CN1949656A - 基于dsp的励磁控制器数据采集与处理系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于DSP的励磁控制器数据采集与处理系统及其工作方法，它是由开关量采集电路、交流模拟量预处理电路、频率测量电路、模数转换器与DSP的接口电路、开关量输出电路、移相脉冲形成及功率输出电路所组成。本发明的优越性：①本装置与相关DSP软件编程相结合，简化了硬件装置设计；②使用了针对电机和运动控制领域的DSP芯片；③在数据采集单元中采用交流采样，省去励磁控制器中的电量变送器，简化了硬件开销，减少了系统维护的工作量；④利用DSP的数据计算和处理能力，提高了数据采集的速度、精度，提高了励磁控制器响应的实时性。

Description

基于DSP的励磁控制器数据采集与处理系统及其工作方法

(一)技术领域：

本发明属于电力系统同步发电机励磁控制器数据采集技术领域，特别是为提高数据采集与处理的精度和速度的基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统及其工作方法。

(二)背景技术：

励磁控制器是同步发电机系统的重要组成部分，在保持发电机正常工作和电力系统稳定运行方面起着重要作用。其主要作用体现在以下几个方面：(1)控制发电机机端电压在给定水平；(2)控制无功功率的分配；(3)提高同步发电机并联运行的稳定性，改善电力系统的运行条件；(4)强行励磁功能；(5)给发电机提供限制、保护功能并提高继电保护的灵敏性。随着发电机单机容量及电网规模的日益增大，发电机组对励磁调节装置在快速性、可靠性、鲁棒性等方面提出了越来越高的要求。

目前国内还有大量的模拟式励磁控制器在使用，推出的数字式励磁控制器，绝大部分是以8位、16位或32位单片机为主处理器，构成单通道、双通道或者是多通道结构的励磁控制器，其硬件结构形式的选择有单片机、单板机、工控机和可编程序控制器结构。为提高励磁控制系统的性能和运行参数指标，以满足电力系统稳定运行的需要，一方面在励磁控制装置中添加保护和限制功能，另一方面，许多新的励磁控制理论及其算法随着控制理论的发展应用到励磁控制器中，如非线性控制理论、人工神经网络、模糊控制等。这一趋势对励磁控制器的数据采集系统及其所采用的中央处理器提出了比较高的要求。在励磁控制器中，中央处理器完成的任务包括信息采集、数据传递、数据处理、系统控制、在线检测、故障录波和通讯等。在运算数据量大量增加的情况下，传统单片机在运算速度、实时性和精度方面满足不了励磁系统的要求。目前，无论是模拟式励磁调节器还是以单片机为核心的数字式励磁控制器，其数据采集及处理能力满足不了励磁控制器发展的需要。研究以新型DSP芯片为核心处理器的数据采集及处理系统成为同步发电机励磁系统的重要研究课题。

(三)发明内容：

本发明的目的在于设计一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统及其工作方法，它将高性能DSP芯片应用在励磁控制器中，研究开发了以DSP为核心处理器的数据采集和处理系统，用DSP对数字信号处理所做的优化来实现励磁控制器的深度数字化，提高了励磁控制器采集和处理数据的精度及速度，从而提高了整个励磁控制器的性能和控制指标。

本发明的技术方案：一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，其特征在于它是由开关量采集电路、交流模拟量预处理电路、频率测量电路、DSP处理器、开关量输出电路、移相脉冲形成及功率输出电路所组成；所说的载有开关量的信号端连接开光量采集电路的输入端，开关量采集电路的输出端连接DSP处理器；所说的交流模拟量信号端和交流模拟量预处理电路的输入端连接，交流模拟量预处理电路输出端DSP处理器输入端相连接；所说的交流模拟量预处理电路中的模数转换器的相关控制引脚和DSP处理器的相关控制引脚连接，形成接口电路；所说的交流模拟量预处理电路输出端连接频率测量电路的输入端，频率测量电路的输出端连接交流模拟量预处理电路中的模数转换器的控制引脚和DSP的输入引脚，所说的开关量经DSP处理后的输出连接开关量输出电路的输入端，所说的交流模拟量经DSP处理器处理后形成的控制量连接移相脉冲形成及功率输出电路。

上述所说的交流模拟量预处理电路由隔离变换电路、电平抬升电路和模数转换器组成，所说的隔离变换电路的输出端连接电平抬升电路的输入端，电平抬升电路的输出端连接模数转换器的输入端，模数转换器与DSP相连接。

