无刷同步发电机数字励磁控制技术的软件实现

魏建明，魏建勋（.河南农业职业学院，郑州45450；.湘电集团有限公司，湘潭 40）



无刷同步发电机数字励磁控制技术的软件实现

魏建明1，魏建勋2
（1.河南农业职业学院，郑州451450；2.湘电集团有限公司，湘潭 411101）

摘要：数字励磁控制技术以其高灵活性的特点在同步发电机励磁系统中获得了广泛的应用。本文以数字励磁控制器为基础，研究一种无刷同步发电机的数字励磁控制技术，详细介绍了数字励磁控制的软件实现，包括主程序、A/D转换、信号滤波、控制调节、系统保护等程序的实现过程，同时增加了软件的可靠性设计部分。将软件烧写至数字励磁控制器中进行了模拟实验，实验结果表明软件设计的正确性和有效性。

关键词：数字励磁A/D转换信号滤波控制调节可靠性设计模拟实验

魏建勋（1977-），男，高工。研究方向：电气控制。

0　引言

励磁控制器是同步发电机励磁系统的一个重要组成部分［1-4］，根据发电机端的采样反馈信号，励磁调节器产生相应的控制指令调节励磁电源的输出，为发电机的转子提供所需的励磁电流；励磁系统中的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用［5］，如图1所示。数字励磁控制技术以其高灵活性、高可靠性以及系统简洁性获得了广泛的应用。

本文研究一种数字励磁控制技术，该数字励磁控制技术是以DSP28335为控制软件核心，通过相关的外围电路和软件编程，产生不同占空比的驱动信号，来调节励磁电源的输出，从而改变励磁电流输出大小，最终实现调节发电机输出电压的目的。

图1　自动励磁调节器组成框图

1　数字励磁控制器的硬件组成

根据图1所示的组成框图，本文研究的一种数字励磁控制器结构框图如图2所示。发电机输出电压和电流经过采样电路和A/D转换之后进入DSP28335进行软件处理，产生斩波电路需要的PWM控制信号，通过控制斩波电路的输出来调节励磁绕组的电流大小，从而调节发电机的输出电压。配备该数字励磁控制器的发电机的主要性能取决于数字励磁控制器的软件性能。因此本文主要分析研究该数字励磁控制器的软件实现。

图2　数字励磁控制器的硬件组成框图

2　控制器的软件实现

本系统主要的数据处理软件采用TMS320F28335，在励磁控制器的系统软件设计中，采用程序模块化的思想，将整个系统软件划分为主程序和多个中断子程序。系统主程序包括系统所有状态的初始化、I/O口存储区的初始化、定时器和系统中断的初始化、系统显示状态部分，循环等待子程序等等。其流程图如图3所示。

图3　主程序流程框图

为了保证系统安全和稳定运行，提高系统的可靠性，在程序中，加入了看门狗中断和假中断子程序。

2.1主程序

在TMS320F28335芯片上电运行后，需首先对芯片进行初始化，其程序初始化过程主要包括以下几个方面：

1）TMS320F28335芯片片内外设时钟和系统时钟的初始化；

2）通用I/O的初始化；

3）中断向量表的初始化；

4）DSP存储空间的初始化；

5）PID控制参数和电压基准值的设定；

6）运行和故障指示灯的初始化。

7）事件管理模块内的捕捉单元、通用定时器和中断程序的设定；

8）程序指示灯和开中断的显示程序。

2.2中断程序

根据图2所示的硬件组成框图，可知本励磁控制器中的中断服务子程序主要包括定时器周期中断、信号捕捉中断、高优先级模式的外部引脚中断等。

定时器T2周期中断子程序的流程框图如图4所示。其子程序中包含了开关控制部分、A/D转换启动部分、A/D转换完成部分、电压计算部分、PID调节控制部分、电压调节及保护部分等。

