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： j ) 多种控制方法的综合应用。 近年来模糊控制、久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。 以前由于网架十分薄弱，层次不清，因此十分强调励磁装置对改善 电力系统暂态稳定的作用。但近年来，各大区电网和各个省电网、电力 输变电网架已得到根本性的加强，在单一故障下已不存在暂态失稳问题。 由于发电机组的励磁系统本身对改善电力系统暂态稳定的作用是有限 的，实践表明，就目前的技术和设备水平来说，大型机组励磁控制器采 用p i d + p s s 控制规律和全状态量反馈的线性最优励磁控制器( l o e c ) ，小型 机组励磁控制器采用p i d 控制规律，能够满足系统稳定的要求p j 。 ， 1 2 2 励磁方式 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，已经成为励磁方式的主流。 1 2 3 励磁控制器 励磁控制器经历了由磁放大器组成的电磁型控制器、模拟电子式励 磁控制器发展到现在普遍采用的微机励磁控制器等几个阶段，向着提高 可靠性、提高响应速度、适应复杂控制规律的方向发展。 模拟励磁控制系统，因其控制精度低、控制器参数整定复杂、运行 故障率高、控制系统的通用性、兼容性和扩展性差等原因逐渐被淘汰。 近年来随着计算机控制理论、微电子技术和计算机的发展，极大地推进 了微机励磁控制器的研究与应用。同时，微机开始在电厂普及应用，利 用微机构成的励磁控制系统，其控制装置硬件结构简单、工作稳定，设 备通用性好，且软件灵活性强，能够很方便实现多种功能和满足各种控 制规律的要求。装置的设计、安装、调试、维护、运行方便，容易与其 它设备接口组成更高层次的控制系统。微机励磁控制器经过不断发展、 改进、完善，逐渐成为主流，在许多电厂得到了应用。 1 3 微机励磁装置技术开发现状阻1 目前水轮发电机励磁装置从制造厂家来看，有多家外国制造商的产 品，如广州抽水蓄能电站引进阿尔斯通的励磁装置，隔河岩电站引进加 拿大通用电气公司的励磁装置，五强溪电站引进奥地利伊林公司励磁装 置，三峡水电站采用西门子的励磁装置等；也有引进技术合作生产的， 如李家峡电站部分机组由东方电机厂与a b b 合作完成：还有拥有自主知 1 识产权的科技企业和单位，如国电公司南京自动化研究所、国电公司电 力科学院、河北工业大学电工厂、华中理工大学、西安理工大学都开发 了数字式励磁控制器。 近年来我国微机励磁系统开发已取得长足进步，装置软件丰富，调 节保护和限制功能齐全，可靠性高。双微机自并激可控硅静止励磁系统 已成功地在我国大型机组上投运，许多新建中小型机组也都普遍采罔数 字式励磁装置。处理器方面与国外大致保持一致，主要有1 6 位和3 2 位 两个类型，如1 6 位单片机、1 6 或3 2 位d s p ，p l c 、p c c 可编程序控制器， p c i 0 4 嵌入式控制器以及s t d 、p c 工控机等。由于工控机成本偏高，系 统结构复杂，丽低档单片机要完成励磁赋予的功能，则显得力不从心， 从而励磁控制器的处理器逐渐采用了高档单片机如m c s 一1 9 6 、m o t o r o l a 6 8 0 0 0 、基于a r m 技术的离档单片机和中档d s p 等。 这些励磁控制器从控制通道上看，可分为单通道微机控制器、双通道 微机控制器和多通道微机控制器；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 ) 单通道微机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 水电站中应用较多。 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。 这种形式的励磁控制器有南京自动化研究所开发的d s p 的s a v r 一2 0 0 0 微机励磁调节器；广州电器科学研究所开发的基于s t d 总线的l t w 3 0 0 0 型 微机励磁调节器。华中理工大学电子设备厂开发研制的采用s t d 总线的 w l 0 3 取微机励磁凋节器。 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。多个微机问依据不同功能有 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。