CN1545203A

CN1545203A - 基于dsp芯片的电机非线性励磁控制装置

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Publication number: CN1545203A
Application number: CNA2003101070037A
Authority: CN
Inventors: 李希宏; 张宝华; 李成伟; 陈卡佳; 马幼捷; 何彦民; 周雪松
Original assignee: TIANJIN COLLEGE OF SCIENCE AND ENGINEERING; Sinopec Tianjin Petrochemical Co
Current assignee: TIANJIN COLLEGE OF SCIENCE AND ENGINEERING; Sinopec Tianjin Petrochemical Co
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2004-11-10

Abstract

一种基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置，其特征在于它以电机控制专用DSP芯片为中央处理器，可编程逻辑器件为辅助处理器，整套控制装置由交流采样电路、中央处理电路、脉冲放大电路、可控硅功率电路和开关量控制电路组成。本发明的优越性和技术效果在于利用高性能数字信号处理芯片实现以非线性控制为主的多种发电机励磁控制规律，可在很大程度上提高励磁控制的速度和精度，减少由于变送器及普通单片机处理速度限制而引起的控制滞后，使整个励磁控制系统具有很好的调节性能和可靠性，增强电网的稳定性，保证发电机安全运行，降低大面积停电事故的故障率，是一种具有巨大市场前景的新一代发电机励磁自动控制装置。

Description

基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置

(一)技术领域：

本发明属于电机自动控制技术领域，特别是一种基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置。

(二)背景技术：

自动控制装置对发电机的运行状况有重要影响，性能良好的励磁控制装置不仅可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，而且能提高电力系统运营的经济性，目前，一方面国内外使用的发电机励磁控制装置大多根据线性控制理论来设计，称之为“线性控制装置”，由于发电机是一种非线性元件，因此“线性控制装置”的控制效果不能令人满意；另一方面现有利用传统单片机，如51系列、96系列实现的励磁控制，由于运算精度和速度有限，再加上部分装置采集数据所用变送器的时间延迟，影响了励磁控制响应速度和准确性的进一步提高，限制了一部分先进控制理论的推广应用，很难更好的满足我国大区域电力系统联网后进一步提高电力系统稳定性及最大限度减少大面积停电事故且切实保障人民生活经济发展用电可靠性连续性的需求。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置，它能结合高性能的信号处理器和先进的非线性控制理论，构造一种新型发电机非线性励磁控制装置，以获得快速、高精度、强鲁棒性的控制效果，减少外部扰动对发电机正常运行的影响，提高发电机运行的可靠性和稳定性，最大程度降低事故发生率。

本发明的技术方案：一种基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置，其特征在于它以电机控制专用DSP芯片为中央处理器，可编程逻辑器件为辅助处理器，整套控制装置由交流采样电路、中央处理电路、脉冲放大电路、可控硅功率电路和开关量控制电路组成，所说的交流采样电路的输入端连接外部变压器和电流互感器，其输出端连接中央数据处理电路的输入端，中央处理电路的输出端分别连接脉冲放大电路和开关量控制电路，脉冲放大电路的输出端连接可控硅功率电路，可控硅功率电路的输出端连接发电机的励磁绕组输入端，开关量控制电路将开关量输入信号送入中央处理电路，又把从中央处理电路得出的开关量输出信号输送到控制开关及主控室控制屏中。

上述所说的整套控制装置可由单机结构独立构成，亦可为保证大容量发电机组的高可靠性变换为互为热备用的双机结构构成，双机结构间有便于同步跟踪的通讯用双口随机存储器。

上述所说的交流采样电路包括：

(1)交流采样前端电路，它利用互感器将发电机二次侧的高电压、大电流转换为-5V～+5V的电压，并利用D11、D12、D21、D22构成输入限幅保护，R24、R25、R26、R34、R35、R36、C11、C12、C16、C17构成互感器相移补偿及阻容滤波电路，所得的信号经一级运放隔离后送入多路选择开关；

(2)多路选择开关，其采样通道的选择由DSP的I/O口进行控制；

(3)A/D转换电路，对多路开关输出的信号经A/D转换器，变换所得的数字量经DSP外部I/O口进入DSP中，以待进行数据补偿及进一步处理。

上述所说的中央处理电路包括：

(1)实时全数字控制的高性能DSP芯片，包含大容量快速闪存、多个32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN多种接口；

