專利名稱：基于32位浮點型處理器的數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種
背景技術(shù)：
勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機系統(tǒng)的重要組成部分,其最主要丨和電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。到今天早已進入了微機勵磁時代，目前國內(nèi)市場上推出的調(diào)節(jié)器一般都以化位、32位單片機為主處理器，一般在硬件結(jié)構(gòu)....t使用雙通道或者是多通道結(jié)構(gòu)， 通過調(diào)節(jié)器柜和功率滅磁柜和勵磁變壓器構(gòu)成勵磁控制系統(tǒng)。為了滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的需要，除了需要在勵磁控制系統(tǒng)中增加更多的保護和限制功能外,還需要將更多先進的勵磁控制理論及算法應(yīng)用到勵磁控制裝置中。這一發(fā)展趨勢對勵磁控制系統(tǒng)的主控單元、 人機界面、功率單元，以及各單元之間的數(shù)據(jù)傳遞都提出了很高的要求。而目前無論是以化位單片機為核心的數(shù)字勵磁控制系統(tǒng)，還是以32位(定點型)處理器為核心的勵磁控制器,其在數(shù)據(jù)運算和處理的能力上都存在或多或少的缺點和不足，為了提高勵磁控制系統(tǒng)的各項性能指標和運行參數(shù)精度,研究以新型的32位浮點型DSP芯片為核心的數(shù)字勵磁控制系統(tǒng)就成為了同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的發(fā)展需要。中央處理器DSP08335為TI公司最新推出的DSP芯片，是目前國際市場上最先進、功能最強大的32位浮點DSP芯片。它及具有數(shù)字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能,特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合,如工業(yè)自動化控制、 電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能化儀表以及電機、馬達伺服控制系統(tǒng)等。中國專利CN20051012M02. 7公開了一種基于DSP的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)；它是以f’2812為核心的勵磁系統(tǒng)，不足部分是在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，雖然所選采樣芯片精度較高,處理器也是32位的,可由于處理器本身是定點型處理器,故在實際的運算過程中，會增大計算誤差，進而增大系統(tǒng)誤差從而會影響整個系統(tǒng)的控制精度與響應(yīng)； 另外，在功率整流回路，可控硅所需的觸發(fā)脈沖并沒有明確的說明是如何產(chǎn)生,在勵磁系統(tǒng)中，由于電磁干擾等原因，很重要的一個環(huán)節(jié)就是脈沖如何產(chǎn)生并發(fā)送到整流橋上,如果傳輸距離遠,則脈沖信號很容易被干擾。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種基于32位浮點型處理器的數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng)，可以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。本實用新型在主控單元模塊上選用高性能的32位浮點型處理器作為主CPU芯片，通過合理的硬件電路設(shè)計與高精度的交流采樣芯片連接組成勵磁控制器的數(shù)據(jù)采樣、計算和處理系統(tǒng)；選用性能優(yōu)異的可觸摸平板電腦通過雙高速CAN網(wǎng)絡(luò)與主控單元連接,構(gòu)成系統(tǒng)的智能顯示系統(tǒng)。本實用新型在信號采樣方面，通過選用合適的A/D采樣芯片,將先進的交流采樣算法和DSP自身的優(yōu)異性能完美的結(jié)合在--起,實現(xiàn)了勵磁控制器的深度數(shù)字化，在數(shù)據(jù)處理上真正實現(xiàn)了標么化，在數(shù)據(jù)傳遞方面，通過雙高速CAN網(wǎng)絡(luò)’實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速，穩(wěn)定傳遞,進而提高了勵磁控制系統(tǒng)的整體性能指標。 本實用新型提供的一種基于32位浮點型處理器的數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng)主要包 模擬量采樣單元用于對發(fā)電機定子電壓、定子電流、勵磁電流等信號的采集；開關(guān)量輸入與輸出單元用于完成對系統(tǒng)開關(guān)量信號的采集與輸出；CPU主控單元用于完成對所有數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和邏輯運算,計算得出當時工況下所需的可控硅觸發(fā)角度，完成對主要故障信號的報警與處理等；顯示單元用于完成主要數(shù)據(jù)和各種運行狀態(tài)信號、報警信號顯示。本實用新型的主要特征包括DSP處理器模塊、開關(guān)量輸入模塊、第一電平轉(zhuǎn)換模塊、第二電平轉(zhuǎn)換模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量適配模塊、頻率測量模塊、交流采樣模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、勵磁電流適配模塊、第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、第二數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和智能顯示單元模塊。