基于ＤＳＰ＋ μＣ／ＯＳ－Ⅱ的勵(lì)磁系統(tǒng)的研究

摘 要：論述基于DSP +μC/OS-Ⅱ的全橋零電壓零電流開(kāi)關(guān)（VCS）DC/DC移相變換的勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)對(duì)勵(lì)磁電壓、電流的采樣，完成恒勵(lì)磁電流、恒功率因數(shù)、恒無(wú)功功率的3種雙閉環(huán)PID控制。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)最優(yōu)化控制，將μC/OS-Ⅱ嵌入式系統(tǒng)嵌入到DSP中，在多任務(wù)環(huán)境下對(duì)所有任務(wù)的監(jiān)視和調(diào)度，解決單任務(wù)環(huán)境下數(shù)控電源實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)表明該勵(lì)磁系統(tǒng)的性能相對(duì)于晶閘管移相整流勵(lì)磁有了明顯提高。

關(guān)鍵詞：DSP；VCS變換器；勵(lì)磁；移相

Research of Excitation System of Synchronous Motors Based on DSP+μC/OS-Ⅱ

GUO Dianlin，WANG Yinqiu，SUN Shaojie

(Heilongjiang Institute of Science Technology，Harbin，150027，China

Abstract：The digital control method of excitation system of whole bridge（VCS）DC/DC shifting phase transition which is controlled by DSP + μC/OS-Ⅱ is introduced in the paper，when excitation voltage and current is sampled，double close-loop PID control is utilized to realize three types of control，including constant exciting current，constant power factor and constant reactive power of excitation system.In order to achieve optimization of control，built-in type of operating system of μC/OS-Ⅱ is embedded in DSP to monitor and assign all task under the condition of multi task，resolving the problem which real-time characteristic is difficult.Experiment results show that the performance of excitation system is in evidence improved relatively to phase position controlled bridge of Silicon controlled rectifier.

eywords：DSP;VCS;convertor;excitation;shifting phase

同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)采用直流勵(lì)磁，功率因數(shù)可以超前、滯后或單位功率因數(shù)^［1］，運(yùn)行中可以向電網(wǎng)饋送無(wú)功功率，改善電網(wǎng)功率因數(shù)，并且具有運(yùn)行穩(wěn)定性好、轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載變化而改變和運(yùn)行效率高等特點(diǎn)，因此在煤礦等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛^［1］。而同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行起到重要作用，傳統(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)采用晶閘管移相全橋電路實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁。該勵(lì)磁系統(tǒng)需要用到同步變壓器定相，涉及器件較多，維護(hù)復(fù)雜，影響了勵(lì)磁系統(tǒng)的安全運(yùn)行，而且傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)在軟件管理上采用單任務(wù)的順序機(jī)制，系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)時(shí)性差。

本文提出采用美國(guó)德州儀器公司(TI的數(shù)字信號(hào)處理器芯片TMS320LF2812作為控制核心，將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP +μC/OS-Ⅱ，應(yīng)用于DSP的程序設(shè)計(jì)中，以次級(jí)有源鉗位開(kāi)關(guān)的零電壓零電流開(kāi)關(guān)（VCS）DC/DC移相變換全橋電路為主電路，將系統(tǒng)的多個(gè)核心任務(wù)由DSP +μC/OS-Ⅱ進(jìn)行調(diào)度并行執(zhí)行，完成3種形式勵(lì)磁電流的閉環(huán)控制，為同步機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)嵌入式設(shè)計(jì)提供一個(gè)理想的設(shè)計(jì)方案。

1 總體結(jié)構(gòu)

勵(lì)磁系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如1所示。包括零電壓零電流開(kāi)關(guān)（VCS）DC/DC移相變換全橋電路、驅(qū)動(dòng)電路、滅磁電路、勵(lì)磁電壓、電流調(diào)理電路、DSP控制電路、鍵盤(pán)及顯示電路、跳閘保護(hù)電路等。

三相交流電源經(jīng)接觸器加到三相整流模塊變?yōu)橹绷?。直流主回路供電加?00 ms的軟啟動(dòng)，以防高的電壓沖擊，C_i為輸入濾波電容，并起到提高功率因數(shù)的作用。主電路軟啟動(dòng)接通后，DSP根據(jù)鍵盤(pán)設(shè)定的一種調(diào)節(jié)方式，在接受到起勵(lì)指令后，輸出規(guī)定勵(lì)磁電壓，通過(guò)DSP對(duì)勵(lì)磁參數(shù)測(cè)量實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的閉環(huán)控制。保護(hù)電路中設(shè)計(jì)輸入過(guò)壓、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)。

3 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成可通過(guò)DSP的事件管理模塊EVA或EVB產(chǎn)生。PWM信號(hào)4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比均設(shè)置為50%；2組橋臂之間有相位差，相位超前的信號(hào)作為超前橋臂信號(hào)，相位滯后的信號(hào)作為滯后橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)，利用超前橋臂和滯后橋臂的相移來(lái)調(diào)節(jié)占空比。設(shè)置定時(shí)器為連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式，在定時(shí)器下溢中斷和周期中斷時(shí)分別設(shè)置比較寄存器的值，同時(shí)保證同一個(gè)比較寄存器在定時(shí)器下溢中斷和周期中斷設(shè)置參數(shù)之和等于周期寄存器的值T，這樣就可以使產(chǎn)生的PWM脈沖為50%的占空比^［4］。