上述所说频率测量电路是由电压比较器、光耦隔离器、直流电源、电阻、电容所构成；频率测量电路将机端电压信号经电压比较器整形为方波，经光耦隔离后输入数字信号处理器的事件管理器，由事件管理器完成频率的测量。

上述所说的模数转换器与DSP处理器形成的接口电路是由模数转换器、运算放大器、数字信号处理器及相关的接口器件所构成，接口电路完成模数转换器和DSP处理器的连接，由DSP对模数转换器进行控制。

上述所说的开关量采集电路由光电隔离电路和数据缓冲电路构成，光电隔离电路的输出端和开关量输入电路的输入端相连接，完成对开关量的采集。

上述所说的开关量的输出电路由光电隔离电路和开光量输出电路构成，实现开光量的输出功能。

上述所说的移相脉冲形成及功率输出电路是由移相脉冲形成电路、脉冲变压器及功率输出电路所构成；移相脉冲形成电路通过DSP中事件管理器来实现，得到移相触发角度，经脉冲变压器将得到的脉冲信号进行功率放大，放大后的输出信号输出到功率输出电路中的晶闸管。

上述所说的基于DSP的励磁控制器数据采集与处理系统可以外接扩展存储器，实现采集数据的存储和传输。

一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①由交流模拟量预处理电路对励磁控制器中的电压、电流信号进行变换，经变换后的信号输出入到模数转换器进行采集，由模数转换器得到的数字信号输入到DSP，同时，由频率测量电路完成对励磁系统频率的测量，将测量结果输出到模数转换器和DSP处理器。这部分工作由所属的硬件完成；

②由开关量采集电路完成对励磁控制器中的开关量信号的实时采集，将采集到的信号输入到DSP处理器；

③由励磁控制器采用的控制规律对对上面采集到的信号进行数字处理，用软件实现信号处理，得到励磁控制器所需要的控制量；

④DSP处理后得到的输出经开关量输出电路和移相脉冲形成及功率输出电路控制相关的励磁控制器中的对象，实现励磁控制功能。

上述所说的步骤③中所说的实现信号处理的软件包括：

数字滤波子程序、机端电压电流计算子程序及励磁电压电流计算子程序；流程如下所述：程序执行开始，系统上电复位、FLASH自举，变量数据缓冲区初始化，调用系统控制初始化程序，调用GPIO初始化程序，调用EV初始化子程序、初始化PIE矢量表，调用AD初始化子程序复位启动ADS8364，中断标志清零，故障自检程序，频率捕获中断，AD转换完毕中断，喂狗子程序，程序再次执行到中断清零位置，构成循环程序；具体程序执行如下：DSP系统上电复位后，首先根据CMD文件所选定的模式，调试时为Jump to HO SRAM模式，实际应用时为Jump to Flash模式，自举加载程序，跳转到主程序入口，在主程序中对DSP主控制器和外围扩展电路的初始化，然后进行系统自检，确保系统运行前无软硬件故障，主程序内部循环执行，等待响应不同的中断；程序的初始化包括各种片内外设模块的初始化如为RAM中的数组清零，外围复用I/O口的设置，系统控制寄存器的设置，外设扩展中断PIE矢量表的初始化等，还包括外围硬件设备的初始化，如ADS8364的初始化；在主程序设计流程中，为了防止干扰信号，利用了软件看门狗，分别在数据采集程序中和主程序中加入喂狗程序，限制采集程序、调节控制程序的执行时间，防止程序跑飞，处于失控状态；根据运算处理结果判断励磁控制器的参数状态，并向系统输出处理信号，以控制相应晶闸管的通断以及开关的开闭，从而控制励磁电流的大小。