如美国b a s l e r 公司的d e c s - - 3 0 0 数字励磁 调节器基于3 片3 2 位高档微处理器( m p u ) 和3 2 位高速数字信号处理器 ( d s p ) ，其中一片m p u 主要完成频率测量、通讯、保护和自检；一片m p u 完成脉冲形成和检测功能；d s p 主要完成交流采样、控制算法、参数计算； 在需要电力系统稳定器的时，可再加上一片用于显示、执行的m p u 和一片 用于采样、计算的d s p 。这种励磁控制器通常用于大型水电机组。 多c p u 结构使得电路结构清晰、软件任务分工更为明确，编程更为容 易，但同时多个c p u 的协调工作又成为设计的重点。这种设计在功能复杂 的大型励磁控制系统中得到了广泛应用，但对于中小型电站却显得造价过 高，应用的必要性不大。 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。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( m p 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。 因此，双通道、多通道和多机系统的励磁控制器设计工作量大，功 5 能强大适用于大型机组的励磁系统。对于功能较小的小型机组，可采 用单机单通道系统或尽量减少c p u 的数量来简化设计。 1 4 微机励磁控制器系统主要存在的问题 随着电子技术的发展，徼处理器与计算机的功能不断增强，计算机 及网络系统得到迅速发展，工业自动化也有了很大的发展，计算机监控 系统己从操作指导控制系统、直接数字控制系统( i ) d c ) 、监督计算机控 制系统( s c c ) 、集散控制系统( d c s ) 发展到现场总线控制系统f c s t “。 伴随着这一趋势，水电厂自动化程度也有了很大提高，各大中型水电 厂正在积极对计算机监控系统进行更新和改造，以实现水电厂的“无人值 守”或“少人值班”。虽然微机励磁己取得了很大的成就，但在中小型励 磁控制器也暴露出了一些问题。 1 4 1 智能数据处理功能 电厂经济运行对测控仪器的要求越来越高，因此，为适应对包括励 磁控制器在内自动化装置的更高要求，必须对励磁控制器进行智能化设 计，使励磁控制器不但具有信息采集、数据处理、数据传送和控制功能， 而且使仪器具备在线监测及故障记忆功能。然而，要实现以上功能必须 采用数据处理能力相当的高性能d s p 或高性能的单片机，简单功能的单 片机己不能胜任智能励磁控制的要求。 在过去的几十年里，单片机的广泛应用实现了简单的智能控制功能。 隧着信息化的进程和计算机科学与技术、信号处理理论与方法的迅速发 展，励磁控制中需要处理的数据量增加，对实时性和精度的要求越来越 高，低档8 位单片机己不再能满足这些要求。近年来，各种集成化的单片 d s p 的性能得到很大改善，价格却大幅度下降。t i 公司最新推出的 t m s 3 2 0c 2 x x 系列具有良好的性能价格比，基本可以代替1 6 位单片机。 6 t m s 3 2 0 c 2 4 x x 是在t m s 3 2 0 c 2 x x 的基础上集成了大量的片内外设而成 的一款应用于工业控制领域的1 6 位d s p ”，这些外设有：内置8 k 6 4 k 字 快闪存储器，1 0 位a d ，至少6 路独立的p w m 输出，内置s c i 、s p i 接口 和c a n 总线接口。该芯片兼有高速数据处理和完备的控制能力优点。其 单片价格大都在1 0 0 元人民币左右( $ 2 一$ 1 5 ) 悼j 。这使得控制器具有了d s p 的强大的数据处理能力，目前该款芯片在我国控制界得到了广泛关注。 目前软件和开发工具越来越多，使用十分方便，国产开发系统的价格至 少比进口价格低一半，有的开发系统只有进日丌发系统价格的1 5 ，从而 使d s p 器件及技术更容易使用，这大大刺激了d s p 器件的应用【9 j 。 1 4 2 可靠性 在水电厂中，发电机、变压器、高压输电线等产生的强大电磁干扰 给灵敏的二次控制设备测量和控制带来麻烦和造成误差，甚至使测量和 数据传送无法正常进行。 由于水电厂环境恶劣，工作可靠是控制设备工作的最为重要的指标 之。保证控制设备具有极高的抗干扰能力和可靠性是开发过程中追求 的主要目标。在现场运行可能受到的干扰各种各样，具体情况具体分析， 对不同的干扰采取不同的措施，以有效地提高抗干扰能力和可靠性【6 j 。 可靠性问题，涉及到软硬件和通讯的可靠性。针对硬件采取的办法是： 尽量减少分离元器件和中小规模集成电路，选用先进的高集成度的现场可 编程( f p g a ) 器件或复杂可编程器件( c p l d ) ，将分离的数字电路集成 于一块可编程芯片中，这样可以减少印刷电路板的尺寸、减低布线的密集 度，从而减小器件间的干扰。