2.2.1A/D转换程序

系统中的A/D转换通过外部的A/D转换芯片AD7862-10来实现。由于没有采用芯片内部的A/D转换模块，故只能通过产生定时器T2 的周期中断信号来使能系统中的A/D转换电路功能。当定时器T2的周期中断信号有效时，DSP芯片的GPIO56端口产生一个下降沿，触发AD7862转换启动其A、B两组通道的数据转换。然后通过芯片的GPIO55端口输出电平来控制AD7862转换芯片的通道选择信号A0，从而可以选择相应的转换通道来进行A/D转换。

通过片选信号/CS的状态，DSP读取来自AD7862的转换数据结果。当/CS信号有效（即/CS为低电平）时，DSP对AD7862进行数据读取操作，在/CS信号有效的情况下，DSP根据/RD引脚的脉冲信号依次访问AD7862的数据转换结果。

AD7862引脚BUSY的输出信号给DSP，作为DSP的中断信号。当/CONVST信号有效（即/CONVST为低电平）时，BUSY输出信号变为高电平并保持为高电平状态。当A/D转换结束，BUSY输出信号才会变为低电平状态，因此DSP通过检测BUSY引脚信号的电平状态来判断AD转换是否结束。若转换结束，则将转换结果存入相应的数据存储器寄存器中；若转换未结束，则继续等待转换结果。

图4　定时器T2周期中断程序流程框图

2.2.2控制调节模块

目前DSP数字励磁调节控制器大都采用常规的PID控制调节方式，电压计算包括采样电压反馈量处理、调差计算与处理和PID控制参数的计算三部分。DSP数字励磁调节控制器从AD7862的采样通道中取出最新的12位数字量转换结果进行计算，所计算出的电压值作为励磁调节控制的反馈值。其PID控制原理框图如图5所示。

图5　DSP数字励磁调节控制器的PID控制原理框图

2.2.3开关控制模块

本系统将启停按钮连接到DSP芯片的GPIO24、GPIO25、GPIO26、GPIO27脚，通过配置I/O口复用控制寄存器以及数据和方向控制寄存器将其端口配置为普通I/O口，程序中当定时器T2周期中断有效时，则读一次对应按钮端口的状态，若为低电平，则表示开关闭合，反之则开关断开。定时器T2的周期中断时间为0.2 ms，完全满足系统中开关控制实时性的要求。

当系统检测到有开关闭合信号时，会同时检测是否有系统保护信号，若没有则不进行任何操作；反之，系统将按照不同类型的保护信号进行相应的保护操作。当系统检测到有开关断开信号时，则会根据程序中所设置的逻辑顺序，依次对系统中的所有故障和保护信号进行清除，同时停止输出PWM脉冲，从而切断励磁系统的励磁电流，达到系统保护的目的。

2.2.4过、欠压保护模块

励磁调节控制器时刻检测发电机端口输出电压，当发电机端口电压大于额定电压的1.2倍且持续时间超过限定值时，励磁调节控制器强行关断励磁并进行灭磁，实现系统过压保护，防止发电机端口输出电压过高而损坏电机绝缘。

当发电机端口电压小于额定电压的0.8倍且持续时间超过限定值时，进行与过压操作一样的处理，防止系统外部设备欠压条件下运行，实现系统欠压保护。

2.3软件可靠性设计

2.3.1看门狗设计

系统程序软件在运行过程中，可能会因为某种外界干扰而引起程序的不正常运行，因此程序必须设置有能够自动恢复正常运行的功能。利用DSP芯片TMS320F28335内部的“看门狗”定时器电路可使系统从故障中自动恢复过来。其具体的工作过程及原理如下：当看门狗电路计数器满且溢出时，将产生系统复位信号；程序中设置的计数器根据看门狗电路计数器的预置数值对看门狗电路计数器进行“喂狗” 操作，看门狗寄存器在其被正确“喂狗”时清除看门狗计数器的值，在系统出现错误或无“喂狗”操作时进行系统复位操作；在看门狗电路计数器的有效计数范围之内，按照程序所设计的正确逻辑规则依次对看门狗电路寄存器WDKEY写入正确的指令和数据，并WDCNTR进行清除操作，从而完成一次完整的“喂狗”操作流程。违反程序设计的逻辑规则向WDKEY写数时，将使系统产生复位信号。