所說的開關(guān)量輸入模塊的輸出端連接第一電平轉(zhuǎn)換模塊的輸入端,第一電平轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接DSP處理器模塊的I/O輸入端；所說的第二電平轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與DSP處理器模塊的I/O輸出端連接，第二電平轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接開關(guān)量輸出模塊的輸入端；所說的模擬量適配模塊輸出端連接交流采樣模塊的輸入端,對于交流采樣模塊， 其數(shù)據(jù)輸出端連接至DSP處理器模塊的數(shù)據(jù)總線輸入端(數(shù)據(jù)總線)，DSP處理器模塊的控制交流采樣的邏輯輸出端連接交流采樣模塊的控制總線輸入端；同時，在模擬量適配模塊的輸出端，其中一路定子電壓信號輸出連接至頻率測量模塊的輸入端；頻率測量模塊的輸出端連接DSP處理器模塊的捕捉輸入端；DSP處理器模塊的SPI輸出端與數(shù)據(jù)存儲模塊的輸入端連接；勵磁電流適配模塊的輸入端與智能功率柜單元的勵磁電流輸出端連接,勵磁電流適配模塊的輸出端與DSP處理器模塊的內(nèi)部A/D (直流采樣)的輸入端連接；DSP處理器模塊的CANl通訊輸出端與第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的輸入端雙向連接，第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的輸出端分別與智能顯示單元和智能功率單元的輸入端雙向連接；DSP處理器模塊的CAN2通訊輸出端與第二數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的輸入端雙向連接，第二數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的輸出端分別與智能顯示單元和智能功率單元的輸入端雙向連接。對于開關(guān)量輸入模塊現(xiàn)有的技術(shù)中，該部分電路一般僅由常規(guī)的光隔離電路組成,本實用新型所說的開關(guān)量輸入模塊由低通濾波電路、光隔離電路、二極管顯示電路和邏輯轉(zhuǎn)換電路組成，其第--級電路對24V開關(guān)量信號進行低通濾波后,通過第二級光隔離電路將信號由MV轉(zhuǎn)換為5V并通過發(fā)光二極管顯示，再通過第三級的邏輯轉(zhuǎn)換電路取反后送至第一電平轉(zhuǎn)換模塊的輸入端；上述所說的第一電平轉(zhuǎn)換模塊以電平轉(zhuǎn)換芯片為主，配合對應(yīng)的接口電路構(gòu)成， 將采集到的5V開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換為3. 3V后輸入至DSP處理器模塊的I/O輸入端；....Ll述所說的第二電平轉(zhuǎn)換模塊以電平轉(zhuǎn)換芯片為主，配合對應(yīng)的接口電路構(gòu)成， 將從DSP處理器模塊I/O輸出端接收到的3. 3V開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換為5V后輸入至開關(guān)量輸出模塊的輸入端；上述所說開關(guān)量輸出模塊由兩級邏輯轉(zhuǎn)換電路、光隔離電路和二極管顯示電路組成，將接收到的5V開關(guān)量信號經(jīng)過兩次邏輯轉(zhuǎn)換，通過光隔離電路轉(zhuǎn)換為24V信號，并且通過發(fā)光二極管顯示出來,最后輸送出去；上述所說模擬量適配模塊由模擬量預處理電路組成,模擬量輸入信號包括同步發(fā)電機定子電壓和定子電流兩種基本信號，由常規(guī)的運放電路組成，通過適配電路將三相定子電壓信號,三相定子電流信號(定子電流信號需經(jīng)過電阻分壓后轉(zhuǎn)換為電壓信號)調(diào)整至滿足交流采樣模塊輸入端所需的電壓范圍,送至交流采樣模塊的輸入端，同時將完成適配的定子電壓三相中的·"一 相，輸送至頻率測量模塊的輸入端；上述所說的頻率測量模塊由濾波電路、輸入限幅電路、電壓比較輸出電路、輸出限幅保護電路組成，通過這些電路將單相的定子電壓信號，轉(zhuǎn)換為5V的方波信號輸出至DSP 處理器模塊的捕捉引腳輸入端；上述所說的交流采樣模塊與DSP處理器模塊的接口電路是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(交流采樣芯片)和數(shù)字信號處理器及相關(guān)的接口器件所組成，DSP通過控制總線的邏輯控制信號對模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成控制，經(jīng)過模擬量模塊處理后的模擬信號輸入交流采樣芯片后,直接轉(zhuǎn)換為可滿足DSP輸入端電壓要求的數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)總線輸入DSP芯片的數(shù)據(jù)輸入端,然后按照軟件所設(shè)計的交流采樣算法進行處理,得到相關(guān)的控制參數(shù)；上述所說的數(shù)據(jù)存儲模塊由外部擴展存儲器組成，DSP通過SPI與外擴鐵電存儲器連接，可在系統(tǒng)運行過程中可實現(xiàn)高速簡捷的通訊，可隨時保存工作過程中采集的開關(guān)量信息和時間標簽,完成數(shù)據(jù)的讀、寫工作,并且支持掉電保存。上述所說的勵磁電流適配模塊主要由勵磁電流適配電路組成,它將從智能功率柜單元采集到的勵磁電流信號通過電阻分壓變?yōu)殡妷盒盘柡螅偻ㄟ^合理的運放適配電路， 將勵磁電流信號處理為滿足DSP處理器模塊內(nèi)部A/D輸入所要求的電壓信號，輸送給DSP 處理器單元,完成勵磁控制器對系統(tǒng)勵磁電流信號的采樣。