在软件方面，可采用高速数据处理器d s p 对 交流信号进行交流采样，用软件对信号进行滤波，从而提高抗干扰特性， 并用软件对仪器进行在线检测。通讯方面选用采用现场总线技术( 如 c a n ) ，为减小电路的体积，提高可靠性，选用自身集成有c a n 总线控制 器的处理器。 7 1 4 3 嵌入式系统开发问题 单片机自7 0 年代出现以来，得到了广泛应用，开发单片机系统所用 的基本工具是仿真器、汇编器、编程器。在进行单片机的开发工作时， 对开发人员提出了多方面的要求。开发人员既要精通软件、硬件，又要 具有系统设计的概念，还要具有一定电子线路工艺方面的知识和经验。 这种基于汇编语言编程设计的代码可读性、可继承性差，是一种手工生 产方式。采用汇编语言开发，参加的人员增多，效率反而会下降。这对 开发较简单的系统还可以应付，但要面对高性能复杂的控制系统，将会 遇到很大的困难。 目前单片控制器芯片性能大幅度提高，寻址能力可达6 m 3 2 m ，片 内r o m 可达2 8 k 一5 1 2 k ，硬件可以适应复杂的系统要求；编程可采用的 高级语言一般为c n 言，如采用t a s k i n 9 4 0 9 l k e i l 5 0 2 等开发环境【l o 】。在 d s p 方面也可采用c 语言，如t i 公司的和a d i 公司数字信号处理器。 采用高级语言后，在开发方式上产生了根本性的变化。同一般软件 工程样，将系统分析员、系统设计员和程序员分离，系统分析定义应 用系统的功能，系统设计员设计电路硬件并定义软件的功能模块，程序 员只要求具有c 语言的基础，就可以在开发平台上完成复杂的应用系统编 程。开发者分工合作，使嵌入式软件的开发进入规模和产业化生产。 1 4 4 人机接口 目前的励磁调节器调试工作一般都繁重复杂，既要进行励磁相关参数 的设置，监控励磁系统的状态又要进行故障记录。而目前采用较多的是l e d 、 数码管显示和简单的小键盘操作，这样简单的操作可作为简单的运行显示， 但对复杂的运行调试和却显得不足。友好的人机界面可以准确、直观地为 调试服务，可以大大简化励磁的调试1 作和故障查找的工作量。 8 1 4 5 网络互连能力 目前，在国内处于电厂生产过程底层的很多励磁控制器通讯方式一 般采用r s 一2 3 2 、r s 一4 2 2 4 8 5 等串行通讯方式，这些数据传输方式不仅传 输率低，而且所采用的通讯协议各个厂家各自为政，难以实现监控设备 之间、监控系统与外界之间的信息交换，在一定程度上使监控系统成为 一个孤立的“自动化孤岛”，不适应大规模的现场控制，不能满足水电厂 自动化发展的要求。 现场总线就是在这种需求下于2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的新型测控 产品。现场总线给自控领域带来了巨大的变化。正p d i n t e m e t 将众多分散的 计算机连接起来一样，现场总线将不同的微机化控制仪器设备连接起来， 组成工业现场网络控制系统。现场总线强调自控设备的通信能力，并将它 们连接形成网络系统，加入到信息网络的行列。因此，现场总线技术应用 于电厂将是电厂控制技术的又一个新时代的开始l 。 1 5 本课题的主要目的和内容 本课题的主要目的是：针对目前水电厂监控系统及励磁控制器存在 的问题和电力系统自动化现状和发展趋势，研究并开发d s p 励磁控制 器。根据以上分析，选用性能优越的t m s 3 2 0 c 2 4 0 x a 作为控制器，它能 够同时实现交流采样和实时同步脉冲发生的控制能力，充分运用高集成 度器件c p l d 1 2 1 器件简化硬件结构，提高可靠性；采用现场总线通讯， 确保系统通讯可靠。 围绕这实际项目，主要进行了以下研究： 1 ) 论证d s p 励磁控制器的方案： 2 ) 设计d s p 励磁控制器的软硬件； 3 ) 智能显示单元和励磁控制器的u s b 通讯接口； 4 ) 使用v c + + 6 0 丌发励磁控制器软件。 q 2 励磁控制器总体方案 由上一章微机励磁控制器的现状和存在的问题，可知微处理器在励 磁控制器中的重要性。本课题提出了一种基于d s p 励磁控制器的设计。 2 1 核，b 微处理器 设训励磁控制器，选择处理器芯片是非常重要的一个环节。只有选 定了处理器芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。总的 来浣，处理器的选择应根据实际应用系统的需要而确定。 