基于CompactRIO的脈沖發電機勵磁調節器

王 馳, 李華俊, 卜明南

(核工業西南物理研究院,四川 成都 610041)

基于CompactRIO的脈沖發電機勵磁調節器

王 馳, 李華俊, 卜明南

(核工業西南物理研究院,四川 成都 610041)

以CompactRIO作為硬件平臺，采用基于圖形的LabVIEW編程語言，開發了適用于脈沖工作模式下的同步發電機勵磁調節器。該調節器主要包括上位機和嵌入式實時系統，實時控制和監測每一次脈沖期間的工作狀態以及電壓、電流波形，控制周期精確至1 ms。采用數字增量式PID算法，達到對電壓脈沖的精確控制，滿足了脈沖發電機勵磁周期投入和退出的間歇式工作模式及勵磁波形調節的要求。

脈沖發電機; 勵磁控制; 勵磁調節器; CompactRIO

0 引 言

HL-2A托卡馬克裝置供電系統包括3臺大型飛輪儲能脈沖發電機組，其中125 MVA脈沖發電機組通過可控變流器為裝置所有極向磁場線圈和二級加熱高壓電源供電。在不同負載及不同放電參數下要求其輸出電壓變化率不超過±5%，每次脈沖放電時間約9 s，放電期間發電機負載劇烈變化，發電機轉速也相應快速下降，這些都對發電機勵磁調節系統提出了更高要求。

現有勵磁調節器多數針對于長期運行的同步發電機，不適用于脈沖發電機頻繁投入和退出勵磁的間歇式工作模式，也不利于及時監測勵磁系統每一次脈沖期間的工作狀況和控制過程數據。原脈沖發電機勵磁調節器采用基于單任務字符式DOS操作系統的微機控制，所有操作必須通過鍵入命令來完成，操作過程繁瑣，人機交互界面單一。

基于微機的勵磁調節器不易實現小型化和低功耗[1]，實現實時控制時對采集卡的速率依賴程度高。NI CompactRIO是一款緊湊無風扇設計的可重配置的控制和采集系統，體積緊湊、可靠性高[2]，具備高速數據采集與處理、程序并行執行、數據分析與顯示等功能[3-4]，模塊化的設計不僅使用戶可進行個性化配置，容易滿足各類控制需求，而且開發周期短，能夠很好地實現脈沖發電機勵磁調節器的控制功能。

為了適應當前HL-2A試驗工況、滿足脈沖發電機勵磁系統工作要求，本文研制了一臺以CompactRIO硬件平臺與LabVIEW編程語言實現的勵磁調節器。

1 勵磁調節器總體結構

CompactRIO主要由實時控制器，可重配置的FPGA和工業級I/O模塊三個部分組成[1-2,4-5]。本文采用CompactRIO可重配嵌入式系統和工業控制計算機，組建一個小型工業級模塊化平臺。通過NI LabVIEW Real-Time 模塊、LabVIEW FPGA模塊、CompactRIO各功能模塊聯合開發滿足實時性要求的勵磁調節器。總體結構如圖1所示。CompactRIO包含一個實時控制器和模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、數字量輸入輸出模塊DI/O三個模塊，共同構成勵磁調節器反饋控制的核心部分，實現獨立于上位機的實時控制。上位機由裝有LabVIEW軟件工業控制計算機構成，負責從網絡中接受來自中央控制系統(中控)設置的控制參數文件，與CompactRIO實時控制器通信和共享數據，并實現參數監視、波形顯示、人機交互等非實時任務。上位機、CompactRIO和中控網絡三者之間通過路由器進行數據交互傳輸。

圖1 勵磁調節器總體結構圖

2 勵磁調節器反饋控制

根據HL-2A物理試驗的要求，在每次試驗放電期間，脈沖發電機需依照中控設置的參考波形在確定時刻輸出一個持續9 s的平穩電壓脈沖。勵磁調節器反饋控制部分需要響應速度快、時序控制精確，主要具備如下功能：