本发明的工作原理为：同步发电机励磁控制器的电压、电流信号分别取自发电机机端PT、CT，PT的输出为0-100V，CT的输出为0-5A的交流信号，用高精度电压互感器和电流互感器对励磁系统的电压和电流进行比例变换，使其在适合处理的范围之内。再由预处理电路将待采集的信号进行预处理，使采集信号变换到ADC输入范围之内，对干扰信号进行滤波处理。这部分电路对于保证数据采集的精度有重要影响。模拟量经过预处理之后可以输入ADC芯片。开关量经光电隔离后直接输入DSP芯片。通过外部硬件设备及软件编程实现对励磁系统电压和电流信号的实时采集和处理。在交流采样过程中，充分利用DSP的片内资源，每周期采样40点。每次转换完成时，将产生ADC转换完成中断，在中断服务程序中对A/D采样的数据进行读取、处理。对采集到的电压、电流进行计算，得出机端电压、机端电流、励磁电压、励磁电流、电网电压的有效值以及有功功率和无功功率。移相脉冲形成通过DSP的事件管理器来实现。励磁控制器根据交流采样所得到的机端电压和无功功率以及各种保护限制计算得到移相触发角度，利用DSP的片上资源，实现移相脉冲。移相触发模块的任务是产生相位可调的脉冲，经脉冲变压器放大，用来触发整流桥中的晶闸管，使其控制角根据电压的大小而改变，从而达到自动调节发电机励磁电流的目的。

本发明的优越性和技术效果在于：①本装置与相关DSP软件编程相结合，简化了硬件装置设计；②使用了针对电机和运动控制领域的DSP芯片，芯片上集成了多种先进的外设，使硬件电路的设计得以简化，提高了系统可靠性和响应的实时性；③在数据采集单元中采用交流采样，省去励磁控制器中的电量变送器，将使励磁系统的响应能力得到提高，简化了硬件开销，减少了系统维护的工作量；④利用DSP高速的数据计算和数据处理能力，提高了该数据采集系统的速度和精度，提高了励磁控制器的实时性。

(四)附图说明：

附图1为本发明所涉基于DSP的励磁控制器数据采集与处理系统及其工作方法的总体结构示意图。

附图2为本发明所涉基于DSP的励磁控制器数据采集与处理系统及其工作方法中的交流模拟量预处理部分的电路结构图。

附图3为本发明所涉基于DSP的励磁控制器数据采集与处理系统及其工作方法中的频率测量电路结构示意图。

附图4为本发明所涉基于DSP的励磁控制器数据采集与处理系统及其工作方法中的模数转换器与DSP的接口电路结构示意图。

附图5为本发明所涉基于DSP的励磁控制器数据采集与处理系统及其工作方法中的开关量采集电路结构示意图。

附图6本发明所涉基于DSP的励磁控制器数据采集与处理系统及其工作方法中的移相脉冲形成及功率输出电路结构示意图。

附图7为本实用新型所涉基于DSP的励磁控制器数据采集与处理系统及其工作方法中步骤③所说的实现信号处理的软件主程序流程图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统(见图1)，其特征在于它是由频率测量电路、交流量预处理电路、模数转换器ADS8364与DSP芯片TMS320F2812的接口电路、开关量采集电路、移相脉冲形成及功率输出电路所组成，所说的载有开关量的信号端连接开光量采集电路的输入端，开关量采集电路的输出端连接DSP处理器；所说的交流模拟量信号端和交流模拟量预处理电路的输入端连接，交流模拟量预处理电路输出端DSP处理器输入端相连接；所说的交流模拟量预处理电路中的模数转换器的相关控制引脚和DSP处理器的相关控制引脚连接，形成接口电路；所说的交流模拟量预处理电路输出端连接频率测量电路的输入端，频率测量电路的输出端连接交流模拟量预处理电路中的模数转换器的控制引脚和DSP的输入引脚，所说的开关量经DSP处理后的输出连接开关量输出电路的输入端，所说的交流模拟量经DSP处理器处理后形成的控制量连接移相脉冲形成及功率输出电路。

上述所说的交流模拟量预处理电路(见图2)由隔离变换电路、电平抬升电路和模数转换器组成，所说的隔离变换电路的输出端连接电平抬升电路的输入端，电平抬升电路的输出端连接模数转换器的输入端，模数转换器与DSP相连接；中模拟量输入信号包括同步发电机励磁控制器的电压和电流两种基本信号，在输入A/D模块ADS8364之前需进行预处理，构成信号的调理电路。其第一级运放为电压跟随器，提高输入阻抗，以增强带负载能力；第二级为二阶低通滤波电路对输入信号进行滤波处理；第三级中的电阻网络R16、R17、R18、R19将电压调整到0-5V，构成差分输入方式，以满足模数转换器芯片ADS8364的输入要求。