(2)电源管理模块，由双电源供电器件U3及周边电阻R15、R16、C1、C2电容构成；

(3)晶振电路，由给DSP芯片提供时钟信号的电容C3、C4和晶振体U2构成；

(4)数据总线驱动电路，由双向数据缓冲器U9，U10构成。

上述所说的脉冲放大电路包括：

(1)放大“+A”相脉冲的放大电路，包括二极管D1，电阻R1、R2和三极管N1；

(2)放大“+B”相脉冲的放大电路，包括二极管D2，电阻R3、R4和三极管N2；

(3)放大“+C”相脉冲的放大电路，包括二极管D3，电阻R5、R6和三极管N3；

(4)放大“-A”相脉冲的放大电路，包括二极管D4，电阻R7、R8和三极管N4；

(5)放大“-B”相脉冲的放大电路，包括二极管D5，电阻R9、R10和三极管N5；

(6)放大“-C”相脉冲的放大电路，包括二极管D6，电阻R11、R12和三极管N6。

上述所说的可控硅功率电路包括：

(1)三相交流回路中的A相的两个可控硅“+A”和“-A”

(2)三相交流回路中的B相的两个可控硅“+B”和“-B”

(3)三相交流回路中的C相的两个可控硅“+C”和“-C”

它们的控制脉冲来自脉冲放大电路。

上述所说的开关量控制电路由可编程逻辑器件构成。

本发明的工作原理：交流采样电路把发电机电压互感器二次侧电压及电流感器二次侧电流变换为较低幅值交流电压，经多路选择开关及模/数转换器件变为数字量信号送入到以DSP为核心的中央处理电路中，中央处理电路根据输入量按照选定的控制规律计算出可控硅的触发角，转换为定时器计数值后，延时发出触发脉冲，经脉冲放大电路放大后触发可控硅，进而达到通过调节励磁电压稳定机端电压及调节无功功率的效果。

本发明的优越性和技术效果在于：利用高性能数字信号处理芯片实现以非线性控制为主的多种发电机励磁控制规律，可在很大程度上提高励磁控制的速度和精度，减少由于变送器及普通单片机处理速度限制而引起的控制滞后，使整个励磁控制系统具有很好的调节性能和可靠性，增强电网的稳定性，保证发电机安全运行，降低大面积停电事故的故障率，设计了一种具有巨大市场前景的新一代发电机励磁自动控制装置。

(四)附图说明：

附图1为本发明所涉“基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置”中的单机总体电路结构示意图。

附图2为本发明所涉“基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置”的双机总体电路结构示意图。

附图3为本发明所涉“基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置”中的交流采样电路的前端电路结构示意图。

附图4为本发明所涉“基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置”中的交流采样电路多路开关及A/D转换电路结构示意图。

附图5为本发明所涉“基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置”中的中央处理电路结构示意图。

附图6为本发明所涉“基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置”中的脉冲放大电路结构示意图。

附图7为本发明所涉“基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置”中的可控硅功率电路结构示意图。

(五)具体实施方式：

实施例1：一种基于DSP芯片的数字式电机非线性励磁控制装置(见图1)其特征在于它以美国德州仪器最新推出的高性能电机控制专用DSP芯片TMS320F2812为中央处理器，可编程逻辑器件为辅助处理器，整个装置采用单机结构，由交流采样电路、中央处理电路、脉冲放大电路、可控硅功率电路和开关量控制电路组成，所说的交流采样电路的输入端连接外部变压器或电流互感器，其输出端连接中央数据处理电路的输入端，中央处理电路的输出端分别连接脉冲放大电路和开关量控制电路，脉冲放大电路的输出端连接可控硅功率电路，可控硅功率电路的输出端连接发电机的励磁绕组输入端，开关量控制电路将开关量输入信号送入中央处理电路，又把开关量输出信号输送到控制开关及主控室控制屏中。

上述所说的交流采样电路(见图3-4)包括：

(1)交流采样前端电路，它利用互感器将发电机二次侧的高电压、大电流转换为-5V～+5V的电压，并利用D11、D12、D21、D22构成输入限幅保护，R24、R25、R26、R34、R35、R36、C11、C12、C16、C17构成互感器相移补偿及阻容滤波电路，所得的信号经一级运放隔离后送入多路选择开关(见图3)；

(2)多路选择开关，其采样通道的选择由DSP的I/O口进行控制；

(3)A/D转换电路，对多路开关选择输出的模拟信号经A/D转换，变换所得的数字量经DSP外部I/O口进入DSP中，以待进行数据补偿及进一步处理(见图4)。

该电路工作过程为：外部电压、电流信号经互感器转换为-5V～+5V电压信号，经过限幅、相移补偿、阻容滤波、运放隔离电路进入多通道选择开关AD7506，由DSP控制所选通道，被选通道信号经16位高速A/D转换器得到高精度的数字信号，再通过I/O口进入DSP内核，进行进一步的运算处理。

