基于DSP的柴油发电机组数字控制器设计

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1、基于DSP的柴油发电机组数字控制器设计自本1004班 葛取文 摘 要目前, 柴油发电机组的控制系统大部分采用以分立元器件为基础的模拟系统, 技术性能指标较差。为了使控制系统在性能指标和可靠性方面有质的提高, 需要在控制思想、控制算法、控制系统的实现手段上进行全面技术改造。近几年来, 随着自动控制理论、微电子技术以及电力电子技术的迅速发展, 许多与柴油发电机组相关的理论和技术己经应用到工程实践中, 传统的模拟式控制器已逐步被性能更为优越、结构更为简单的数字式控制器所取代。介绍了TMS320F2812 DSP的特性, 并提出了基于TM S320F2812 DSP的柴油发电机组数字控制器的设计方案。

2、该方案是利用高性能芯片为核心的新型控制系统。关键词: 控制器; 柴油发电机组; 调速; 调压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 言柴油发电机组是内燃发电机组的一种, 由柴油机

6、、三相交流同步发电机和控制系统(包括自动检测、控制及保护装置)等组成。柴油发电机组集成了柴油机、发电机和自动控制等技术。它是以柴油机为动力的发电设备。目前, 柴油发电机组的控制系统大部分采用以分立元器件为基础的模拟系统, 技术性能指标较差; 为了使控制系统在性能指标和可靠性方面有质的提高, 需要在控制思想、控制算法、控制系统的实现手段上进行全面技术改造。从性价比考虑,选用TI公司的TMS320C2000系列的2812微控制芯片, 作为柴油发电机组数字控制器的数字控制芯片, 将柴油机速度控制和发电机电压控制等原先分离的系统,整合为性能更为优越、可靠的单一系统。这样的系统也是柴油发电机组自控技术发

7、展的必然趋势。TMS32F2812 DSP具有较高的性价比、灵活的指令系统和操作性能、高速的运算能力、改进的并行结构以及JTAG 标准测试接口。1 柴油发电机组数字控制器的硬件设计柴油发电机组数字控制器的硬件设计, 主要包括两方面的内容: 柴油机的转速调节和控制以及发电机输出电压的调节和控制。整个控制器的硬件系统框图如图1所示。其中, 以数字信号处理器( DSP)为核心控制器件。DSP内置有事件管理器(可产生要求的脉宽调制( PWM )波形)、A /D、SC I、SPI、CAN 等模块, 外围可扩展D /A、存储器、可编程逻辑器件等模块 。图1 控制器的硬件系统框图 该系统中, 首先分别由电压

8、、电流互感器和速度传感器获取系统的关键参数(速度信号可直接接到事件管理器的QEP管脚), 通过模数接口电路将关键参数输入到DSP内置的A /D模块;再通过控制器的算法程序计算得到控制量; 然后由事件管理器输出PWM脉冲给外围的两个功率电路(发电机电压调节模块和柴油机速度控制模块),完成对柴油发电机组的自动控制。功率电路的保护中断可直接连到PDPINT 管脚, 实现硬件中断。其余的模块预留, 以便以后实现其他相应的功能。2 柴油机转速调节和控制的原理及系统框图对于柴油发电机组而言, 调速性能的好坏是决定整个发电机组电气性能的关键。本设计的调速系统采用转速和电流双闭环控制回路, 通过控制其转速来保

9、证柴油发电机组供电频率的稳定。转速调节和电流调节都采用PID 调节器, 可以获得良好的静态和动态特性。调速系统的原理框图如图2所示。柴油机的速度控制对输出电的品质有极大的影响, 因此必须进行准确的速度控制。调速系统由转速检测单元、电子调速器单元和执行机构等部分组成。调速过程如下: 电磁传感器从飞轮齿圈测得发动机的转速, 并将其变换成与转速成正比的脉冲信号输入给电子调速器; 电子调速器将转速与给定转速进行对比, 并进行相应的控制运算; 再由功率输出环节驱动执行机构改变供油量大小, 调节转速。图2 调速系统原理框图以TMS320F2812 DSP 为核心的调速系统硬件框图如图3所示。 图3 调速系

10、统硬件框图3 发电机输出电压调节和控制的原理及系统框图发电机电压控制系统通过采集发电机的三相电压、三相电流以及励磁电流等参数, 经过一定的控制算法的计算, 为励磁绕组提供一个直流电压,从而达到控制机端电压和无功功率分配的目的。其系统原理框图如图4所示。励磁控制系统是同步发电机的重要组成部分。其主要任务是: 向励磁绕组提供一个直流电压, 控制发电机机端电压恒定, 满足发电机正常发电的需要; 同时在多台发动机组并网发电时, 控制发动机组间无功功率的合理分配, 提高同步发电机组并联运行的稳定性, 以满足电力系统安全运行的需要。无论是在稳态还是在暂态运行过程中, 同步发电机的运行状态在很大程度上都与励

