勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，其特性好壞自接影響到同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。目前，我國(guó)中小型發(fā)電機(jī)組尤其是偏遠(yuǎn)農(nóng)村中小型發(fā)電機(jī)組人多還在使用20世紀(jì)七八十年代生產(chǎn)的老式勵(lì)磁控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)運(yùn)行火花大，易磨損，維護(hù)工作量大，而且響應(yīng)速度慢等，已經(jīng)不能滿足日益發(fā)展的電力系統(tǒng)的要求。隨著大功率半導(dǎo)體器件的廣泛應(yīng)用和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，用現(xiàn)代電力電子技術(shù)開發(fā)的新型勵(lì)磁控制系統(tǒng)取代老式的機(jī)電型勵(lì)磁控制系統(tǒng)已勢(shì)在必行。多年來(lái)，大家認(rèn)識(shí)到，作為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，硬件和控制策略是兩個(gè)互相聯(lián)系的重要部分[1]。

本文通過智能控制理論的參數(shù)整定方法，在勵(lì)磁控制系統(tǒng)非線性系統(tǒng)的控制中，設(shè)計(jì)出一套參數(shù)自整定模糊pid控制算法，使其能滿足同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能要求。發(fā)電機(jī)參數(shù)采樣通過交流采樣后再進(jìn)行fft運(yùn)算，得到發(fā)電機(jī)的電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率、諧波電壓等參數(shù)。通過功率mosfet器件和pwm技術(shù)進(jìn)行發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)電壓的控制與調(diào)節(jié)。硬件結(jié)構(gòu)以ti公司的tms320f2812芯片為控制核心，通過人機(jī)接口、dsp通過串口通訊和網(wǎng)絡(luò)通訊等多種方式進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)交換。利用ccs2.21，設(shè)計(jì)基于dsp的軟件程序，并進(jìn)行調(diào)試，最后結(jié)合同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)pid控制比較起來(lái)該調(diào)節(jié)器具有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能，調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)曲線相當(dāng)平滑，其主要性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

勵(lì)磁控制系統(tǒng)的硬件 勵(lì)磁系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)主要由主勵(lì)磁系統(tǒng)和勵(lì)磁控制器組成。本文的勵(lì)磁控制器主要是針對(duì)主勵(lì)磁系統(tǒng)為三次諧波勵(lì)磁而設(shè)計(jì)的。這種主勵(lì)磁系統(tǒng)的特點(diǎn)是電源取自發(fā)電機(jī)的三次諧波繞組的端電壓，經(jīng)整流電路整流，變成直流電加到勵(lì)磁繞組中。這種勵(lì)磁方式與其他具有旋轉(zhuǎn)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)相比，省去了旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁機(jī)，因此這種勵(lì)磁方式以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、性能可靠等特點(diǎn)，逐漸被廣泛采用[2]，系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)圖

勵(lì)磁系統(tǒng)的的控制回路部分

主控芯[3]

本控制器的核心是ti公司近幾年推出的高速、高精度工業(yè)控制dsp芯片tms320f2812。它具有運(yùn)算速度快，工作時(shí)鐘頻率達(dá)150mhz，指令周期可以達(dá)到6.67ns以內(nèi)，低功耗（核心電壓1.8v，i/o口電壓3.3v）。采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的操作能力、迅速的中斷響應(yīng)和處理以及統(tǒng)一的寄存器編程模式，可以實(shí)現(xiàn)16×16位和32×32位乘累加操作和16×16位的兩個(gè)乘累加操作。片內(nèi)存儲(chǔ)器包括8k×16位的flash存儲(chǔ)器，1k×16位otp型只讀存儲(chǔ)器，兩塊4k×16位的單口隨機(jī)存儲(chǔ)器，一塊8k×16位單口隨機(jī)存儲(chǔ)器，兩塊1k×16位的單口隨機(jī)存儲(chǔ)器。外部存儲(chǔ)器接口可實(shí)現(xiàn)多達(dá)1m存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。外設(shè)擴(kuò)展模塊（pie）可支持96個(gè)外設(shè)中斷，45個(gè)可用。兩個(gè)增強(qiáng)的事件管理器模塊（eva、evb），提供了一整套用于運(yùn)動(dòng)控制和電機(jī)控制運(yùn)用的功能和特性。每個(gè)事件管理器模塊包括通用定時(shí)器（gp）、比較單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路。外圍設(shè)備包括3個(gè)32位cpu定時(shí)器，16通道12位adc（單個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間為200ns，單路轉(zhuǎn)換時(shí)間為60ns），它不僅具有串行外圍接口（spi）和兩個(gè)uart接口模塊（sci），還有改進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò)（ecan）、多通道緩沖串口（mcbsp）和串行外圍接口模式。