2 2 1d s p 器件与单片机的比较 a 单片机的特点 单片机办称为控制单元( m c u ) ，它在一块芯片上集成了c p u 、 r a m 、r o m ( 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1 1 0 口。除了以上基本功能夕 ，有的还集成有d 、d a ， 如t n t e t 公司的8 0 1 9 6 系列。概括起来说，单片机具有如下特点： 1 ) 有位处理能力，强调控制和事务处理功能。 2 ) 价格低廉。如低档单片机价格只有几元人民币。 3 ) 开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多。 b 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。小仅如此d s p 芯片还具肯以下特点： 1 3 】1 1 4 】t * s l 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和次加法； 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； 3 ) 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； 4 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； 5 ) 可以并行执行多个操作： 6 ) 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成。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 公司竞相推出了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 公司等。 c d s p 控制器的特点1 1 6 l l 7 11 1 8 2 0 1 2 1 1 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。 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同臻完善，价格大幅下降，使 得d s p 在控制领域的应用愈来愈广泛。 m c ud s pd s p 控制器 i 乘累加指令无有有 运算能力 一般强 强 控制能力强弱强 片内外设较多少丰富 价格便宜 晶 适中 表2 一l 微处理器性能比较 随着d s p 性能不断改善，用d s p 器件进行实时处理已成为当今技术 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 i 2t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 定点d s p 芯片 自1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片以 来，d s p 芯片得到了极为迅速的发展。目前主要的d s p 芯片生产厂家 有：美国德州仪器公司( t i ) ，美国模拟器件公司( a d ) 、美国摩托罗 拉公司等，其中最成功的d s p 芯片当数t i 公司的一系列产品。如今t i 公司也成为世界上最大的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 l “j 。 t m s 3 2 0 c 2 x x 是继t m s 3 2 0 c 2 x 和t m s 3 2 0 c 5 x 之后出现的一种低 价格、高性能定点d s p 芯片，主要包括t m s 3 2 0 c 2 0 x 、t m s 3 2 0 c 2 4 x 和t m s 3 2 0 c 2 8 x 三个子系列。 d r a m 2 5 6w o r d sp l lc l o c k c 2 x x d r a m d s p 2 5 6w o r d s 1 0 一b i t a d c c o r e d r a m 3 2 w o r d s s c i s a r a m s p i ( 2 kw o r d s ) f l a s hr o mc a n ( 3 2 kw o r d s l w d d i g i t a li 0 e x t e r n a lm e m o r y ( s h a r ew i t ho t h e r p i n s ) i n 把r f a c e j 1 、a gp o r t e v e n tm a n a g e rae v e n tm a n a g e rb 3c a p t u r ei n p u t3c a p t u r ei n p u t 6 c o m p a r e6 c o m p a r e o rp w mo u t p u t o rp w m o u t p u t 2g p2g p t i m e r s p w mt i m e r s p w m 图2 1 t m s 3 2 0 1 f 2 4 0 x a 功能结构 t m s 3 2 0 1 f 2 4 0 x a 功能结构如图2 一l 示，该系列d s p 具有如下特点： 1 ) 处理能力强。