基于DSP+μC／OS-Ⅱ的勵(lì)磁系統(tǒng)的研究

本文提出采用美國(guó)德州儀器公司(TI)的數(shù)字信號(hào)處理器芯片TMS320LF2812作為控制核心，將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP+μC／OS-Ⅱ，應(yīng)用于DSP的程序設(shè)計(jì)中，以次級(jí)有源鉗位開關(guān)的零電壓零電流開關(guān)(ZVZCS)DC／DC移相變換全橋電路為主電路，將系統(tǒng)的多個(gè)核心任務(wù)由DSP+μC／OS-Ⅱ進(jìn)行調(diào)度并行執(zhí)行，完成3種形式勵(lì)磁電流的閉環(huán)控制，為同步機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)嵌入式設(shè)計(jì)提供一個(gè)理想的設(shè)計(jì)方案。

1 總體結(jié)構(gòu)

勵(lì)磁系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如1所示。包括零電壓零電流開關(guān)(ZVZCS)DC／DC移相變換全橋電路、驅(qū)動(dòng)電路、滅磁電路、勵(lì)磁電壓、電流調(diào)理電路、DSP控制電路、鍵盤及顯示電路、跳閘保護(hù)電路等。

三相交流電源經(jīng)接觸器加到三相整流模塊變?yōu)橹绷鳌Ｖ绷髦骰芈饭╇娂尤?00 ms的軟啟動(dòng)，以防高的電壓沖擊，Ci為輸入濾波電容，并起到提高功率因數(shù)的作用。主電路軟啟動(dòng)接通后，DSP根據(jù)鍵盤設(shè)定的一種調(diào)節(jié)方式，在接受到起勵(lì)指令后，輸出規(guī)定勵(lì)磁電壓，通過DSP對(duì)勵(lì)磁參數(shù)測(cè)量實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的閉環(huán)控制。保護(hù)電路中設(shè)計(jì)輸入過壓、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)和過熱保護(hù)。

2 主電路工作原理

圖2為ZVZCS變換器的主電路圖，并聯(lián)電容C1，C2和變壓器的漏感Lk一起實(shí)現(xiàn)超前臂開關(guān)管VQ1，VQ2的ZVS。通過控制有源鉗位開關(guān)VQC來實(shí)現(xiàn)滯后臂開關(guān)管VQ3，VQ4的ZCS。

圖3為ZVZCS變換器的一個(gè)開關(guān)周期的主要工作波形。VQ1和VQ2在C1，C2和Lk作用下實(shí)現(xiàn)ZVS。T1時(shí)刻，變壓器的初級(jí)電壓Vab下降為零，此時(shí)使VQC導(dǎo)通，使鉗位電容上電壓Vcc反射到初級(jí)的Lk上，與因電流減小而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的方向正好相反，因此，使初級(jí)電流ILk迅速減小到零，而且由于串入VD1，VD2使變壓器初級(jí)續(xù)流時(shí)不會(huì)在反方向形成環(huán)流，從而使滯后臂開關(guān)管VQ3，VQ4實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通和關(guān)斷。

3 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成可通過DSP的事件管理模塊EVA或EVB產(chǎn)生。PWM信號(hào)4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比均設(shè)置為50％；2組橋臂之間有相位差，相位超前的信號(hào)作為超前橋臂信號(hào)，相位滯后的信號(hào)作為滯后橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)，利用超前橋臂和滯后橋臂的相移來調(diào)節(jié)占空比。設(shè)置定時(shí)器為連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式，在定時(shí)器下溢中斷和周期中斷時(shí)分別設(shè)置比較寄存器的值，同時(shí)保證同一個(gè)比較寄存器在定時(shí)器下溢中斷和周期中斷設(shè)置參數(shù)之和等于周期寄存器的值T，這樣就可以使產(chǎn)生的PWM脈沖為50％的占空比。設(shè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)所得移相角對(duì)應(yīng)比較寄存器的值為x(整數(shù))，周期寄存器的值為T。設(shè)置其中一個(gè)比較寄存器在下溢中斷時(shí)賦值為0，在周期中斷時(shí)賦值為T；另一個(gè)比較寄存器在下溢中斷時(shí)賦值為x，在周期中斷時(shí)賦值為T-x，如圖4所示?？梢钥闯觯谝粋€(gè)寄存器的相位相對(duì)超前第二個(gè)寄存器180x／T。其中一組驅(qū)動(dòng)信號(hào)在計(jì)數(shù)寄存器為0時(shí)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，另一組驅(qū)動(dòng)信號(hào)在0～T之間相對(duì)移動(dòng)。所對(duì)應(yīng)寄存器的取值范圍較大，移相范圍是0～180如圖4所示。

4 控制策略

同步電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，由DSP完成對(duì)勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流的采樣，在中斷程序中完成電壓和電流的雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)恒流勵(lì)磁；系統(tǒng)可以在起動(dòng)前通過鍵盤設(shè)定選擇系統(tǒng)進(jìn)入同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)調(diào)節(jié)還是恒無功功率運(yùn)行，系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)將調(diào)度不同的任務(wù)，控制框圖如圖5所示。