輸入檢測(cè)模塊[4]

其功能是實(shí)現(xiàn)電壓和電流信號(hào)的采集工作。電壓通過電流型精密互感器、電流通過電流互感器轉(zhuǎn)換成為電流信息，再經(jīng)由運(yùn)算放大器組成的信號(hào)調(diào)理電路生成0～3v的電壓信號(hào)送入dsp的ad轉(zhuǎn)換通道，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，放入指定單元，供程序調(diào)用。

pwm波的igbt驅(qū)動(dòng)電路

igbt模塊的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于igbt的工作效率起著決定性的作用。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求是既要減小開關(guān)損耗,又要求驅(qū)動(dòng)波形好,振蕩小,過沖小。igbt工作于開關(guān)狀態(tài)時(shí),必須對(duì)柵極進(jìn)行充放電,并且驅(qū)動(dòng)igbt需要一定的電荷量,也就是驅(qū)動(dòng)電路必須提供一定的驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)功率。

勵(lì)磁控制模塊

作用是利用dsp產(chǎn)生的可控的pwm波，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流大小的控制。柴油發(fā)電機(jī)屬于小型發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁電流一般在十幾安培左右，所以本文開關(guān)元件采用小功率的mosfet電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管。電壓調(diào)節(jié)器的工作電壓來(lái)自發(fā)電機(jī)的端口電壓，只有在發(fā)電機(jī)兩端有電壓的前提下，電壓調(diào)節(jié)器才能工作，這就要求在主電路中有一個(gè)單獨(dú)的起勵(lì)回路，來(lái)提供起勵(lì)電流。在發(fā)電機(jī)輸出端電壓達(dá)到一定值以后，再自動(dòng)切換到mosfet控制的回路。所以本文在主電路中加入一個(gè)中間繼電器，它的常閉觸點(diǎn)并接在mosfet管的d、s兩端，將mosfet管短路，提供一個(gè)閉合的起勵(lì)回路提供給起勵(lì)使用，在繼電器動(dòng)作前，整流后三次諧波電壓是全部輸出到啟動(dòng)電阻和勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組上的。隨著發(fā)電機(jī)的輸出端電壓快速上升，中間繼電器的線圈通電，開始動(dòng)作。在繼電器動(dòng)作后，它的常閉觸點(diǎn)自動(dòng)打開，mosfet開始導(dǎo)通，勵(lì)磁電路自動(dòng)就從不可控切換成由dsp控制的閉環(huán)系統(tǒng)。 

人機(jī)對(duì)話模塊

其功能是通過鍵盤及l(fā)ed顯示電路或是上位機(jī)監(jiān)控方式，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話、參數(shù)修改。 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件總體流程

發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制是一個(gè)快速實(shí)時(shí)的閉環(huán)調(diào)節(jié)，它對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的變化要有很高的響應(yīng)速度，以維持機(jī)端電壓在給定水平。同時(shí)，為保證發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，勵(lì)磁控制器還必須具有對(duì)發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)起保護(hù)作用的一些限制功能，如強(qiáng)勵(lì)限制和欠勵(lì)限制等。微機(jī)勵(lì)磁控制器的調(diào)節(jié)和限制及控制等功能，都是通過軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件設(shè)計(jì)中，主要的設(shè)計(jì)思想有三個(gè)方面:一是軟件必須滿足實(shí)時(shí)控制的需要;二是軟件要充分發(fā)揮tms320f2812的指令和硬件特點(diǎn);三是軟件要有很強(qiáng)的靈活性、通用性和可靠性，并考慮以后功能擴(kuò)展的需要。其中主程序流程圖如圖2所示[5,6]。