指令周期最短为2 5 n s ，运算能力达4 0 m i p s 。 2 ) 片内具有较大的闪烁( f l a s h ) 存储器。t m s 3 2 0 c 2 x x 是最早 使用闪烁存储器的d s p 芯片。闪烁存储器具有比r o m 灵活、比r a m 便宜的特点。t m s 3 2 0 f 2 4 0 6 和t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 片内具有3 2 k 字的j n 烁存 ：。：= 。，墓；耋：垄窒堕羹童逢墼叁毖盍奏一。；。一。；。 储器和2 5 k 字的r a m 。利用闪烁存储器存储程序，不仅降低了成本， 减小了体积，同时系统升级也比较方便。 3 ) 资源配置灵活。 此外，t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列d s p 芯片为数字控制系统的应用做了优 化设计，芯片内部具有多达1 6 路的1 0 位模拟数字转换功能，具有多个 通用定时器和一个看门狗( w a t c h d o g ) 定时器，具有多达1 6 个通道的 p w m ( p l u s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 信道，最多具有4 1 个通用输入输出引脚。 励磁调节器在正常运行时要进行多路电流、电压信号瞬时值交流采样， 进行准确的运算；按选择的调节模式计算出触发角，控制移相脉冲的输 出：并且还要对调节器进行各种限制判断、故障检测、联机调试等工作。 这就要求励磁调节器不但要有很高实时控制能力，而且要具有实时处理 大量数据的能力。要使励磁调节器可靠工作，应尽量简化设计，避免因 复杂的硬件设计丽引起故障。 选用d s p 作为励磁控制器的处理器，可以充分利用d s p 处理器的 特点实现以下功能： 4 0 m i p s 的速度( 2 5 n s 指令周期) ，提高了控制器的实时控制能力。 3 2 k w o r d sx1 6b i t s 片内程序f l a s he e p r o m ，2 5 kx1 6b l t s 数据程序r a m ，使用片内存储器不需要外扩存储器，简化硬件结构， 提高了系统的可靠性同时又降低了硬件成本。 两个事件管理模块e v a 和e v b ，每个集成两个1 6 位通用定时器； 8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 通道。当外部引脚p d p i n t x 出现低电平时 快速关断p w m 通道、可编程的p w m 死区控制以防止上下桥臂同时输出触 发脉冲；利用3 个捕获单元实现了同步脉冲的测量；利用比较实现了6 路移相触发脉冲；采用片上1 6 通道的高速l o 位a d 转换器实现了交流 采样。 t m s 3 2 0 1 f 2 4 0 x a 处理器集成了c a n 控制器，支持c a n 2 0 b 串行通 讯挤议，为硬件电路节省了专用的c a n 控制器和接口器件，只需要一 亟耋堡壬盔茎璧圭生焦监圭： 个总线驱动器便可与c a n 总线相连。 d s p 处理器的运算速度快，数据处理能力强，能胜任较复杂的数据 运算且价格便宜，性能价格比高，是励磁控制器的一种理想的处理器。 它能够完成励磁调节器赋予它的控制功能。 因此，d s p 励磁控制器充分利用t i 公司的d s pt m s 3 2 0 1 f 2 4 0 x a 处 理器强大的数据处理能力、丰富的片内外设和高速的实时控制能力，用 单片系统机构实现了快速交流采样，数字同步脉冲形成，c a n 现场总线 网络以及励磁控制算法等功能。t m s 3 2 0 1 f 2 4 0 x a 处理器的引入大大简化 了励磁控制器的硬件结构，提高了励磁控制器的抗干扰能力和可靠性。 