(1) 在以太網中通過路由器與上位機的通信，接受上位機解析的中控控制參數文件；

(2) 數字PID閉環反饋控制周期精確到1 ms；

(3) 控制數字量信號的輸入和輸出；

(4) 發電機機端電壓和整流柜輸出電流的監控；

(5) 控制電壓Uk的D/A輸出；

(6) 通過以太網與上位機共享數據。

根據上述勵磁反饋控制的功能要求，確定了勵磁反饋控制的硬件結構，如圖2所示。硬件平臺選用的NI cRIO-9033四槽高性能控制器，包含有4個C系列I/O模塊的插槽、1.33 GHz雙核處理器、Kintex-7 FPGA及無風扇緊湊型機箱，提供的千兆以太網接口用于控制器、上位機、中控之間進行數據交互。C系列I/O模塊選擇了NI-9215模塊、NI-9263模塊、NI-9401模塊。其中，NI-9215模塊包括4路同步采樣模擬輸入通道(AI)和逐次逼近型16位模數轉換器(ADC)，實現對機端電壓和勵磁電流的采集。NI-9263是一款4通道100 kS/s同步更新模擬輸出(AO)模塊，以1 kS/s的更新速率輸出控制電壓Uk。NI-9401是一款8通道雙向數字輸入輸出(DIO)模塊。根據硬件需要，在LabVIEW中以半字節(4位)為單位配置了NI-9401上8條數字線的輸入和輸出方向，其中DIO3:0為輸出方向，以作為控制端Ctrl的輸出，Ctrl=1或0分別對應解封或封鎖勵磁功率單元;DIO7:4為輸入方向，以檢測起勵和滅磁信號，高電平作為有效輸入。

圖2 勵磁調節器反饋控制硬件結構圖

勵磁調節器反饋控制部分的程序按照圖3所示時序進行控制。控制過程按照不同的時刻劃分為延時階段(Ⅰ)、通電階段(Ⅱ)、反饋階段(Ⅲ)三個階段，實施分段控制。等離子體放電試驗時，中控時序控制系統以放電時刻(④)作為0時刻，并在放電前3 000 ms(即-3 000 ms)輸出強勵觸發信號，之后要求控制器以該時刻作為控制時序起始點，以穩定機端電壓作為控制目標，按照1 ms的控制周期對脈沖發電機勵磁進行實時控制。中控設置的控制參考波形如圖4所示，ccV3為脈沖發電機機端電壓的參考波形，ccW3為發電機勵磁電壓的參考波形。根據設置的參考波形，從強勵觸發時刻開始至通電時刻之間的800 ms期間，作為延時階段，要求勵磁調節器不做任何控制。為了使發電機機端電壓在-1 500 ms反饋時刻盡可能接近3 000 V[6]，在通電階段勵磁功率柜按照ccW3波形輸出勵磁電壓，以迅速提高發電機電壓滿足反饋條件。在-1 500 ms反饋階段開始后至滅磁信號到來之前，這一階段為反饋階段，勵磁調節器根據負載變化對發電機機端電壓進行反饋控制，使電壓按照中控設置的機端電壓參考波形ccV3進行變化。由于進行反饋控制要滿足機端電壓處于2 000～3 500 V之間，如果出現測量回路斷線引起失壓或者在通電階段機端電壓未提高至2 000 V，勵磁調節器則不進行反饋控制，則反饋階段按照ccW3波形進行，用以確保發電機安全運行。

圖3 勵磁控制過程的時序

圖4 中控設置的參考波形

勵磁調節器反饋控制部分的程序按照如圖5所示流程進行設計。脈沖發電機勵磁控制過程中為滿足依據不同時刻實施分段控制，在LabVIEW程序中設置一個時間變量t，在初始化過程中使t=-3 000，強勵觸發之后t嚴格按照1 ms的循環控制周期進行遞增。根據時間變量t所處的范圍，發電機勵磁控制過程處理成符合要求的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個不同階段。根據中控的控制時序，在3 500 ms將產生滅磁觸發信號，勵磁反饋控制接收到滅磁信號后進入滅磁環節。程序中為了確保可靠地實現滅磁，增設一個t>3 500的范圍判斷，在中控滅磁觸發信號不可靠的情況下，程序中進行軟滅磁處理，作為中控時序滅磁的冗余。程序控制過程從通電階段過渡至反饋階段時，設置發電機機端電壓2 000

圖5 勵磁控制程序流程圖

脈沖發電機電壓調節采用對中控設置的電壓參考波形ccV3和測量采集的發電機機端電壓的差值進行PID反饋控制[7-8]，通過產生控制電壓Uk，從而控制數字觸發器來控制勵磁電流的大小，以保持機端電壓恒定并且按照參考波形變化。本文采用增量式PID控制算法。根據增量式PID算法原理有如下遞推公式：

其中：

e(k)=r(k)-u(k)

C=KPTD/T

本勵磁控制采用恒定的采樣周期T，一旦確定了KP、TI、TD參數，只要根據測量電壓和參考電壓的前后3次偏差，就可以得到控制增量，進而確定出控制電壓。

在滅磁時刻直接將控制電壓Uk=0和控制端Ctrl=0，由于勵磁電壓較高，在勵磁線圈產生較大的電流，易對勵磁功率單元造成沖擊，因此控制程序設置1 000 ms的滅磁程序，在滅磁觸發后，Uk以當前值作為初始值，在1 000 ms期間等變化逐漸降低至0，并在此期間Ctr1保持為1，實現程序滅磁，減少對勵磁功率單元柜的沖擊。