圖2 主程序流程圖

pwm波形產(chǎn)生模塊

pwm模塊是為了產(chǎn)生用于電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合的脈寬調(diào)制波形時(shí)，把cpu開銷和用戶的干預(yù)降至最小。在本系統(tǒng)中，只需要一路pwm波就可以滿足對(duì)電機(jī)的控制。但為了系統(tǒng)的可靠性，采用了兩路pwm波輸出，這樣就可以同時(shí)產(chǎn)生兩路相反占空比的pwm波，也可在一路被燒壞后不必對(duì)硬件電路作大的改變就可重新得到pwm的輸出。本系統(tǒng)將tms320f2812的iopa6/pwm1和iopa7/pwm2引腳配置為基本功能方式，即配置為pwm1和pwm2輸出功能。pwm的產(chǎn)生是由全比較單元在相應(yīng)的控制寄存器的控制下完成的。

圖3 模糊參數(shù)自整定pid勵(lì)磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

參數(shù)自整定模糊pid控制器[7]

dsp的采用解決了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的快速性問題，但系統(tǒng)除了有快速性要求之外，還有控制精度的要求，要達(dá)到很好的控制精度，必須采用一種好的控制算法。在微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中采用了參數(shù)自整定模糊pid控制算法。由于計(jì)算機(jī)輸出增量，誤動(dòng)作影響小，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換，利用模糊推理判斷的思想，根據(jù)不同的e（偏差量），ec（偏差變化量）對(duì)pid的參數(shù)kp，ki，kd的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線自整定，這就組成了參數(shù)自整定模糊pid控制器。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，它可以在實(shí)時(shí)控制中自動(dòng)在線自動(dòng)調(diào)整pid控制器的三個(gè)參數(shù)，使參數(shù)自整定模糊pid控制器運(yùn)行在較優(yōu)的工作狀態(tài)。

考慮到同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的實(shí)際工作情況，取采樣周期t設(shè)置為20ms，對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行機(jī)端電壓控制試驗(yàn)，測(cè)得當(dāng)kp=32.5，ki=2.1，kd=24.5。同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓具有較好的起勵(lì)升壓特性;而且當(dāng)kpmin=8.2，kpmax=63.6，kimin=1.1，kimax=6.1，kimin=1.1，kimax=6.1，kdmin=3.8，kdmax=482時(shí)，機(jī)端電壓也有較好的起勵(lì)響應(yīng)曲線。依據(jù)上面測(cè)得的pid參數(shù)和模糊控制器的設(shè)計(jì)方法及模糊參數(shù)自調(diào)整規(guī)則就可以來(lái)設(shè)計(jì)參數(shù)自整定模糊pid勵(lì)磁控制器。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

傳統(tǒng)pid控制同步發(fā)電機(jī)端電壓波形和參數(shù)自整定模糊pid控制同步發(fā)電機(jī)端電壓波形比較: 本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖中，橫軸數(shù)字表示時(shí)間，大約每250表示1s，縱軸表示同步發(fā)電機(jī)的端電壓，單位:v。同步發(fā)電機(jī)的頻率為50hz。

圖4 大幅度降壓的pid和模糊pid控制的電壓波形 圖5 升壓的pid和模糊pid控制的電壓波形

選取了大幅度降壓、升壓這兩個(gè)典型實(shí)驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)pid控制和參數(shù)自整定模糊pid控制的控制效果進(jìn)行對(duì)比和分析，從圖4和圖5的實(shí)驗(yàn)波形可以看出設(shè)計(jì)的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器穩(wěn)態(tài)效果良好。結(jié)果表明，較之傳統(tǒng)的pid控制器，模糊參數(shù)自整定pid控制器的響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，過渡過程平穩(wěn)，系統(tǒng)跟蹤性能好。

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于tms320f2812芯片控制的同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制器，采用參數(shù)自整定模糊pid控制策略，通過mosfet功率器件進(jìn)行勵(lì)磁電流的pwm調(diào)節(jié)。充分利用dsp的快速運(yùn)算能力和片內(nèi)豐富的外設(shè)資源，使dsp與其他功能模塊融合成有機(jī)的整體;使用ecan現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，保證通信的高度可靠性和穩(wěn)定性。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果表明，該控制器相對(duì)于傳統(tǒng)pid控制器具有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能，調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)曲線相當(dāng)平滑，其主要性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。