上述所說的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊(包括第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊與第二數(shù)據(jù)收發(fā)模塊)主要由 CAN通訊電路組成，該部分電路主要包括光隔離電路、CAN收發(fā)電路以及相關(guān)的適配電路， 實現(xiàn)CAN通訊信號的光隔離，數(shù)據(jù)接收和發(fā)送工作。第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和第二數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的輸入端分別與DSP處理器模塊的CANl通訊口和CAN2通訊口相連接構(gòu)成雙CAN網(wǎng)冗余網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的輸出端與智能顯示模塊和智能功率柜單元的通訊輸入口相連接，構(gòu)成本實用新型所說的冗余高速雙CAN網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)。其中通訊網(wǎng)路的每個節(jié)點都具有網(wǎng)絡(luò)自檢功能，當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時,可實現(xiàn)運行網(wǎng)絡(luò)和備用網(wǎng)絡(luò)的自動切換，進而保證了勵磁系統(tǒng)運行的安全和穩(wěn)定性。本實用新型提供的一種基于32位浮點型處理器的數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng)的工作方法包括如下步驟1)通過模擬量適配模塊、交流采樣模塊,可實現(xiàn)發(fā)電機三相定子電壓、三相定子電流、發(fā)電機出口頻率信號的采樣工作,通過勵磁電流適配模塊可完成對系統(tǒng)勵磁電流的采樣,所有采樣信號進入DSP處理器單元后，經(jīng)過軟件計算可得到發(fā)電機系統(tǒng)的電壓有效值、 電流有效值、有功功率、無功功率及當前的勵磁系統(tǒng)功率回路的各項數(shù)據(jù)；2)通過開關(guān)量輸入模塊和第一電平轉(zhuǎn)換模塊，勵磁控制器可完成對系統(tǒng)開關(guān)量信號的采集,進而可以檢測到當前發(fā)電機系統(tǒng)的狀態(tài)(停機狀態(tài)、試驗狀態(tài)、空載運行狀態(tài)或并網(wǎng)帶載狀態(tài))、運行方式(恒壓運行、恒流運行或其它的工作方式)以及其它的開關(guān)量信眉、ο[0029]3)中央數(shù)據(jù)處理模塊對采集到的開關(guān)量信號和計算得到的各項數(shù)據(jù)進行識別、判斷和處理,并根據(jù)當前發(fā)電機系統(tǒng)的運行狀態(tài),經(jīng)由PID計算和各種保護限制程序檢驗校正后，可得出智能功率回路所需的移相脈沖的控制角度α (15° -150° )。4)最后DSP處理器單元通過現(xiàn)場總線發(fā)送給智能功率柜單元，功率單元可根據(jù)控制角度產(chǎn)生觸發(fā)脈沖進而完成對整流橋中晶鬧管的觸發(fā),輸出勵磁電流。同時，通過現(xiàn)場總線將各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)量發(fā)送給智能顯示單元,完成系統(tǒng)各種變量和圖形的顯示。上述步驟中所述的信號的計算用勵磁控制規(guī)律的軟件實現(xiàn)首先，由DSP的事件管理器通過對捕捉引腳上方波信號的處理，可得出發(fā)電機出口的電壓頻率，再通過軟件鎖相環(huán)和交流采樣子程序可完成系統(tǒng)模擬量的交流采樣；通過計算子程序可得到發(fā)電機系統(tǒng)的電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率。然后通過DSP內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器可計算得出系統(tǒng)的勵磁電流。按照勵磁系統(tǒng)主要邏輯及各種保護/限制功能子程序可由CPU直接計算出控制脈沖所需的當前控制角α，然后通過數(shù)據(jù)發(fā)送/接受子程序?qū)⒖刂平前l(fā)送給智能功率柜單元，由其完成觸發(fā)脈沖的形成,控制整流橋,完成對勵磁電流的控制。綜上所述可知,勵磁控制器可通過對各種信號的采集與計算,可通過控制輸出α 大小，控制勵磁系統(tǒng)勵磁電流的改變，從而達到自動調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓和無功負荷的目的。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點和產(chǎn)生的積極效果本實用新型克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。調(diào)節(jié)器單元將主控單元將控制角α經(jīng)由CAN 總線發(fā)送給功率單元,智能功率單元接收到α后，自身產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,直接供給整流橋,這樣既可以避免了電磁千擾，又可以提高脈沖精度，在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提F，也提高了勵磁系統(tǒng)的精度；本實用新型勵磁系統(tǒng)中，在主控單元上所選用的是32位浮點型處理器,在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上所采用的是多CPU分布式控制系統(tǒng)，在通訊上選用了雙CAN網(wǎng)熱冗余等特點,這樣在采樣精度、數(shù)據(jù)處理、運算速度、數(shù)據(jù)傳遞、圖形顯示及電磁兼容等方面都要優(yōu)于行業(yè)內(nèi)的現(xiàn)有技術(shù)?？