設(shè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)所得移相角對(duì)應(yīng)比較寄存器的值為x(整數(shù)，周期寄存器的值為T。設(shè)置其中一個(gè)比較寄存器在下溢中斷時(shí)賦值為0，在周期中斷時(shí)賦值為T;另一個(gè)比較寄存器在下溢中斷時(shí)賦值為x，在周期中斷時(shí)賦值為T-x，如圖4所示。可以看出，第一個(gè)寄存器的相位相對(duì)超前第二個(gè)寄存器180°x/T。其中一組驅(qū)動(dòng)信號(hào)在計(jì)數(shù)寄存器為0時(shí)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，另一組驅(qū)動(dòng)信號(hào)在0~T之間相對(duì)移動(dòng)。所對(duì)應(yīng)寄存器的取值范圍較大，移相范圍是0~180°如圖4所示。

4 控制策略

同步電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，由DSP完成對(duì)勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流的采樣，在中斷程序中完成電壓和電流的雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)恒流勵(lì)磁；系統(tǒng)可以在起動(dòng)前通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定選擇系統(tǒng)進(jìn)入同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)調(diào)節(jié)還是恒無(wú)功功率運(yùn)行，系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)將調(diào)度不同的任務(wù)，控制框圖如圖5所示。

5 系統(tǒng)軟件

為了將μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于系統(tǒng)，必須先移植操作系統(tǒng)到數(shù)字信號(hào)處理器中，移植工作主要有以下幾個(gè)部分：

(1 在OS_CPU.H中，定義數(shù)據(jù)類(lèi)型，開(kāi)關(guān)中斷函數(shù)已屏蔽編譯器和處理器；定義堆棧的增長(zhǎng)方向；定義任務(wù)切換函數(shù)。

(2 在OS_CPU.C中，用C嵌入?yún)R編編寫(xiě)以下幾個(gè)函數(shù)：OStaskstkInit(，OSCtxSw(，OSStartHighRdy(，OSIntCtxSw(，OSTicksr(，OSTaskCreateHook(，OSTaskSwHook(，OSTaskDelHook(，OSTaskstatHook(，OSTimeTickHook(。任務(wù)的全部信息保存在響應(yīng)的任務(wù)塊和堆棧中，因此任務(wù)的切換要處理任務(wù)控制塊和堆棧。涉及任務(wù)控制塊的工作是：保存被切換任務(wù)的堆棧指針到當(dāng)前任務(wù)塊；將當(dāng)前任務(wù)控制塊指向最高任務(wù)控制塊；取出當(dāng)前任務(wù)塊存儲(chǔ)的堆棧地址^［5］。

按系統(tǒng)所要求實(shí)現(xiàn)的功能，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為幾個(gè)并行存在的任務(wù)層。占先式操作系統(tǒng)對(duì)任務(wù)的調(diào)度是按優(yōu)先權(quán)的高低進(jìn)行，系統(tǒng)的幾個(gè)任務(wù)按其優(yōu)先級(jí)從高到低順序排列是：保護(hù)任務(wù)、系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)、按鍵查詢?nèi)蝿?wù)、數(shù)據(jù)濾波運(yùn)算處理任務(wù)、狀態(tài)信息顯示任務(wù)、投勵(lì)滅磁任務(wù)。系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)是用來(lái)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的任務(wù)，其優(yōu)先權(quán)的設(shè)置是按照整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)序來(lái)確定，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行較重要和實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格的任務(wù)設(shè)較高優(yōu)先級(jí)。中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)：軟件中設(shè)置4種中斷；外部中斷、定時(shí)器1周期中斷、定時(shí)器1溢出中斷，功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)PDPINTA。當(dāng)電源模塊或系統(tǒng)發(fā)生故障，通過(guò)硬件電路產(chǎn)生外部中斷，同時(shí)將驅(qū)動(dòng)脈沖封鎖。在外部中斷程序中設(shè)置一個(gè)故障標(biāo)志送入監(jiān)視任務(wù)與顯示任務(wù)。周期中斷服務(wù)程序和下溢中斷服務(wù)程序用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)和閉環(huán)PID控制，周期中斷觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換。下溢中斷服務(wù)程序?qū)Σ蓸又颠M(jìn)行采樣，并送到計(jì)算任務(wù)中進(jìn)行各種數(shù)字濾波及計(jì)算。系統(tǒng)退出中斷時(shí)，內(nèi)核將重新進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。中斷服務(wù)程序的流程圖如圖6所示。

7 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于DSP+ μC/OS-Ⅱ的勵(lì)磁系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，成功解決了一系列在單任務(wù)環(huán)境下難以解決的問(wèn)題，采用次級(jí)帶有源箝位開(kāi)關(guān)的全橋移相變換電路作為主電路，能使開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)；整個(gè)系統(tǒng)效率滿足勵(lì)磁性能的要求，優(yōu)于勵(lì)磁系統(tǒng)國(guó)標(biāo)性能要求。 

參 考 文 獻(xiàn)

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［3］Cho J G，Sabate J，Hua G，et al.ero Voltage and ero Current Switching Full PWM Converter for High Power Application［A］.In IEEE PESC′94 Rec［C］.1994:102-108.

［4］李凱，郝瑞祥，游杰，等.基于DSP的大功率高頻開(kāi)關(guān)電鍍電源的研究[J].通信電源技術(shù)，2006，23(1:28-30.

［5］Jean J.Labrosse.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ[M].2版.邵貝貝，譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.