11、磁有关。对发电机的励磁进行调节和控制, 不仅可以保证发电机和电力系统运行的可靠、安全、稳定, 而且可以提高发电机和电力系统的技术经济指标。因此, 励磁控制系统的主要作用就是控制发电机端电压和无功功率分配。柴油发电机组发电机的DSP 数字励磁器的结构框图如图5所示。 图4 励磁调压系统原理框图 图5 dsp数字励磁器的应将框图DSP数字励磁器首先利用TMS320F2812 芯片的事件管理器中的捕捉单元测得发电机频率,并计算出A /D的采样周期; 再对发电机的机端电压、定子电流、电网电压等模拟量进行高速交流采样, 对励磁电流、励磁电压进行直流采样; 采样完成后, 经过控制算法运算, 计算出机端电压

12、、电网电压、定子电流、有功功率、无功功率和功率因数等状态反馈数据, 供调节装置进行计算和分析使用; 当同步信号到来后, 利用TMS320F2812 芯片的定时器产生移相触发脉冲; 此脉冲经过功率放大单元触发可控硅组件, 达到通过控制发电机转子励磁电流来控制和调节发电机电压和无功功率的目的。4 其他硬件部分的设计4. 1 电源设计柴油发电机组起动一般采用蓄电池( 12 V 或24 V )。因此, 需通过单片稳压电路将电压降至工作电压5 V, 然后通过外围电路芯片将5 V 电压降至DSP2812所需的3. 3 V 工作电压。电源电路如图6所示。图6 柴油发电机组起电源电路4. 2 复位电路设计(

13、1) 专门设计外部电源开关复位按钮。当按下该按钮时, 会产生一个复位信号, 经译码逻辑处理后再到2812的复位引脚。( 2) 内部看门狗定时器溢出也会产生一个复位, 使2812的复位引脚拉为低电平, 实现系统复位。5 柴油发电机组数字控制器的软件设计Code Composer Studio, 简称CCS, 是TI公司推出的为开发TMS320系列DSP软件的集成开发环境。柴油发电机组数字控制器的软件设计流程如图7所示。 图7 主程序流程图首先, 系统由- c- int0标识进入主程序; 主程序先对DSP及其外围器件进行初始化, 包括DSP系统时钟的设置、片内DARAM 和SARAM 的地址分配、

14、定时器时钟的设置, 以及EVA、EVB管理器的设置。控制系统中使用了多个中断: 定时器中断、ADC 转换结束中断、CAN 通信接收中断、硬件故障保护中断和外部硬件中断。接着系统会执行转速起动程序, 根据读入的D IP开关信号, 系统能完成自动/手动起动过程。接下来系统会进入起压程序, 如果电压过高或过低, 要求重新起压, 直到电压和频率都达到额定值为止, 柴油发电机组开始供电。6 结 语 本文介绍了一种以TMS320F2812 DSP 为核心的柴油发电机组数字控制器的设计方法。该控制器的控制方案可以利用仿真器在CCS 开发环境下进行实时的硬件系统调试。该系统的核心控制器件, 具有高速的运算能力

15、和丰富的片内资源,能够满足柴油发电机组实时控制的要求。同时,它将柴油机速度控制系统、发电机电压控制系统集成在一个数字控制器上, 使得通常的柴油机速度控制、发电机电压控制以及相应装置分离的系统, 整合为性能更为优越、操作更为方便的单一系统。图8 采用传统pd控制的电机转速波形 图9 采用模糊pd、控制的电机转速波形实测电机转速曲线和仿真曲线较吻合。相比之下, 模糊PID控制系统有超调小、动态响应快的优点。可见本文介绍的模糊PID 控制系统性能优于传统PID 控制系统, 可应用于实际。仿真和试验结果表明, 采用自适应模糊PID控制的算法, 系统的响应速度加快, 稳态性能变好, 而且没有超调, 具有

16、较强的鲁棒性, 这是单纯的PID 控制难以实现的。将模糊控制规则进行离散化并制成表格, 通过查表也易于在微处理器上得到实现, 尤其对于非线性系统可以得到满意的控制效果, 在实际的系统控制中有着重要的意义。参考文献 1 张琛. 直流无刷电动机原理及应用M . 北京: 机械工业出版社, 2004. 1 Zhang Chen The principle and application of brushless dc motor M. Beijing: mechanical industry publishing house, 2004. 2 张奇志, 李琳. 电动钻机自动化技术M . 北京: 石油工

17、业出版社, 2006 2 Zhang Jizhi, lilin. Electric drill automation technology M. Beijing: petroleum industry press, 2006 3 苏奎峰. TMS320F2812 原理与开发M . 北京: 电子工业出版社, 2005. 3 Su Kuifeng. TMS320F2812 principle and development M. Beijing: electronic industry press, 2005. 4 陈伯时. 电力拖动自动控制系统M . 3版. 北京:机械工业出版社, 2004.

18、4 Chen Boshi. Electric drive automatic control system M. 3 edition. Beijing: mechanical industry publishing house, 2004. 5 徐科军, 张瀚. TM S320X281X DSP原理与应用M .北京: 北京航空航天大学出版社, 2006.5 a.model-based validation, Zhang Han. TM S320X281X DSP theory and application M. Beijing: Beijing university of aeronautics and astronautics press, 2006.