基于DSP的柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字控制器設(shè)計

1、基于DSP的柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字控制器設(shè)計自本1004班 葛取文 摘 要目前, 柴油發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)大部分采用以分立元器件為基礎(chǔ)的模擬系統(tǒng), 技術(shù)性能指標(biāo)較差。為了使控制系統(tǒng)在性能指標(biāo)和可靠性方面有質(zhì)的提高, 需要在控制思想、控制算法、控制系統(tǒng)的實現(xiàn)手段上進(jìn)行全面技術(shù)改造。近幾年來, 隨著自動控制理論、微電子技術(shù)以及電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展, 許多與柴油發(fā)電機(jī)組相關(guān)的理論和技術(shù)己經(jīng)應(yīng)用到工程實踐中, 傳統(tǒng)的模擬式控制器已逐步被性能更為優(yōu)越、結(jié)構(gòu)更為簡單的數(shù)字式控制器所取代。介紹了TMS320F2812 DSP的特性, 并提出了基于TM S320F2812 DSP的柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字控制器的設(shè)計方案。

2、該方案是利用高性能芯片為核心的新型控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞: 控制器; 柴油發(fā)電機(jī)組; 調(diào)速; 調(diào)壓Abstract At present, most of diesel generator set control system using discrete component based simulation system, the technical performance indicators is poorer. In order to make the control system have qualitative increase in performance and reliabilit

3、y, need to be in control thought, control algorithm, the realization of the control system method to conduct a comprehensive technical transformation. In recent years, along with automatic control theory, microelectronic technology and the rapid development of power electronic technology, many diese

4、l generating sets related theory and technology has been applied to the engineering practice, the traditional analog controller has gradually been more superior performance, was replaced by the digital controller of structure is more simple. This paper introduces the characteristics of the TMS320F28

5、12 DSP, and put forward the diesel generator set based on TM S320F2812 DSP digital controller design scheme. The scheme is a new kind of control system using the high performance chip as the core.Key words: controller; Diesel generator set; Speed control; Pressure regulating引 言柴油發(fā)電機(jī)組是內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的一種, 由柴油機(jī)

6、、三相交流同步發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)(包括自動檢測、控制及保護(hù)裝置)等組成。柴油發(fā)電機(jī)組集成了柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)和自動控制等技術(shù)。它是以柴油機(jī)為動力的發(fā)電設(shè)備。目前, 柴油發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)大部分采用以分立元器件為基礎(chǔ)的模擬系統(tǒng), 技術(shù)性能指標(biāo)較差; 為了使控制系統(tǒng)在性能指標(biāo)和可靠性方面有質(zhì)的提高, 需要在控制思想、控制算法、控制系統(tǒng)的實現(xiàn)手段上進(jìn)行全面技術(shù)改造。從性價比考慮,選用TI公司的TMS320C2000系列的2812微控制芯片, 作為柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字控制器的數(shù)字控制芯片, 將柴油機(jī)速度控制和發(fā)電機(jī)電壓控制等原先分離的系統(tǒng),整合為性能更為優(yōu)越、可靠的單一系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)也是柴油發(fā)電機(jī)組自控技術(shù)發(fā)

7、展的必然趨勢。TMS32F2812 DSP具有較高的性價比、靈活的指令系統(tǒng)和操作性能、高速的運算能力、改進(jìn)的并行結(jié)構(gòu)以及JTAG 標(biāo)準(zhǔn)測試接口。1 柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字控制器的硬件設(shè)計柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字控制器的硬件設(shè)計, 主要包括兩方面的內(nèi)容: 柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和控制以及發(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)節(jié)和控制。整個控制器的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中, 以數(shù)字信號處理器( DSP)為核心控制器件。DSP內(nèi)置有事件管理器(可產(chǎn)生要求的脈寬調(diào)制( PWM )波形)、A /D、SC I、SPI、CAN 等模塊, 外圍可擴(kuò)展D /A、存儲器、可編程邏輯器件等模塊 。圖1 控制器的硬件系統(tǒng)框圖 該系統(tǒng)中, 首先分別由電壓