上述所说频率测量电路(见图3)是由电压比较器、光耦隔离器、直流电源、电阻、电容所构成；频率测量电路将机端电压信号经电压比较器整形为方波，经光耦隔离后输入数字信号处理器的事件管理器，由事件管理器完成频率的测量；频率测量电路是由电压互感器、电压比较器、光耦隔离器、直流电源、数字信号处理器TMS320F2812的事件管理器及相关匹配元器件所构成，测频电路将机端电压信号经电压比较器整形成为方波，光耦隔离后接入数字信号处理器TMS320F2812的事件管理器，由事件管理器完成频率的测量。

上述所说的模数转换器ADS8364与DSPF2812的接口电路(见图4)由模数转换器ADS8364、数字信号处理器TMS320F2812、运算放大器及相关的接口器件所构成；接口电路完成模数转换器和DSP处理器的连接，由DSP对模数转换器进行控制。

上述所说的开关量的采集电路(见图4)由光电隔离电路和开光量输出电路构成，包括反相器、光耦隔离器件、数据缓冲器、直流电源、电阻组成。实现开光量的输出功能。

上述所说的移相脉冲形成及功率输出电路(见图6)是由控制脉冲形成电路、脉冲变压器及功率输出电路所构成，移相脉冲形成电路通过DSP TMS320F2812中事件管理器的计数器延时来实现，得到移相触发角度，脉冲变压器将得到的脉冲信号进行功率放大，经脉冲变压器放大后的信号输出到功率输出电路中的晶闸管，以控制相应晶闸管的通断以及开关的开闭，从而控制励磁电流的大小。

一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①由交流模拟量预处理电路对励磁控制器中的电压、电流信号进行变换，经变换后的信号输出入到模数转换器进行采集，由模数转换器得到的数字信号输入到DSP，同时，由频率测量电路完成对励磁系统频率的测量，将测量结果输出到模数转换器和DSP处理器。这部分工作由所属的硬件完成；

②由开关量采集电路完成对励磁控制器中的开关量信号的实时采集，将采集到的信号输入到DSP处理器；

③由励磁控制器采用的控制规律对对上面采集到的信号进行数字处理，用软件实现信号处理，得到励磁控制器所需要的控制量；

④DSP处理后得到的输出经开关量输出电路和移相脉冲形成及功率输出电路控制相关的励磁控制器中的对象，实现励磁控制功能。

上述所说的步骤③中所说的实现信号处理的软件(见图7)包括：数字滤波子程序、机端电压电流计算子程序及励磁电压电流计算子程序；流程如下所述：程序执行开始，系统上电复位、FLASH自举，变量数据缓冲区初始化，调用系统控制初始化程序，调用GPIO初始化程序，调用EV初始化子程序、初始化PIE矢量表，调用AD初始化子程序复位启动ADS8364，中断标志清零，故障自检程序，频率捕获中断，AD转换完毕中断，喂狗子程序，程序再次执行到中断清零位置，构成循环程序；具体程序执行如下：DSP系统上电复位后，首先根据CMD文件所选定的模式，调试时为Jump to HO SRAM模式，实际应用时为Jump to Flash模式，自举加载程序，跳转到主程序入口，在主程序中对DSP主控制器和外围扩展电路的初始化，然后进行系统自检，确保系统运行前无软硬件故障，主程序内部循环执行，等待响应不同的中断；程序的初始化包括各种片内外设模块的初始化如为RAM中的数组清零，外围复用I/O口的设置，系统控制寄存器的设置，外设扩展中断PIE矢量表的初始化等，还包括外围硬件设备的初始化，如ADS8364的初始化；在主程序设计流程中，为了防止干扰信号，利用了软件看门狗，分别在数据采集程序中和主程序中加入喂狗程序，限制采集程序、调节控制程序的执行时间，防止程序跑飞，处于失控状态；根据运算处理结果判断励磁控制器的参数状态，并向系统输出处理信号，以控制相应晶闸管的通断以及开关的开闭，从而控制励磁电流的大小。

Claims (9)

1、一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，其特征在于它是由开关量采集电路、交流模拟量预处理电路、频率测量电路、DSP处理器、开关量输出电路、移相脉冲形成及功率输出电路所组成；所说的载有开关量的信号端连接开光量采集电路的输入端，开关量采集电路的输出端连接DSP处理器；所说的交流模拟量信号端和交流模拟量预处理电路的输入端连接，交流模拟量预处理电路输出端DSP处理器输入端相连接；所说的交流模拟量预处理电路中的模数转换器的相关控制引脚和DSP处理器的相关控制引脚连接，形成接口电路；所说的交流模拟量预处理电路输出端连接频率测量电路的输入端，频率测量电路的输出端连接交流模拟量预处理电路中的模数转换器的控制引脚和DSP的输入引脚，所说的开关量经DSP处理后的输出连接开关量输出电路的输入端，所说的交流模拟量经DSP处理器处理后形成的控制量连接移相脉冲形成及功率输出电路。