傊捎谑褂昧烁↑c型處理器，在數(shù)據(jù)處理—匕減小了計算誤差，實現(xiàn)了更加準確的標么化,簡化了數(shù)據(jù)運算過程，從而降低了核心處理器的負擔，使主控系統(tǒng)運行變得更加安全、穩(wěn)定。通過高速現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)將勵磁控制器與智能功率柜單元連接,在很大程度上解決了勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器與功率柜連接受現(xiàn)場距離遠近的制約,增加了勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實用性；同時勵磁調(diào)節(jié)主控單元，智能顯示單元，以及與智能功率柜單元之間通過高速雙CAN網(wǎng)絡(luò)連接，大大增強了勵磁系統(tǒng)的電磁兼容性。通訊系統(tǒng)采用雙網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計,每個節(jié)點都具有網(wǎng)絡(luò)自檢功能，當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時,可自動切換,保證了勵磁系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性,進而使發(fā)電機系統(tǒng)能夠更加安全穩(wěn)定的運行。


圖2為本實用新型的開關(guān)量輸入模塊電路示意圖。 圖3為本實用新型的幵關(guān)量輸出模塊電路示意圖。 圖4為本實用新型的頻率測量模塊電路示意圖。 圖5為本實用新型勵磁電流適配模塊電路示意圖。 圖6為本實用新型數(shù)據(jù)收發(fā)模塊電路示意圖。 圖7為本實用新型對勵磁電流控制的軟件流程圖。CN 202094837 U 具體實 施方式以下結(jié)合具體實施例(附圖)詳細描述本實用新型,但它們不是限制本實用新型。如圖1所示，一種基于32位浮點型處理器的數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng)包括DSP處理器模塊、開關(guān)量輸入模塊、第一電平轉(zhuǎn)換模塊1、第二電平轉(zhuǎn)換模塊1、開關(guān)量輸出模塊、模擬量適配模塊、頻率測量模塊、交流采樣模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、勵磁電流適配模塊、第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊1、第二數(shù)據(jù)收發(fā)模塊2及智能顯示單元模塊組成。所說的開關(guān)量輸入模塊的輸出端連接電平轉(zhuǎn)換模塊1的輸入端，第一電平轉(zhuǎn)換模塊1的輸出端連接DSP處理器模塊的I/ 0輸入端；所說的第二電平轉(zhuǎn)換模塊1的輸入端與DSP處理器模塊的I/O輸出端連接，第二電平轉(zhuǎn)換模塊1的輸出端連接開關(guān)量輸出模塊的輸入端；所說的模擬量適配模塊輸出端連接交流采樣模塊的輸入端,對于交流采樣模塊,其數(shù)據(jù)輸出端連接至DSP處理器模塊的數(shù)據(jù)總線輸入端，DSP處理器模塊的控制交流采樣的邏輯輸出端連接交流采樣模塊的控制總線輸入端；同時,在模擬量適配模塊的輸出端，其中一路定子電壓信號輸出連接至頻率測量模塊的輸入端；頻率測量模塊的輸出端連接DSP處理器模塊的捕捉輸入端；DSP處理器模塊的SPI輸出端與數(shù)據(jù)存儲模塊的輸入端連接；勵磁電流適配模塊的輸入端與智能功率柜單元的勵磁電流輸出端連接，勵磁電流適配模塊的輸出端與DSP處理器模塊的內(nèi)部A/D (直流采樣)的輸入端連接；DSP處理器模塊的CANl通訊輸出端與第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊1的輸入端雙向連接,第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊1的輸出端分別與智能顯示單元和智能功率單元的輸入端雙向連接；DSP處理器模塊的CAN2通訊輸出端與第二數(shù)據(jù)收發(fā)模塊2的輸入端雙向連接,第二數(shù)據(jù)收發(fā)模塊2的輸出端分別與智能顯示單元和智能功率單元的輸入端雙向連接。如圖2所示，上述所說的開關(guān)量輸入模塊由低通濾波電路、光隔離電路、二極管顯示電路和邏輯轉(zhuǎn)換電路組成,其第一級電路對24V開關(guān)量信號進行低通濾波后,通過第二級光隔離電路將信號由24V轉(zhuǎn)換為5V并通過發(fā)光二極管顯示,再通過第三級的邏輯轉(zhuǎn)換電路取反后送至第一電平轉(zhuǎn)換模塊1的輸入端；上述所說的第一電平轉(zhuǎn)換模塊1以德州儀器公司生產(chǎn)的SN74LVC4245芯片為主， 結(jié)合常規(guī)的硬件接口電路構(gòu)成,將采集到的5V開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換為3. 3V后輸入至DSP處理器模塊的I/O輸入端；....Ll述所說的第二電平轉(zhuǎn)換模塊1以德州儀器公司生產(chǎn)的SN74LVC4245芯片為主， 結(jié)合常規(guī)的硬件接口電路構(gòu)成，將從DSP處理器模塊I/O輸出端接收到的3. 