t m s 3 2 0 c 2 8 x 是到目前为止用于数字控制领域性能最好的d s p 芯 片、这种芯片采用3 2 位定点d s p 核，最高速度可达4 0 0 m i p s ，可以在 单个指令周期内完成3 2 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a d 转换能力和改进的通讯接口，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1 2 3 】。 励磁调节器一般要求达到1 2 位的a d 数模转换，能进行准确的运 算。由于t m s 3 2 0 c 2 8 x 的特点，采用该芯片设计励磁控制器应当很合 理，但由于该款芯片的上市时间一再推迟，因此本设计采用了 t m s 3 2 0 c 2 4 0 x 芯片，等t m s 3 2 0 c 2 8 x 上市后，可再升级到该控制器。 2 2 系统结构 2 2 1d s p 励磁控制器整体结构 同步发电机励磁系统是一种闭环控制系统，励磁系统除维持发电机 的端电压基本恒定外，而且还要对发电机的无功功率、功率因数进行调 节。d s p 微机励磁控制系统总体框图如图2 2 示。 图2 2d s p 微机励磁控制系统总体框图 a 主回路 主回路采用静止自并励三相全控桥可控硅励磁方式，结构简单。 b 调节器 励磁系统的控制部分工作由励磁调节器完成，主要作用是根据发电 机电压、无功功率或其它参数的变化，对可控硅整流功率单元施加控制 作用，以调节发电机的励磁电流。 励磁调节器主要包括调差单元、测量比较单元、综合放大单元、移相 触发单元及通讯等环节。辅助装置部分主要包括欠励磁限制器，过威磁限 制器、励磁电流延时限制器以及电力系统稳定器等【2 ”。 本调节器采用t i 公司的t m s 3 2 0 皿4 0 x a 做为主处理器，用单片处理 器实现直流和交流采样，移相触发脉冲的形成，c a n 总线和r s 2 3 2 总线 通讯；采用c a n 、r s 2 3 2 总线到u s b 总线的转换提高通讯的灵活性。 2 2 2 系统工作原理 励磁控制器首先利用捕捉中断测得机组频率，利用频率计算出采样 周期，然后对发电机的机端电压、定子电流、电网电压、励磁变二次电 流等模拟量进行高速交流采样；采用快速傅立叶变换或均方根算法，计 算出机端电压、定子电流、有功功率、无功功率、功率因数，同时直流 采样励磁电流、励磁电压，这些状态反馈信号数据供调节装置进行计算 和分析使用；利用d s p 的比较单元产生移相触发脉冲，此脉冲经过功率 放大后去触发可控硅组件，通过控制发电机转子励磁电流达到控制和调 节发电机电压或无功功率的目的。同时，励磁控制器还将根据现场输入 的操作和状态信号进行逻辑判断，实现各种运行方式所需的励磁调节和 限制、保护、检测、故障判断功能。 因此，t m s 3 2 0 i f 2 4 0 x a 处理器的引入将大大简化励磁控制器的硬件结 构，从而可以提高励磁控制器的抗干扰能力和可靠性。 3 励磁控制器硬件设计 3 1 概述 励磁控制器硬件是整个励磁系统的关键，主要包括：模拟输入单元、 开关量处理单元、测量比较单元、综合放大单元和移相触发单元等。硬件 简单可靠，对于提高励磁系统的稳定性，减少励磁事故故障的发生有着重 要的意义。d s p 微机励磁控制器总体框图如第二章所述。 3 2 i o 通道处理m 7 叭ww 。 u o 通道的主要任务是将来自现场的模拟量和开关量转换成d s p 芯片 所能接受的信号，以便d s p 能够直接采集，进行相应的计算分析判断，并 将输出量变换为执行机构能够作用的信号形式。励磁控制器的i o 通道包 括模拟量、数字量和开关量等信号。 励磁控制器主要的f o 信号有： 1 ) 模拟量 发电机定子电压：三相： 发电机定子电流：三相； 励磁变二次侧电流：三相； 发电机励磁电压：一路； 发电机励磁电流：一路。 2 ) 开关量 输入量：手自动开关、增磁信号、减磁信号、油开关、8 0 转速令。 输出量：励磁故障、励磁事故、停机信号。 3 ) 脉冲量 移相触发脉冲、频率测量信号。 4 ) 数字量 数据显示、通讯数据：s c i 、c a n 、u s b 总线通讯 3 2 1 模拟输入通道 模拟量输入通道是将模拟信号转换为d s p 内部a d 要求的标准信号 范围的电路，经a d 转换后的数字量供调节器处理。模拟信号包括取自发 电机机端电压互感器( p t ) 电压信号、电流互感器( c t ) 定子电流信号、 励磁变二次侧电流信号、以及经过隔离的励磁电流和励磁电压信号。 d s p 励磁控制器采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 a 内部的a d 转换器，并不用外 扩