上述所说的中央处理电路(见图5)包括；

(2)电源管理模块，由双电源供电器件TPS73HD301及周边电阻R15、R16、C1、C2电容构成；

(4)数据总线驱动电路，由两片双向数据缓冲器74LS245构成。

该电路工作过程为：将A/D转化所得的数字量接收到DSP后，对数据进行补偿、数字滤波后，对应相应的标准值转化为标么值，带入实用的非线性控制公式或其它所选控制规律的控制算法中进行运算，得出控制角，并转化计数值，产生6个不同的控制脉冲(+AA、+BB、+CC、-AA、-BB、-CC)

上述所说的脉冲放大电路(见图6)包括；

该电路工作过程为：该脉冲放大电路把DSP输出的6个控制脉冲(+AA、+BB、+CC、-AA、-BB、-CC)进行放大，以便可靠地触发后面的可控硅功率单元。电阻R2、R3、R5、R7和R11分别接+12伏的电源，为三极管N1、N2、N3、N4、N5和N6的电路提供导通的电能，从而使输出的6个脉冲(+A、+B、+C、-A、-B、-C)得到放大，二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6的作用是防止脉冲反向输入，避免干扰DSP芯片的正常工作。

上述所说的可控硅功率电路(见图7)包括；

(1)三相交流回路中的A相的两个可控硅“+A”和“-A”；

(2)三相交流回路中的B相的两个可控硅“+B”和“-B”；

(3)三相交流回路中的C相的两个可控硅“+C”和“-C”。

该电路工作过程为；可控硅功率电路中，该电路共有6个可控硅+A、+B、+C、-A、-B和-C，其输入是三相交流电(380伏)，6个可控硅按照一定的时序接收来自脉冲放大电路的信号得以触发。其输出是直流信号，可直接提供给发电机的励磁绕组。

上述所说的开关量控制电路在本实施例中主要由高可靠性的可编程控制器(PLC)构成，利用软继电器减少大量触点和接线，利用PLC的通讯接口与DSP进行信息交换，实现部分I/O口的智能化。

实施例2：所说的整套控制装置可由单机结构(即图1)独立构成，亦可为保证大容量发电机组的高可靠性变换为互为热备用的双机结构构成，双机结构间有便于同步跟踪的通讯用双口随机存储器，其它电路同单机结构的各电路(见图2)。

Claims

1、一种基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置，其特征在于它以电机控制专用DSP芯片为中央处理器，可编程逻辑器件为辅助处理器，整套控制装置由交流采样电路、中央处理电路、脉冲放大电路、可控硅功率电路和开关量控制电路组成，所说的交流采样电路的输入端连接外部变压器和电流互感器，其输出端连接中央数据处理电路的输入端，中央处理电路的输出端分别连接脉冲放大电路和开关量控制电路，脉冲放大电路的输出端连接可控硅功率电路，可控硅功率电路的输出端连接发电机的励磁绕组输入端，开关量控制电路将开关量输入信号送入中央处理电路，又把从中央处理电路得出的开关量输出信号输送到控制开关及主控室控制屏中。

2、根据权利要求1所说的基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置，其特征在于所说的交流采样电路包括：

(2)多路选择开关，其采样通道的选择由DSP的I/O口进行控制；

(3)A/D转换电路，对多路开关输出的模拟信号经A/D转换器，变换得到数字量经DSP外部I/O口进入DSP中，以待进行数据补偿及进一步处理。

3、根据权利要求1所说的基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置，其特征在于所说的中央处理电路包括：

(4)数据总线驱动电路，由双向数据缓冲器U9，U10构成。

4、根据权利要求1所说的基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置，其特征在于所说的脉冲放大电路包括：

5、根据权利要求1所说的基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置，其特征在于所说的可控硅功率电路包括：

(1)三相交流回路中的A相的两个可控硅“+A”和“-A”

(2)三相交流回路中的B相的两个可控硅“+B”和“-B”

(3)三相交流回路中的C相的两个可控硅“+C”和“-C”

它们的控制脉冲来自脉冲放大电路。

6、根据权利要求1所说的基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置，其特征在于所说的开关量控制电路由可编程逻辑器件构成。

7、根据权利要求1所说的基于DSP芯片的电机非线性励磁控制装置，其特征在于所说的整套控制装置可由单机结构独立构成，亦可由两个相同的单机结构构成互为热备用的双机结构组成，双机结构间有便于同步跟踪的通讯用双口随机存储器。