基于DSP的數字勵磁控制器的設計與開發

摘要：在電力系統中，勵磁控制系統具有穩定發電機機端電壓，分配機組無功和提高電網運行穩定性的重要作用。本設計中，以改進的AVR+PSS方式為控制算法，選取TI公司的TMS320F28335作為核心控制器，首次使用DSP的PWM移相觸發和或門邏輯組合方式產生雙控制脈沖。在Saber Sketch環境下，使用MAST語言建立基于離散Symbol的單機無窮大仿真平臺，驗證方案的可行性及控制性能。并制作控制器硬件電路板，通過小機組運行試驗測試控制器性能。實驗表明，該數字控制器移相觸發準確、可靠，所控機組機端電壓穩定，具有非常好的應用前景。

1引言

勵磁系統是同步發電機不可或缺的一部分，對于提高發電機組的運行可靠性、經濟性與穩定性具有至關重要的作用。勵磁控制器的性能優劣直接影響發電機運行的好壞。相對于模擬控制器，數字控制器結構簡單，控制及時，可以提供多樣化的人機交互接口，便于開發與調試，且控制性能更優于前者[1]。TMS320F28335具有強大的運算能力和特殊的硬件運算功能模塊，非常適合應用于勵磁系統中。它具有可進行相位裝載的六路PWM，可以簡單方便的產生雙相控脈沖。

多數勵磁控制器的設計中，往往采用基于數學模型的仿真方法進行驗證，忽略很多次要因素和環節。這樣的模型不適合于基于DSP核心的控制架構仿真，因為在搭建過程中，并沒有考慮DSP進行數據處理時的指令執行頻率限制和順序執行的特點[2]。本設計中，在Saber Sketch平臺下，使用MAST語言，搭建各個離散功能模塊，通過特定的組合，更為真實地對DSP控制過程進行仿真，模擬系統運行過程。在仿真驗證的基礎上進行了實際控制器的研制和測試。

2系統設計

完整的勵磁系統一般由主勵磁單元和勵磁控制器組成。數字勵磁控制器獲取同步發電機的運行狀態，并參考設定值，運算輸出控制量，產生勵磁控制脈沖，作用于主勵磁單元，產生勵磁電壓。系統設計從需求入手，通過合理的硬件架構和軟件程序流程，以及性能優越的關鍵技術環節的設計，綜合進行。

2.1硬件架構

勵磁控制系統在硬件上包括：邏輯控制單元（DSP+CPLD）、模擬檢測單元（ADC）、數字檢測單元、同步檢測單元（CAP）、移相觸發單元、通訊及顯示單元等[3]。各單元相輔相成，共同完成勵磁控制任務。系統硬件結構框圖如圖1所示。

2.2軟件設計

數字控制系統采用多任務輪流占用時間片的軟件結構，保證各任務在一定的時間周期內順序執行。其中，重要的任務（例如模擬量采樣任務、觸發脈沖發生任務等）采用中斷方式進行，保證任務在需要執行時能夠得到快速響應。軟件流程圖如圖2所示。

2.3移相觸發策略

為了保證晶閘管觸發的可靠性，在相控整流中，一般采用雙觸發脈沖。移相觸發分為硬件方式和軟件方式。硬件實現電路需要較多的數字及模擬器件，可靠性低[4]。在軟件中用定時器產生6路雙脈沖觸發信號，需要加入較多的中斷，軟件復雜度高。

在本設計中采用軟、硬件結合的方法實現。軟件實現單脈沖觸發信號，硬件上通過或門生成雙脈沖觸發信號。TMS320F28335具有6路PWM發生器[5]，且6路PWM之間可以通過相位控制器和同步觸發功能完成延時60°觸發。