5 系統(tǒng)軟件

為了將μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于系統(tǒng)，必須先移植操作系統(tǒng)到數(shù)字信號(hào)處理器中，移植工作主要有以下幾個(gè)部分：

(1)在OS-CPU.H中，定義數(shù)據(jù)類型，開關(guān)中斷函數(shù)已屏蔽編譯器和處理器；定義堆棧的增長(zhǎng)方向；定義任務(wù)切換函數(shù)。

(2)在OS-CPU.C中，用C嵌入?yún)R編編寫以下幾個(gè)函數(shù)：OStaskstkInit()，OSCtxSw()，OSStartHighRdy()，OSIntCtxSw()，OSTicksr()，OSTaskCreateHook()，OSTaskSwHook()，OSTaskDelHook()，OSTaskstatHook()，OSTimeTickHook()。任務(wù)的全部信息保存在響應(yīng)的任務(wù)塊和堆棧中，因此任務(wù)的切換要處理任務(wù)控制塊和堆棧。涉及任務(wù)控制塊的工作是：保存被切換任務(wù)的堆棧指針到當(dāng)前任務(wù)塊；將當(dāng)前任務(wù)控制塊指向最高任務(wù)控制塊；取出當(dāng)前任務(wù)塊存儲(chǔ)的堆棧地址。

按系統(tǒng)所要求實(shí)現(xiàn)的功能，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為幾個(gè)并行存在的任務(wù)層。占先式操作系統(tǒng)對(duì)任務(wù)的調(diào)度是按優(yōu)先權(quán)的高低進(jìn)行，系統(tǒng)的幾個(gè)任務(wù)按其優(yōu)先級(jí)從高到低順序排列是：保護(hù)任務(wù)、系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)、按鍵查詢?nèi)蝿?wù)、數(shù)據(jù)濾波運(yùn)算處理任務(wù)、狀態(tài)信息顯示任務(wù)、投勵(lì)滅磁任務(wù)。系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)是用來監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的任務(wù)，其優(yōu)先權(quán)的設(shè)置是按照整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)序來確定，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行較重要和實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格的任務(wù)設(shè)較高優(yōu)先級(jí)。

中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)：軟件中設(shè)置4種中斷；外部中斷、定時(shí)器1周期中斷、定時(shí)器1溢出中斷，功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)PDPINTA。當(dāng)電源模塊或系統(tǒng)發(fā)生故障，通過硬件電路產(chǎn)生外部中斷，同時(shí)將驅(qū)動(dòng)脈沖封鎖。在外部中斷程序中設(shè)置一個(gè)故障標(biāo)志送入監(jiān)視任務(wù)與顯示任務(wù)。周期中斷服務(wù)程序和下溢中斷服務(wù)程序用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)和閉環(huán)PID控制，周期中斷觸發(fā)A／D轉(zhuǎn)換。下溢中斷服務(wù)程序?qū)Σ蓸又颠M(jìn)行采樣，并送到計(jì)算任務(wù)中進(jìn)行各種數(shù)字濾波及計(jì)算。系統(tǒng)退出中斷時(shí)、內(nèi)核將重新進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。中斷服務(wù)程序的流程圖如圖6所示。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后在實(shí)驗(yàn)室研制了1臺(tái)22 kW勵(lì)磁系統(tǒng)，主開關(guān)器件工作在ZVZCS條件下，開關(guān)頻率為20 kHz。開關(guān)變壓器的匝數(shù)比N=40：9，Lk=13.6μH，Ce=2.2／μF；VQ1，VQ2，VQ3，VQ4為仙童公司G40N150D，輸出整流管和滯后臂串聯(lián)二極管均選用IXYS公司的DSEI2X61-12；C1，C2為1.6 kV／2 000 pF無感電容，隔直電容為2 μF極品無感電容，VQC選用IXYS公司的MOSFET管IXTH10N100，以下為主要實(shí)測(cè)波形圖。圖7(a)為變壓器初級(jí)電壓波形，圖7(b)為變壓器的初級(jí)電流波形。圖8(a)為VQ1，VQ2的ZVS開關(guān)波形，圖8(b)為VQ3，VQ4的ZCS開關(guān)波形。圖9(a)啟動(dòng)時(shí)電壓波形，圖9(b)為穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓波形。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在各種負(fù)載情況下的效率較高，滿載時(shí)效率η=93.6％。

7 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于DSP+μC／OS-Ⅱ的勵(lì)磁系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，成功解決了一系列在單任務(wù)環(huán)境下難以解決的問題，采用次級(jí)帶有源箝位開關(guān)的全橋移相變換電路作為主電路，能使開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)；整個(gè)系統(tǒng)效率滿足勵(lì)磁性能的要求，優(yōu)于勵(lì)磁系統(tǒng)國(guó)標(biāo)性能要求。