3V開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換為5V后輸入至開關(guān)量輸出模塊的輸入端；如圖3所示,上述所說開關(guān)量輸出模塊由兩級邏輯轉(zhuǎn)換電路、光隔離電路和二極管顯示電路組成，將接收到的5V開關(guān)量信號經(jīng)過兩次邏輯轉(zhuǎn)換，通過光隔離電路轉(zhuǎn)換為 24V信號，并且通過發(fā)光二極管顯示出來，最后輸送出去；上述所說模擬量適配模塊由模擬量預處理電路組成,模擬量輸入信號包括同步發(fā)電機定子電壓和定子電流兩種基本信號，由常規(guī)的運放電路組成,通過適配電路將三相定子電壓信號，三相定子電流信號(定子電流信號需經(jīng)過電阻分壓后轉(zhuǎn)換為電壓信號)調(diào)整至滿足交流采樣模塊輸入端所需的電壓范圍，送至交流采樣模塊的輸入端，同時將完成適配的定子電壓三相中的一相,輸送至頻率測量模塊的輸入端；如圖4所示,上述所說的頻率測量模塊由濾波電路、輸入限幅電路、電壓比較輸出電路、輸出限幅保護電路組成，通過這些電路將單相的定子電壓信號，轉(zhuǎn)換為5V的方波信號輸出至DSP處理器模塊的捕捉引腳輸入端；上述所說的DSP處理器模塊以德州儀器(Tl)最新推出的TMS320f2833532位浮點型DSP芯片作為本實用新型的中央處理器，交流采樣模塊以MAXIM公司生產(chǎn)14位，8通道， 同步采樣ADC轉(zhuǎn)換芯片MAX1324為主，通過相應(yīng)的硬件接口電路MAX1324與DSPf28335構(gòu)成系統(tǒng)的交流采樣電路。DSP通過控制總線的邏輯控制信號對MAX1324完成控制,經(jīng)過模擬量模塊處理后的模擬信號輸入交流采樣芯片后,直接轉(zhuǎn)換為可滿足DSP輸入端電壓要求的數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)總線輸入DSP芯片的數(shù)據(jù)輸入端，然后按照軟件所設(shè)計的交流采樣算法進行處理，得到相關(guān)的控制參數(shù)； 上述所說的數(shù)據(jù)存儲模塊由外部擴展存儲器組成,外擴存儲器選用Ramtron公司生產(chǎn)的FM25L256芯片，DSP通過SPI與外擴鐵電存儲器連接,可在系統(tǒng)運行過程中可實現(xiàn)高速簡捷的通訊，可隨時保存工作過程中采集的幵關(guān)量信息和時間標簽，完成數(shù)據(jù)的讀、寫工作，并且支持掉電保存。如圖5所示，上述所說的勵磁電流適配模塊主要由勵磁電流適配電路組成,它將從智能功率柜單元采集到的勵磁電流信號通過電阻分壓變?yōu)殡妷盒盘柡螅偻ㄟ^合理的運放適配電路，將勵磁電流信號處理為滿足DSP處理器模塊內(nèi)部A/D輸入所要求的電壓信號， 輸送給DSP處理器單元，完成勵磁控制器對系統(tǒng)勵磁電流信號的采樣。如圖6所示，上述所說的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊(包括第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊1與第二數(shù)據(jù)收發(fā)模塊2)主要由CAN通訊電路組成,此處給出的為第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊1的電路結(jié)構(gòu)圖,第二數(shù)據(jù)收發(fā)模塊2原理與第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊1相同，不再重復)，該部分電路主要包括光隔離電路、CAN收發(fā)電路以及相關(guān)的適配電路，實現(xiàn)CAN通訊信號的光隔離,數(shù)據(jù)接收和發(fā)送工作。其中CAN收發(fā)器選用德州儀器生產(chǎn)的SN65HVD1050DR(VP1050)芯片，第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊1和第二數(shù)據(jù)收發(fā)模塊2的輸入端分別與DSP處理器模塊的CANl通訊口和CAN2通訊口相連接構(gòu)成雙CAN網(wǎng)冗余網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的輸出端與智能顯示模塊和智能功率柜單元的通訊輸入口相連接，構(gòu)成本實用新型所說的冗余高速雙CAN網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)。其中通訊網(wǎng)路的每個節(jié)點都具有網(wǎng)絡(luò)自檢功能，當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時,可實現(xiàn)運行網(wǎng)絡(luò)和備用網(wǎng)絡(luò)的自動切換，進而保證了勵磁系統(tǒng)運行的安全和穩(wěn)定性?；?2位浮點型處理器的數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng)的工作方法詳細包括如F步驟1)通過模擬量適配模塊、交流采樣模塊，可實現(xiàn)發(fā)電機三相定子電壓、三相定子電流、發(fā)電機出口頻率信號的采樣工作,通過勵磁電流適配模塊可完成對系統(tǒng)勵磁電流的采樣,所有采樣信號進入DSP處理器單元后,經(jīng)過軟件計算可得到發(fā)電機系統(tǒng)的電壓有效值、 電流有效值、有功功率、無功功率及當前的勵磁系統(tǒng)功率回路的各項數(shù)據(jù)；本步驟中所述的信號的采集經(jīng)過為對于發(fā)電機三相定子電壓Ug通過電壓互感器(勵磁PT,其變比為*/100V)將Ug降壓；對于發(fā)電機三相定子電流Ig,通過電流互感器 (勵磁CT,其變比為*/5A)使電流變小,然后將處理后的定子電壓、定子電流信號輸送至模擬量適配模塊，經(jīng)過適配，使定子電壓信號轉(zhuǎn)換為滿足交流采樣模塊和頻率測量模塊輸入的電壓信號,使定子電流信號轉(zhuǎn)換為滿足交流采樣模塊輸入的電壓信號。將適配后三相定子電壓中的一相送至頻率測量模塊的輸入端,經(jīng)測頻電路后變?yōu)榉讲ㄐ盘査椭罝SP的捕捉引腳輸入端。將經(jīng)過適配后滿足交流采樣模塊的電壓信號送至交流采樣模塊的輸入端，由交流采樣模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量通過數(shù)據(jù)總線最后送至DSP數(shù)據(jù)輸入端。
