基于DSP的發(fā)電機原動系統(tǒng)仿真器設(shè)計與開發(fā)

作者：時間：2008-04-14 來源：網(wǎng)絡(luò)

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摘要：介紹了以DSP單片機為控制核心的同步發(fā)電機原動系統(tǒng)仿真器的原理、硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計，并給出了現(xiàn)場靜態(tài)和動態(tài)測試結(jié)果。試驗結(jié)果表明，該仿真系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)對原型電動機各特性的仿真。
關(guān)鍵詞：DSP；離散化處理；原動系統(tǒng)；動態(tài)特性

0 引言

原動系統(tǒng)（包括其調(diào)速系統(tǒng)）是影響電力系統(tǒng)機電瞬時過程一個重要的因子，不僅可以影響系統(tǒng)頻率和發(fā)電機有功功率的調(diào)整，而且對電力系統(tǒng)的瞬時穩(wěn)定和異步運行影響極大。因此，研制原動系統(tǒng)仿真器，建立室內(nèi)電力系統(tǒng)，在實驗室內(nèi)對電力系統(tǒng)的真實原動機（主要是水輪機和汽輪機）及其調(diào)速系統(tǒng)與自平衡特性進(jìn)行模擬，是對電力系統(tǒng)進(jìn)行研究的重要工具。早期的原動機仿真系統(tǒng)，多采用模擬電路^[1^，2]，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電子元器件容易老化、易受環(huán)境溫度影響和抗干擾能力差等缺點，且只能模擬原形系統(tǒng)的部分環(huán)節(jié)，難以模仿整個系統(tǒng)，準(zhǔn)確度不高。本文所闡述的原動機仿真系統(tǒng)中采用數(shù)字電路，利用計算機軟件去實現(xiàn)和取代相關(guān)模擬電路的功能，硬件結(jié)構(gòu)簡單、可靠；采用液晶顯示器實時顯示各運行參數(shù)，用戶操作便捷，顯示直觀。

1 原動系統(tǒng)仿真基本原理與數(shù)學(xué)模型

原動系統(tǒng)模型原理框圖如圖1。

圖1 原動系統(tǒng)原理框圖

各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)^[2]如下：

汽輪機

水輪機

2 控制電路硬件設(shè)計

同步發(fā)電機原動系統(tǒng)仿真器的基本結(jié)構(gòu)：用直流電動機和晶閘管直流傳動系統(tǒng)作為模擬發(fā)電機的原動力。其硬件電路包括一次主回路和微機控制電路，主回路由整流變壓器、三相全控整流橋和電抗器等組成。微機控制電路以DSP(Digital Signal Processor)為控制核心。

本系統(tǒng)中DSP采用TI公司的32位浮點 TMS320C6711B^[3]。TMS320C 6711B采用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，主頻為150MHz，內(nèi)部集成硬件乘法器和累加器,采用流水線VelociTITM甚長指令字(VLIW)指令,具有豐富的片上外設(shè),并有專門針對數(shù)字信號處理的指令系統(tǒng)，運算能力可達(dá)1200MFLOPS，能滿足控制系統(tǒng)的要求。

3 微機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)把模擬式調(diào)速器轉(zhuǎn)化為數(shù)字式調(diào)速器，模擬式電流調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)化為數(shù)字式電流調(diào)節(jié)器。用單片機取代模擬運算放大電路，通過編程來實現(xiàn)控制特性的仿真。主要包括主程序、調(diào)速器、數(shù)模轉(zhuǎn)換與數(shù)字的讀取、測速、液晶顯示、按鍵處理、電流調(diào)節(jié)器、移相觸發(fā)和繼電保護(hù)等子程序，各程序采用模塊化編程。其設(shè)計思想是首先獲得水輪機、汽輪機調(diào)速系統(tǒng)以及水汽管道和電流調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型，再進(jìn)行離散化處理，寫出對應(yīng)的離散化方程，最后運用匯編語言或C語言進(jìn)行編程。設(shè)計中將差分法運用到了PID控制中。這樣，選擇合適的采樣周期T后，若連續(xù)時間模型對應(yīng)的是一個穩(wěn)定系統(tǒng)，那么離散形式也對應(yīng)一個穩(wěn)定的系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)[4]給出了錯油門環(huán)節(jié)、飛擺環(huán)節(jié)、油動機環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)的連續(xù)模型和離散化方程(差分方程)。

主程序分為兩個大的部分：開機前的運行整定和開機后的運行控制。即各運行控制參數(shù)的整定計算和存儲；打開中斷，允許中斷服務(wù)程序調(diào)用汽輪機（水輪機）調(diào)速器對電動機的運行進(jìn)行實時控制；對電動機的速度，電樞電流，電樞電壓，勵磁電流進(jìn)行循環(huán)采樣和監(jiān)測保護(hù)；實時處理用戶的輸入，并根據(jù)用戶要求及時對電動機的運行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整；將電動機的運行參數(shù)在LCD上顯示出來，為用戶提供一個良好的人機接口。參考文獻(xiàn)[4,5]給出了主程序、數(shù)字調(diào)速器、數(shù)模轉(zhuǎn)換與數(shù)字的讀取、測速、液晶顯示、按鍵處理等子程序的設(shè)計思想及流程圖。