在同步信號到來時，裝載PWM1的周期（PRD），當計數值達到周期（PRD）值時，產生單脈沖觸發的首個脈沖，并觸發PWM2和PWM4的同步相位裝載。之后，由PWM2的同步輸出信號裝載PWM3的相位寄存器，由PWM4的同步輸出信號裝載PWM5的相位寄存器，PWM6的相位寄存器則由PWM5的同步輸出信號裝載。通過周期匹配產生PWM1至PWM6六路單脈沖信號，且六路脈沖信號相隔時間為T/6。六路單脈沖PWM信號，通過或邏輯門的簡單硬件處理，就可以實現雙脈沖觸發。

2.4改進的AVR+PSS控制策略

從控制效果上來說，勵磁控制系統分為有差和無差兩種。針對電力系統中負載變化較為頻繁的特點，對于并網運行的發電機組，其勵磁系統控制必須是有差調節 [8]。為了實現有差調節，避免相控整流角度頻繁變化，在本設計中采用分段PID控制算法。在算法中，以電壓偏差ERROR的大小為分段依據，將整個控制區域分為3個子區域，在每個子區域中采用不同的PID參數進行運算。當ERROR很大時，使用P控制，防止積分過快飽和；當ERROR很小，進入控制死區時，PID參數都設置為0，避免控制器輸出頻繁振蕩，造成系統不穩定[9]。

PSS是勵磁裝置的一個附加部件，用于提高電力系統阻尼能力，抑制系統的低頻振蕩，提高電力系統的穩定性。本設計中采用IEEE標準中的雙輸入電力系統穩定器（PSS2A）[10]，以電功率和發電機轉子角速度作為輸入量，避免了PSS1A模型只以電功率作為輸入量所造成的“反調”問題。

3仿真驗證

Saber仿真軟件是美國Synopsys公司的一款EDA軟件，兼容模擬、數字、控制量的混合仿真，可以解決從系統開發到詳細設計驗證等一系列問題[11]。

為了驗證勵磁控制器的方案可行性，利用saber仿真平臺，采用單機無窮大系統仿真情景，對勵磁控制器的各功能模塊進行仿真和驗證。

3.1系統搭建

仿真平臺共分為5個部分：發電機組及物理拖動，無窮大電網，電壓及電流傳感器，DSP控制器，晶閘管整流橋及起勵回路，如圖4（a）所示。

同步發電機模型選取power system 模型庫中的alternator core。該模型充分考慮了線圈銅耗、轉子定子之間的漏感及互感以及溫度、氣隙、諧波的影響，是非常接近真實同步發電機的數學仿真模型。

參考TF（D）21/10.5-4同步發電機（小型發電機組）的測量數據，對alternator core模型中的參數按照表2進行設置。其他參數均采用模型默認參數進行設置。發電機的物理拖動選用可控轉速發生器angw_pwl，設置轉速曲線為恒定314.15926rad/s，即轉速為50Hz。

4控制器實現及實驗波形

控制器由DSP主控制板、數據采集板、脈沖板和weinview TK6070iH液晶屏組成，如圖6（a）所示。發電機選擇TF（D）21/10.5-4同步發電機，晶閘管選擇KP100-20型。機端電壓檢測變壓器選擇380/100型。搭建控制及檢測回路，啟動控制器及原動機。

如圖6（b）所示，同步發電機在零機端電壓狀態起勵建壓，逐步上升直設定值380V（對應檢測變壓器二次側電壓100V），上升過程平緩，穩定。圖6_（c）為解列運行狀態下檢測變壓器二次側電壓波形，電壓穩定，波動極小，具有很好的靜態穩定性。5結束語

經過仿真和實際運行效果的驗證，本設計具有較好的靜態穩定性和動態穩定性，DSP控制系統所采用的PWM移相觸發策略可以推廣到其他需要相控整流的應用中。分段PID方式的AVR+PSS控制策略具有非常可靠的運行效果，無論在解列運行或者并網運行狀態，都具有很好的穩定性能。此外，本設計首次在Saber Sketch下進行全系統的勵磁控制仿真，且采用仿DSP運行仿真方法，在其他DSP控制系統仿真中，具有很好的借鑒意義。

參考文獻

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