2)通過開關(guān)量輸入模塊和第一電平轉(zhuǎn)換模塊1,勵磁控制器可完成對系統(tǒng)開關(guān)量信號的采集，進而可以檢測到當前發(fā)電機系統(tǒng)的狀態(tài)(停機狀態(tài)、試驗狀態(tài)、空載運行狀態(tài)或并網(wǎng)帶載狀態(tài))、運行方式(恒壓運行、恒流運行或其它的工作方式)以及其它的開關(guān)量 f pi 息。3)中央數(shù)據(jù)處理模塊對采集到的開關(guān)量信號和計算得到的各項數(shù)據(jù)進行識別、判斷和處理，并根據(jù)當前發(fā)電機系統(tǒng)的運行狀態(tài)，經(jīng)由PID計算和各種保護限制程序檢驗校正后，可得出智能功率回路所需的移相脈沖的控制角度α (15° -150° )。4)最后DSP處理器單元通過現(xiàn)場總線發(fā)送給智能功率柜單元，功率單元可根據(jù)控制角度產(chǎn)生觸發(fā)脈沖進而完成對整流橋中晶閘管的觸發(fā)，輸出勵磁電流。同時，通過現(xiàn)場總線將各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)量發(fā)送給智能顯示單元，完成系統(tǒng)各種變量和圖形的顯示。綜上所述可知，該勵磁控制器可通過對各種信號的采集與計算，可通過控制輸出 α大小,控制勵磁系統(tǒng)勵磁電流的改變,從而達到自動調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓和無功負荷的目的。上述步驟中硬件完成步驟描述如下步驟1)中所述的信號的采集經(jīng)過為對于發(fā)電機三相定子電壓Ug通過電壓互感器(勵磁ΡΤ，其變比為*/100V)將Ug降壓；對于發(fā)電機三相定子電流Ig，通過電流互感器 (勵磁CT,其變比為*/5A)使電流變小，然后將處理后的定子電壓、定子電流信號輸送至模擬量適配模塊，經(jīng)過適配，使定子電壓信號轉(zhuǎn)換為滿足交流采樣模塊和頻率測量模塊輸入的電壓信號，使定子電流信號轉(zhuǎn)換為滿足交流采樣模塊輸入的電壓信號。將適配后三相定子電壓中的一相送至頻率測量模塊的輸入端，經(jīng)測頻電路后變?yōu)榉讲ㄐ盘査椭罝SP的捕捉引腳輸入端。將經(jīng)過適配后滿足交流采樣模塊的電壓信號送至交流采樣模塊的輸入端，由交流采樣模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量通過數(shù)據(jù)總線最后送至DSP數(shù)據(jù)輸入上述步驟中所述的信號的計算用勵磁控制規(guī)律的軟件實現(xiàn)首先，由DSP的事件管理器通過對捕捉引腳上方波信號的處理,可得出發(fā)電機出口的電壓頻率。得到了頻率可通過軟件鎖相環(huán)和交流采樣子程序可完成系統(tǒng)模擬量的交流采樣,通過計算子程序可得到發(fā)電機系統(tǒng)的電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率。然后通過DSP內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器可計算得出系統(tǒng)的勵磁電流。按照勵磁系統(tǒng)主要邏輯及各種保護/限制功能子程序可由 CPU直接計算出控制脈沖所需的當前控制角α ,然后通過數(shù)據(jù)發(fā)送/接受子程序?qū)⒖刂平前l(fā)送給智能功率柜單元，由其完成觸發(fā)脈沖的形成,控制整流橋,完成對勵磁電流的控制。本實用新型所述所包含的軟件子程序為交流采樣子程序完成模擬量的交流采樣；開關(guān)量輸入子程序完成對系統(tǒng)開關(guān)量的輸入控制；開關(guān)量輸出子程序完成對系統(tǒng)開關(guān)量的輸出控制；軟件鎖相環(huán)子程序確保每個采樣周期的信號都在同一個周期內(nèi)；模擬量計算子程序計算出發(fā)電機機端電壓、定子電流、有功/無功、勵磁電流、勵磁電壓；PID計算子程序計算得出當前的整流橋觸發(fā)角度《 ,及系統(tǒng)各種狀態(tài)量；數(shù)據(jù)發(fā)送/接收子程序完成與其它智能模塊之間的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收任務(wù)；[0072]外擴存儲器的讀/寫子程序完成勵磁系統(tǒng)一些主要固定變量的存儲；標么子程序完成各項數(shù)據(jù)的標么計算； 勵磁系統(tǒng)主要邏輯及各種保護功能子程序完成對勵磁系統(tǒng)的邏輯判斷及各種保護和限制功能；輔助發(fā)電機完成型式試驗的試驗子程序(僅在發(fā)電機進行型式試驗時使用，不再詳細說明)。如圖7所示，本實用新型所述對勵磁電流控制的軟件流程如F (1)系統(tǒng)上電復位；(2)系統(tǒng)程序初始化按照初始化程序,初始化系統(tǒng)各項狀態(tài)和各個控制寄存器；(3)關(guān)中斷禁止所有中斷；(4)初始化PIE中斷向量表程序幵始重新定位系統(tǒng)的中斷向量，使其指向用戶自己定義的中斷子程序；(5)開中斷；使能所有中斷；(6)系統(tǒng)進入主循環(huán)程序,等待中斷,如中斷響應(yīng)則進入下一步用戶定義的系統(tǒng)子程序，如無響應(yīng)中斷，則繼續(xù)等待；(7)進入系統(tǒng)子程序后,程序分為三個分支分別運行，分別執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲程序、開關(guān)量輸入程序和模擬量處理程序；在這一步中，對于模擬量處理程序又可分為如下步驟①執(zhí)行頻率測量程序完成對同步發(fā)電機出口端的頻率測量；②根據(jù)所測得的系統(tǒng)頻率可實現(xiàn)軟鎖相環(huán)，進而完成交流采樣程序；③根據(jù)外擴存儲器中對一些模擬量的初始設(shè)定,完成對系統(tǒng)關(guān)鍵模擬量的計算, 并將需要的模擬量存入外擴存儲器中；(8)執(zhí)行數(shù)據(jù)標么程序，完成主要模擬量的標幺化；(9)對開關(guān)量輸入程序處理的開關(guān)量完成系統(tǒng)辨識，確認系統(tǒng)運行狀態(tài)與運行方式,完成PID計算,得到系統(tǒng)當前需要的控制角度α ；同時確認系統(tǒng)各種運行狀態(tài)；執(zhí)行完上一步后,系統(tǒng)程序分兩個分支運行(10)對于經(jīng)過PID運算后，重新確認系統(tǒng)狀態(tài)賦值給對應(yīng)的幵關(guān)量；(11)同時，執(zhí)行保護限制程序，對計算得到的控制角α進行檢驗和校正；(12)執(zhí)行數(shù)據(jù)接收發(fā)送程序,將最后的控制角α和開關(guān)量通過現(xiàn)場總線向系統(tǒng)的其它節(jié)點發(fā)送出去。