8、、電流互感器和速度傳感器獲取系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)(速度信號可直接接到事件管理器的QEP管腳), 通過模數(shù)接口電路將關(guān)鍵參數(shù)輸入到DSP內(nèi)置的A /D模塊;再通過控制器的算法程序計算得到控制量; 然后由事件管理器輸出PWM脈沖給外圍的兩個功率電路(發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)模塊和柴油機(jī)速度控制模塊),完成對柴油發(fā)電機(jī)組的自動控制。功率電路的保護(hù)中斷可直接連到PDPINT 管腳, 實現(xiàn)硬件中斷。其余的模塊預(yù)留, 以便以后實現(xiàn)其他相應(yīng)的功能。2 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和控制的原理及系統(tǒng)框圖對于柴油發(fā)電機(jī)組而言, 調(diào)速性能的好壞是決定整個發(fā)電機(jī)組電氣性能的關(guān)鍵。本設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制回路, 通過控制其轉(zhuǎn)速來保

9、證柴油發(fā)電機(jī)組供電頻率的穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)都采用PID 調(diào)節(jié)器, 可以獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)特性。調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。柴油機(jī)的速度控制對輸出電的品質(zhì)有極大的影響, 因此必須進(jìn)行準(zhǔn)確的速度控制。調(diào)速系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速檢測單元、電子調(diào)速器單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。調(diào)速過程如下: 電磁傳感器從飛輪齒圈測得發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速, 并將其變換成與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號輸入給電子調(diào)速器; 電子調(diào)速器將轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行對比, 并進(jìn)行相應(yīng)的控制運算; 再由功率輸出環(huán)節(jié)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變供油量大小, 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。圖2 調(diào)速系統(tǒng)原理框圖以TMS320F2812 DSP 為核心的調(diào)速系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。 圖3 調(diào)速系

10、統(tǒng)硬件框圖3 發(fā)電機(jī)輸出電壓調(diào)節(jié)和控制的原理及系統(tǒng)框圖發(fā)電機(jī)電壓控制系統(tǒng)通過采集發(fā)電機(jī)的三相電壓、三相電流以及勵磁電流等參數(shù), 經(jīng)過一定的控制算法的計算, 為勵磁繞組提供一個直流電壓,從而達(dá)到控制機(jī)端電壓和無功功率分配的目的。其系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。勵磁控制系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分。其主要任務(wù)是: 向勵磁繞組提供一個直流電壓, 控制發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓恒定, 滿足發(fā)電機(jī)正常發(fā)電的需要; 同時在多臺發(fā)動機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電時, 控制發(fā)動機(jī)組間無功功率的合理分配, 提高同步發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運行的穩(wěn)定性, 以滿足電力系統(tǒng)安全運行的需要。無論是在穩(wěn)態(tài)還是在暫態(tài)運行過程中, 同步發(fā)電機(jī)的運行狀態(tài)在很大程度上都與勵

11、磁有關(guān)。對發(fā)電機(jī)的勵磁進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制, 不僅可以保證發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)運行的可靠、安全、穩(wěn)定, 而且可以提高發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此, 勵磁控制系統(tǒng)的主要作用就是控制發(fā)電機(jī)端電壓和無功功率分配。柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)的DSP 數(shù)字勵磁器的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。 圖4 勵磁調(diào)壓系統(tǒng)原理框圖 圖5 dsp數(shù)字勵磁器的應(yīng)將框圖DSP數(shù)字勵磁器首先利用TMS320F2812 芯片的事件管理器中的捕捉單元測得發(fā)電機(jī)頻率,并計算出A /D的采樣周期; 再對發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓、定子電流、電網(wǎng)電壓等模擬量進(jìn)行高速交流采樣, 對勵磁電流、勵磁電壓進(jìn)行直流采樣; 采樣完成后, 經(jīng)過控制算法運算, 計算出機(jī)端電壓