2.3.2空中断

DSP处理过程中的中断类型有很多，在某种特殊情况下若处理器产生无效的中断，则必须使运行程序退出中断运行，从而不会影响到程序的正常运行。

3　实验结果分析

将研究的软件实现技术代码烧写至数字励磁控制器中，进行开环和闭环的模拟实验。

3.1开环实验

在不使发电机电压和电流反馈的情况下，利用软件内部设定不同的基准，使之产生相对应的占空比，得到相应的励磁电压大小，以验证该数字励磁控制器的开环性能试验，即等效为实际发电机的他励实验。实验时，采用15V的直流电源作为斩波电路的直流输入电源，设定基准电压使DSP输出PWM波形的占空比为60%。

DSP输出PWM波形占空比为60%时的实验波形如图6所示，图中通道1为励磁电压波形，通道2为斩波电路的PWM驱动波形。

根据斩波电路的基本原理，在PWM占空比为30%时，其电路的输出电压应为15V×60%=9V通过（图7）波形放大图可以看出，励磁电压实际大小为9.28V，由于斩波电路输出存在的滤波电容，因此实际测量值会比理论计算值偏大。

图6　60%占空比输出波形、驱动波形图

图7　60%占空比输出波形、驱动波形图（放大）

3.2闭环实验

本实验在开环实验基础上增加反馈信号，将励磁电压和励磁电流进行采样作为励磁控制器的反馈信号（励磁电压和励磁电流与发电机输出电压和电流存在着一定的比例关系，因此可以用这两个信号进行采样来模拟实际发电机的闭环试验），按照励磁电压输出为10V的基准设置内部的基准电压值，通过反馈值与基准电压的比较，保证励磁输出电压稳定在10V左右。

其闭环试验波形如图8和图9所示。图中通道1为励磁电压波形，通道2为斩入波电路的PWM驱动波形。从图中可以看出，励磁输出电压为10.6V，表明了该软件功能的正确性。

图8　闭环调节输出波形、驱动波形图

图9　闭环调节输出波形、驱动波形图（放大）

4　结束语

本文重点对一种无刷同步发电机数字励磁控制技术中的软件实现进行了详细的分析，并根据系统励磁控制的原理，对主程序以及所有中断子程序的实现及注意事项进行了介绍，将该软件设计代码烧写到数字励磁控制器中进行了验证实验，实验结果表明了软件设计的正确性和有效性。

参考文献：

［1］廖勇，杨顺昌.交流励磁发电机励磁控制［J］.中国电机工程学报，1998，18（2）：87-90.

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［3］张珺.发电机励磁调节器的动态试验研究［J］.机械与自动化，2013，（4）：79-82.

［4］董锋斌，皇金锋.同步发电机励磁系统的建模与控制［J］.电力电子技术，2008，42（11）：32-62.

［5］周腊吾，黄守道.一种同发电机无刷励磁系统的设计［J］.防爆电机，2011，1（3）：9-11.

The Software Realization of Digital Excitation Control Technology in Brushless Synchronous Generator

Wei jian ming1，Wei jian xun2
（1.Henan Vocational College of Agriculture Zhengzhou 451450，China；2.Xiangtan Electric Group Co.Ltd，Xiangtan 411101，China）

Abstract:Digital excitation control technology is widely used because of its high flexibility.Based on the digital excitation controller，a digital excitation control technology of the brushless synchronous generator is studied，and the software realization of the digital excitation control is introduced in detail.The realization procedure consists of the main programme，A/D（analog-to-digital）conversion，signal filtering，control and adjustment，system protection，and the reliability design of the software is added.The software is downloaded to the digital excitation controller and the model experiment is carried out.The experimental results indicate that the software design is correct and effective.

Keywords:digital excitation； A/D（analog-to-digital）conversion； signal filtering； control and adjustment；reliability design； model experiment

中图分类号：TM771

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）06-0036-04

收稿日期：2016-03-10

作者简介：魏建明（1980-），男，讲师。研究方向：计算机软件开发；