本實用新型基于32位浮點型DSP為核心的數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng)以TI公司最新推出的高性能DSP芯片TMS320f28335 (32位,浮點型處理器)為中央處理器，以MAX13M芯片作為系統(tǒng)關(guān)鍵信號的A/D轉(zhuǎn)換模塊,通過雙高速CAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)主控單元與智能顯示單元、智能功率柜單元之間的數(shù)據(jù)傳遞。主控單元DSC與智能顯示單元構(gòu)成本實用新型所描述的勵磁控制器系統(tǒng)，最后通過向智能功率柜發(fā)送脈沖控制角α，與智能功率柜單元一起完成對發(fā)電機的控制。
權(quán)利要求1.一種基于32位浮點型處理器的數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng),包括模擬量采樣單元用于對發(fā)電機定子電壓、定子電流、勵磁電流等信號的采集； 開關(guān)量輸入與輸出單元用于完成對系統(tǒng)開關(guān)量信號的采集與輸出； CPU主控單元用于完成對所有數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和邏輯運算，計算得出當時工況下所需的可控硅觸發(fā)角度，完成對主要故障信號的報警與處理；顯示單元用于完成主要數(shù)據(jù)和各種運行狀態(tài)信號、報警信號顯示； 其特征在于它主要包括DSP處理器模塊、開關(guān)量輸入模塊、第一電平轉(zhuǎn)換模塊、第二電平轉(zhuǎn)換模塊、幵關(guān)量輸出模塊、模擬量適配模塊、頻率測量模塊、交流采樣模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、勵磁電流適配模塊、 第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、第二數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和智能顯示單元模塊；所說的開關(guān)量輸入模塊的輸出端連接第一電平轉(zhuǎn)換模塊的輸入端,第一電平轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接DSP處理器模塊的I/O輸入端；所說的第二電平轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與DSP處理器模塊的I/O輸出端連接，第二電平轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接開關(guān)量輸出模塊的輸入端；所說的模擬量適配模塊輸出端連接交流采樣模塊的輸入端,對于交流采樣模塊,其數(shù)據(jù)輸出端連接至DSP處理器模塊的數(shù)據(jù)總線輸入端，DSP處理器模塊的控制交流采樣的邏輯輸出端連接交流采樣模塊的控制總線輸入端；同時，在模擬量適配模塊的輸出端,其中一路定子電壓信號輸出連接至頻率測量模塊的輸入端；頻率測量模塊的輸出端連接DSP處理器模塊的捕捉輸入端；DSP處理器模塊的SPI輸出端與數(shù)據(jù)存儲模塊的輸入端連接；勵磁電流適配模塊的輸入端與智能功率柜單元的勵磁電流輸出端連接，勵磁電流適配模塊的輸出端與DSP處理器模塊的內(nèi)部A/D的輸入端連接；DSP處理器模塊的CANl通訊輸出端與第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的輸入端雙向連接,第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的輸出端分別與智能顯示單元和智能功率單元的輸入端雙向連接；DSP處理器模塊的CAN2通訊輸出端與第二數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的輸入端雙向連接，第二數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的輸出端分別與智能顯示單元和智能功率單元的輸入端雙向連接。
2.按照權(quán)利要求1所說的控制系統(tǒng),其特征在于所說的開關(guān)量輸入模塊由低通濾波電路、光隔離電路、二極管顯示電路和邏輯轉(zhuǎn)換電路組成，其第一級電路對24V開關(guān)量信號進行低通濾波后，通過第二級光隔離電路將信號由24V轉(zhuǎn)換為5V并通過發(fā)光二極管顯示，再通過第三級的邏輯轉(zhuǎn)換電路取反后送至第一電平轉(zhuǎn)換模塊的輸入端；所說的第一電平轉(zhuǎn)換模塊由電平轉(zhuǎn)換芯片與對應(yīng)的接口電路構(gòu)成,將采集到的5V開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換為3. 3V后輸入至DSP處理器模塊的I/O輸入端；所說的第二電平轉(zhuǎn)換模塊由電平轉(zhuǎn)換芯片與對應(yīng)的接口電路構(gòu)成，將從DSP處理器模塊I/O輸出端接收到的3. 3V幵關(guān)量信號轉(zhuǎn)換為5V后輸入至開關(guān)量輸出模塊的輸入端；所說的開關(guān)量輸出模塊由兩級邏輯轉(zhuǎn)換電路、光隔離電路和二極管顯示電路組成，將接收到的5V開關(guān)量信號經(jīng)過兩次邏輯轉(zhuǎn)換,通過光隔離電路轉(zhuǎn)換為24V信號，并且通過發(fā)光二極管顯示出來，最后輸送出去。