12、、電網(wǎng)電壓、定子電流、有功功率、無功功率和功率因數(shù)等狀態(tài)反饋數(shù)據(jù), 供調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行計算和分析使用; 當(dāng)同步信號到來后, 利用TMS320F2812 芯片的定時器產(chǎn)生移相觸發(fā)脈沖; 此脈沖經(jīng)過功率放大單元觸發(fā)可控硅組件, 達(dá)到通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流來控制和調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓和無功功率的目的。4 其他硬件部分的設(shè)計4. 1 電源設(shè)計柴油發(fā)電機(jī)組起動一般采用蓄電池( 12 V 或24 V )。因此, 需通過單片穩(wěn)壓電路將電壓降至工作電壓5 V, 然后通過外圍電路芯片將5 V 電壓降至DSP2812所需的3. 3 V 工作電壓。電源電路如圖6所示。圖6 柴油發(fā)電機(jī)組起電源電路4. 2 復(fù)位電路設(shè)計(

13、1) 專門設(shè)計外部電源開關(guān)復(fù)位按鈕。當(dāng)按下該按鈕時, 會產(chǎn)生一個復(fù)位信號, 經(jīng)譯碼邏輯處理后再到2812的復(fù)位引腳。( 2) 內(nèi)部看門狗定時器溢出也會產(chǎn)生一個復(fù)位, 使2812的復(fù)位引腳拉為低電平, 實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。5 柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字控制器的軟件設(shè)計Code Composer Studio, 簡稱CCS, 是TI公司推出的為開發(fā)TMS320系列DSP軟件的集成開發(fā)環(huán)境。柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字控制器的軟件設(shè)計流程如圖7所示。 圖7 主程序流程圖首先, 系統(tǒng)由- c- int0標(biāo)識進(jìn)入主程序; 主程序先對DSP及其外圍器件進(jìn)行初始化, 包括DSP系統(tǒng)時鐘的設(shè)置、片內(nèi)DARAM 和SARAM 的地址分配、

14、定時器時鐘的設(shè)置, 以及EVA、EVB管理器的設(shè)置?？刂葡到y(tǒng)中使用了多個中斷: 定時器中斷、ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷、CAN 通信接收中斷、硬件故障保護(hù)中斷和外部硬件中斷。接著系統(tǒng)會執(zhí)行轉(zhuǎn)速起動程序, 根據(jù)讀入的D IP開關(guān)信號, 系統(tǒng)能完成自動/手動起動過程。接下來系統(tǒng)會進(jìn)入起壓程序, 如果電壓過高或過低, 要求重新起壓, 直到電壓和頻率都達(dá)到額定值為止, 柴油發(fā)電機(jī)組開始供電。6 結(jié) 語 本文介紹了一種以TMS320F2812 DSP 為核心的柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字控制器的設(shè)計方法。該控制器的控制方案可以利用仿真器在CCS 開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行實時的硬件系統(tǒng)調(diào)試。該系統(tǒng)的核心控制器件, 具有高速的運算能力

15、和豐富的片內(nèi)資源,能夠滿足柴油發(fā)電機(jī)組實時控制的要求。同時,它將柴油機(jī)速度控制系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)電壓控制系統(tǒng)集成在一個數(shù)字控制器上, 使得通常的柴油機(jī)速度控制、發(fā)電機(jī)電壓控制以及相應(yīng)裝置分離的系統(tǒng), 整合為性能更為優(yōu)越、操作更為方便的單一系統(tǒng)。圖8 采用傳統(tǒng)pd控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速波形 圖9 采用模糊pd、控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速波形實測電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線和仿真曲線較吻合。相比之下, 模糊PID控制系統(tǒng)有超調(diào)小、動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點?？梢姳疚慕榻B的模糊PID 控制系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng), 可應(yīng)用于實際。仿真和試驗結(jié)果表明, 采用自適應(yīng)模糊PID控制的算法, 系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快, 穩(wěn)態(tài)性能變好, 而且沒有超調(diào), 具有

16、較強(qiáng)的魯棒性, 這是單純的PID 控制難以實現(xiàn)的。將模糊控制規(guī)則進(jìn)行離散化并制成表格, 通過查表也易于在微處理器上得到實現(xiàn), 尤其對于非線性系統(tǒng)可以得到滿意的控制效果, 在實際的系統(tǒng)控制中有著重要的意義。參考文獻(xiàn) 1 張琛. 直流無刷電動機(jī)原理及應(yīng)用M . 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004. 1 Zhang Chen The principle and application of brushless dc motor M. Beijing: mechanical industry publishing house, 2004. 2 張奇志, 李琳. 電動鉆機(jī)自動化技術(shù)M . 北京: 石油工

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