2、根据权利要求1所说的一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，其特征在于所说的交流模拟量预处理电路由隔离变换电路、电平抬升电路和模数转换器组成，所说的隔离变换电路的输出端连接电平抬升电路的输入端，电平抬升电路的输出端连接模数转换器的输入端，模数转换器与DSP相连接。

3、根据权利要求1所说的一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，其特征在于所说频率测量电路是由电压比较器、光耦隔离器、直流电源、电阻、电容所构成；频率测量电路将机端电压信号经电压比较器整形为方波，经光耦隔离后输入数字信号处理器的事件管理器，由事件管理器完成频率的测量。

4、根据权利要求1所说的一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，其特征在于所说的模数转换器与DSP处理器形成的接口电路是由模数转换器、运算放大器、数字信号处理器及相关的接口器件所构成，接口电路完成模数转换器和DSP处理器的连接，由DSP对模数转换器进行控制。

5、根据权利要求1所说的一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，其特征在于所说的开关量采集电路由光电隔离电路和数据缓冲电路构成，光电隔离电路的输出端和开关量输入电路的输入端相连接，完成对开关量的采集。

6、根据权利要求1所说的一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，其特征在于所说的开关量的输出电路由光电隔离电路和开光量输出电路构成，实现开光量的输出功能。

7、根据权利要求1所说的一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，其特征在于所说的移相脉冲形成及功率输出电路是由移相脉冲形成电路、脉冲变压器及功率输出电路所构成；移相脉冲形成电路通过DSP中事件管理器来实现，得到移相触发角度，经脉冲变压器将得到的脉冲信号进行功率放大，放大后的输出信号输出到功率输出电路中的晶闸管。

8、一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①由交流模拟量预处理电路对励磁控制器中的电压、电流信号进行变换，经变换后的信号输出入到模数转换器进行采集，由模数转换器得到的数字信号输入到DSP，同时，由频率测量电路完成对励磁系统频率的测量，将测量结果输出到模数转换器和DSP处理器。这部分工作由所属的硬件完成；

②由开关量采集电路完成对励磁控制器中的开关量信号的实时采集，将采集到的信号输入到DSP处理器；

③由励磁控制器采用的控制规律对对上面采集到的信号进行数字处理，用软件实现信号处理，得到励磁控制器所需要的控制量；

④DSP处理后得到的输出经开关量输出电路和移相脉冲形成及功率输出电路控制相关的励磁控制器中的对象，实现励磁控制功能。

9、根据权利要求8所说的一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统的工作方法，其特征在于所说的步骤③中所说的实现信号处理的软件包括：数字滤波子程序、机端电压电流计算子程序及励磁电压电流计算子程序；流程如下所述：

程序执行开始，系统上电复位、FLASH自举，变量数据缓冲区初始化，调用系统控制初始化程序，调用GPIO初始化程序，调用EV初始化子程序、初始化PIE矢量表，调用AD初始化子程序复位启动ADS8364，中断标志清零，故障自检程序，频率捕获中断，AD转换完毕中断，喂狗子程序，程序再次执行到中断清零位置，构成循环程序；具体程序执行如下：DSP系统上电复位后，首先根据CMD文件所选定的模式(调试时为Jump to HO SRAM模式，实际应用时为Jump to Flash模式)自举加载程序，跳转到主程序入口，在主程序中对DSP主控制器和外围扩展电路的初始化，然后进行系统自检，确保系统运行前无软硬件故障，主程序内部循环执行，等待响应不同的中断；程序的初始化包括各种片内外设模块的初始化如为RAM中的数组清零，外围复用I/O口的设置，系统控制寄存器的设置，外设扩展中断PIE矢量表的初始化等，还包括外围硬件设备的初始化，如ADS8364的初始化；在主程序设计流程中，为了防止干扰信号，利用了软件看门狗，分别在数据采集程序中和主程序中加入喂狗程序，限制采集程序、调节控制程序的执行时间，防止程序跑飞，处于失控状态；根据运算处理结果判断励磁控制器的参数状态，并向系统输出处理信号，以控制相应晶闸管的通断以及开关的开闭，从而控制励磁电流的大小。

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