3.按照權(quán)利要求1所說的控制系統(tǒng)，其特征在于所說的模擬量適配模塊由模擬量預處理電路組成,模擬量輸入信號包括同步發(fā)電機定子電壓和定子電流兩種基本信號，由常規(guī)的運放電路組成,通過適配電路將三相定子電壓信號，三相定子電流信號調(diào)整至滿足交流采樣模塊輸入端所需的電壓范圍,送至交流采樣模塊的輸入端，同時將完成適配的定子電壓三相中的·“一相，輸送至頻率測量模塊的輸入端。
4.按照權(quán)利要求1所說的控制系統(tǒng)，其特征在于所說的頻率測量模塊由濾波電路、輸入限幅電路、電壓比較輸出電路、輸出限幅保護電路組成，通過這些電路將單相的定子電壓信號,轉(zhuǎn)換為5V的方波信號輸出至DSP處理器模塊的捕捉引腳輸入端。
5.按照權(quán)利要求1所說的控制系統(tǒng),其特征在于所說的交流采樣模塊與DSP處理器模塊的接口電路是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器及相關(guān)的接口器件所組成，DSP通過控制總線的邏輯控制信號對模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成控制，經(jīng)過模擬量模塊處理后的模擬信號輸入交流采樣芯片后,直接轉(zhuǎn)換為可滿足DSP輸入端電壓要求的數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)總線輸入DSP芯片的數(shù)據(jù)輸入端,然后按照軟件所設(shè)計的交流采樣算法進行處理,得到相關(guān)的控制參數(shù)。
6.按照權(quán)利要求1所說的控制系統(tǒng)，其特征在于所說的數(shù)據(jù)存儲模塊由外部擴展存儲器組成，DSP通過SPI與外擴鐵電存儲器連接，在系統(tǒng)運行過程中實現(xiàn)高速簡捷的通訊，隨時保存工作過程中采集的開關(guān)量信息和時間標簽,完成數(shù)據(jù)的讀、寫工作，并且支持掉電保
7.按照權(quán)利要求1所說的控制系統(tǒng)，其特征在于所說的勵磁電流適配模塊主要由勵磁電流適配電路組成，它將從智能功率柜單元采集到的勵磁電流信號通過電阻分壓變?yōu)殡妷盒盘柡?再通過合理的運放適配電路,將勵磁電流信號處理為滿足DSP處理器模塊內(nèi)部A/ D輸入所要求的電壓信號,輸送給DSP處理器單元,完成勵磁控制器對系統(tǒng)勵磁電流信號的
8.按照權(quán)利要求1所說的控制系統(tǒng),其特征在于所說的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊,包括第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊與第二數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，由CAN通訊電路組成,主要包括光隔離電路、CAN收發(fā)電路以及相關(guān)的適配電路,實現(xiàn)CAN通訊信號的光隔離,數(shù)據(jù)接收和發(fā)送工作；第一數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和第二數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的輸入端分別與DSP處理器模塊的CANl通訊口和CAN2通訊口相連接構(gòu)成雙CAN網(wǎng)冗余網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的輸出端與智能顯示模塊和智能功率柜單元的通訊輸入口相連接，構(gòu)成冗余高速雙CAN網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò),其中通訊網(wǎng)路的每個節(jié)點都具有網(wǎng)絡(luò)自檢功能，當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時,可實現(xiàn)運行網(wǎng)絡(luò)和備用網(wǎng)絡(luò)的自動切換,進而保證了勵磁系統(tǒng)運行的安全和穩(wěn)定性。
專利摘要本實用新型涉及一種基于32位浮點型處理器的數(shù)字式勵磁控制系統(tǒng)。它主要包括DSP處理器模塊、開關(guān)量輸入模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量適配模塊、頻率測量模塊、交流采樣模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、勵磁電流適配模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和智能顯示單元模塊；本實用新型選用高性能的32位浮點型處理器作為主CPU芯片，選用性能優(yōu)異的可觸摸平板電腦通過雙高速CAN網(wǎng)絡(luò)與主控單元連接構(gòu)成智能顯示系統(tǒng)。將先進的交流采樣算法和DSP自身的優(yōu)異性能結(jié)合，實現(xiàn)了勵磁控制器的深度數(shù)字化，在數(shù)據(jù)處理上真正實現(xiàn)了標幺化，在數(shù)據(jù)傳遞方面，通過雙高速CAN網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速，穩(wěn)定傳遞，進而提高了勵磁控制系統(tǒng)的整體性能指標。
文檔編號H02P9/14GK202094837SQ201120216118
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者張錫明, 杜志強, 楊彥杰, 毛建偉, 陳健 申請人:河北工業(yè)大學電工廠