3 勵磁調節器上位機

勵磁調節器上位機采用研華工業控制計算機，通過路由器接入中央控制網絡。上位機用于處理非實時控制數據和用戶各類波形數據。用LabVIEW軟件平臺設計制作脈沖發電機勵磁調節器的監控界面，具體功能包括：判斷脈沖編號是否更新、解析和校驗來自網絡的脈沖控制參數文件和數據、利用共享變量方式將解析的數據通過網絡傳輸至CompactRIO實時控制器、接收和顯示CompactRIO的工作狀況。上位機的監控主界面的顯示內容包括：脈沖編號更新指示、勵磁投入與退出的時刻和狀態、勵磁實際通電工作時間、過壓與過流故障、機端和勵磁電壓的參考波形、實際工作期間的機端和勵磁電壓波形。上位機與CompactRIO的程序運行結構如圖6所示。CompactRIO控制器的實時循環按照1 ms控制周期做數字式PID控制算法，非實時循環在控制結束后，將控制過程中產生的數據采用共享變量的通信方式傳送至上位機進行后處理[3,9-10]。上位機程序按照圖7所示流程運行。

圖6 上位機與CompactRIO的程序結構

圖7 上位機程序流程圖

根據時序控制過程，試驗管理人員在兩次放電的間隙更改與設置放電參數文件，并傳送至各分系統。上位機程序依據炮號的更改作為讀取參數文件的觸發條件，通過利用CALab定時讀取控制網絡上EPICS服務器炮號PV[11]，利用移位寄存器保存前后兩次的炮號數據。若前后兩次數據不相等，則認為炮號發生更改，并以此作為觸發條件進行放電參數的讀取、解析、傳輸。

為了確保控制參數文件在強勵觸發時刻之前可靠傳送至CompactRIO，并且在試驗放電期間數據不進行刷新。上位機和CompactRIO實時控制器之間設置一個全局共享變量Readable，強勵觸發后使Readable=0，封鎖讀放電參數操作，滅磁放電結束后使Readable=1，使能讀放電參數操作。上位機和CompactRIO實現互鎖，只能在兩次脈沖放電間隙讀取來自中央控制網絡的數據和文件，進行數據校驗，將正確的波形數據在上位機的界面上顯示，同時在網絡中經路由器傳輸給CompactRIO實時控制器且在放電期間保持數據不刷新。另外，在Readable=0期間，開起獲取控制數據窗口，時間間隔設置10 ms，循環次數為900，用以獲取從強勵觸發后9 s期間的控制數據的波形及其狀態更新情況。

4 試驗驗證

在HL-2A一次脈沖放電期間脈沖發電機帶載工作波形如圖8和圖9所示，ccV3是發電機的機端電壓參考波形，U3為發電機帶負載運行的實際電壓波形，Uk為勵磁調節器輸出的控制電壓波形。延時階段勵磁調節器不工作，發電機無電壓輸出。通電階段勵磁系統功率單元產生勵磁電流，發電機空載電壓在700 ms內迅速上升至2 685 V，滿足了反饋條件。進入反饋階段后，勵磁調節器按照設定的參考波形ccV3，實時調整控制電壓Uk，使發電機電壓U3保持在約3 000 V。通過HL-2A數據采集系統在放電期間得到的測量數據，可以看出在負載劇烈變化期間(-1 000～3 000 ms)發電機機端電壓為2 880～3 075 V，電壓波動率是±4%，達到設計要求。

圖8 放電期間發電機電壓波形

圖9 放電期間控制電壓波形

5 結 語

根據HL-2A物理試驗對脈沖發電機勵磁控制系統的要求，設計了基于CompactRIO可重配嵌入式系統實現的勵磁調節器反饋控制和上位機部分，并且介紹了各部分的硬件結構，分析了勵磁調節器的時序控制過程和程序運行結構，采用LabVIEW圖形編程語言實現了控制過程。結合試驗測試驗證了該勵磁調節器在各個控制階段的運行情況，在反饋工作階段可快速響應因負載投切變化引起的發電機機端電壓波動，滿足了在HL-2A試驗期間脈沖發電機勵磁頻繁投入和退出的間歇式工作模式。

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Excitation Regulator of Impulse Generator Based on CompactRIO

WANG Chi, LI Huajun, BU Mingnan

(Southwestern Institute of Physics, Chengdu 610041, China)

The excitation regulator of synchronous impulse generator using CompactRIO and LabVIEW based on graph language had been developed. The excitation regulator including host computer and embedded real-time hardware was able to control and supervise the working conditions and parameters of voltage and current in very one millisecond during a pulse of discharging. The digital incremental PID control algorithm was utilizing in the regulator to be control of voltage pulse precisely. Requirements of impulse generator’s excitation in adjustment of excitation waveform and operating model of periodical starting and ending were meet.

impulse generator; excitation control; excitation regulator; CompactRIO

王 馳(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為發電機勵磁控制。 李華俊(1970—)，男，研究員級高級工程師，研究方向為大功率脈沖供電技術。 卜明南(1962—)，男，高級工程師，研究方向為發電機勵磁控制與電力電子技術。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)07- 0034- 05

2016 -08 -15