本文主要介紹電流調(diào)節(jié)器、移相觸發(fā)和繼電保護(hù)等子程序的設(shè)計。

3.1 電流環(huán)子程序

3.1.1電流調(diào)節(jié)器的差分方程

3.1.2電流環(huán)子程序

DSP芯片通過高速入口捕捉光學(xué)編碼器的脈沖信號，經(jīng)過軟件處理得到實時轉(zhuǎn)速，對速度環(huán)節(jié)，依差分方程得出原動機的輸出功率Pm（K）, 以Pm（K）作為電流調(diào)節(jié)器的給定值，按圖3進(jìn)行流程計算，最后給出一個和晶閘管延遲角α相對應(yīng)的控制量Uc（K）。

圖3 電流環(huán)子程序流程圖圖4 移相觸發(fā)子程序流程圖

3.2移相觸發(fā)子程序

由單片機產(chǎn)生所需的晶閘管移相觸發(fā)脈沖,必須包括同步電壓檢測環(huán)節(jié)、移相延遲角定時環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖時序分配環(huán)節(jié)等部分，與模擬電路實現(xiàn)的方法類似。產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的控制軟件如圖4所示。

3.3繼電保護(hù)子程序

完善可靠的報警保護(hù)系統(tǒng)對于保證試驗過程中的人身和設(shè)備安全具有重要意義，本文重點研究和實現(xiàn)了完善的保護(hù)功能。主要包括：過速保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、失磁保護(hù)、仿真器內(nèi)部故障（包括CPU等）、紅外線測速裝置故障保護(hù)等六個方面的保護(hù)。保護(hù)動作值可以根據(jù)需要進(jìn)行整定。計算機對檢測到的參數(shù)進(jìn)行判斷和處理，當(dāng)檢測到控制系統(tǒng)出現(xiàn)過速、過流、過壓、失磁等故障時，立刻啟動保護(hù)電路，使主回路跳閘、迅速切除故障，同時發(fā)出聲光提示信號并指明故障類型。以下是采用匯編語言編寫的飛車（失磁）保護(hù)子程序。

ORG 3500H

Excition_lose: LD AX，#C7FFH ；送控制字地址，A1A0=11B

LDB BL，#92H ；輸入控制字，方式0

STB BL，[AX] ；將方式控制字送送端口

DEC AX ；指向C口，A1A0=10B

LDB BL，#04H ;

STB BL，[AX] ；Pc.3=1跳失磁出口保護(hù)繼電器

RET

4 現(xiàn)場測試及實驗結(jié)果分析

4.1靜態(tài)性能測試

切除調(diào)速器，使同步發(fā)電機有功至滿載運行，稍微改變負(fù)載，電動機將出現(xiàn)自平衡狀態(tài)，由此可得到在額定轉(zhuǎn)速附近的M-n曲線，如圖5所示。

圖5模擬原動機的機械特性

由圖5可見，模擬原動機的機械特性在額定轉(zhuǎn)速附近基本上是線性的，斜率可通過調(diào)整電流和轉(zhuǎn)速的反饋比來實現(xiàn)，因此直流電動機模型與真實原動機相同。

4.2 動態(tài)性能測試

將調(diào)速器投入，使模擬發(fā)電機正常啟動，轉(zhuǎn)速升至額定值后滿負(fù)荷運行，突然100%甩負(fù)荷，記錄轉(zhuǎn)速的變化過程，水輪機的錄波圖（部分）如圖6所示。曲線與同步發(fā)電機甩負(fù)荷的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程完全一致。改變某一參數(shù)重復(fù)上述試驗，然后進(jìn)行比較，可以得出：τ₀和τ_s中任意一個加大，動態(tài)特性變差，轉(zhuǎn)速過渡過程時間增長；δ，τ_w和τ_rk 中任意一個加大，動態(tài)特性變好，轉(zhuǎn)速過渡過程時間減少。錄波圖所顯示出的水輪機輸出波形的變化過程與實際情況相符，充分體現(xiàn)了電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗再現(xiàn)試驗對象真實物理過程的特點。

圖6水輪機突然100%甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速的暫態(tài)響應(yīng)錄波圖（部分）

5 結(jié)論

本文設(shè)計的同步發(fā)電機原動系統(tǒng)仿真模型，以DSP芯片為控制核心，通過調(diào)速器模型與電流速度雙反饋，實現(xiàn)了對原型調(diào)速器、水汽管道以及自平衡特性的仿真。錄波圖所顯示出的原動系統(tǒng)仿真模型動態(tài)特性波形的變化過程及其基本規(guī)律與實際調(diào)速系統(tǒng)情況相符；改變調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的參數(shù)值，達(dá)到了對原型調(diào)速器不同參數(shù)下動態(tài)特性進(jìn)行模擬的預(yù)期目的，充分顯示了電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實驗再現(xiàn)試驗對象真實物理過程的特點。錄波圖證明：該原動系統(tǒng)仿真器具有動態(tài)性能好、響應(yīng)快的優(yōu)點，較為準(zhǔn)確地反映了變化參數(shù)對原動系統(tǒng)帶來的影響。

本文作者創(chuàng)新點：（1）采用DSP芯片取代相關(guān)模擬電路或80C196KC芯片的控制功能，突破傳統(tǒng)模擬控制與數(shù)?；旌峡刂颇Ｊ?，簡化了硬件構(gòu)成，并實現(xiàn)對原動系統(tǒng)仿真器的全數(shù)字控制。（2）采用液晶顯示器實時顯示各運行參數(shù)，用戶操作便捷，顯示直觀。

[參考文獻(xiàn)]

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