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基于DSP+μC/OS-Ⅱ的勵磁系統(tǒng)的研究

作者: 時間:2008-10-09 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
同步電動機(jī)的磁場采用直流勵磁,功率因數(shù)可以超前、滯后或單位功率因數(shù),運(yùn)行中可以向電網(wǎng)饋送無功功率,改善電網(wǎng)功率因數(shù),并且具有運(yùn)行穩(wěn)定性好、轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載變化而改變和運(yùn)行效率高等特點(diǎn),因此在煤礦等工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用廣泛。而同步電動機(jī)勵磁對于同步電動機(jī)的運(yùn)行起到重要作用,傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)采用晶閘管移相全橋電路實(shí)現(xiàn)勵磁。該勵磁系統(tǒng)需要用到同步變壓器定相,涉及器件較多,維護(hù)復(fù)雜,影響了勵磁系統(tǒng)的安全運(yùn)行,而且傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)在軟件管理上采用單任務(wù)的順序機(jī)制,系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)時性差。

本文提出采用美國德州儀器公司(TI)的數(shù)字信號處理器芯片TMS320LF2812作為控制核心,將實(shí)時操作系統(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種形式勵磁電流的閉環(huán)控制,為同步機(jī)勵磁系統(tǒng)嵌入式設(shè)計(jì)提供一個理想的設(shè)計(jì)方案。

1 總體結(jié)構(gòu)

勵磁系統(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)動電路、滅磁電路、勵磁電壓、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?。直流主回路供電加?00 ms的軟啟動,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,在接受到起勵指令后,輸出規(guī)定勵磁電壓,通過DSP對勵磁參數(shù)測量實(shí)現(xiàn)勵磁電流的閉環(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時刻,變壓器的初級電壓Vab下降為零,此時使VQC導(dǎo)通,使鉗位電容上電壓Vcc反射到初級的Lk上,與因電流減小而產(chǎn)生的電動勢的方向正好相反,因此,使初級電流ILk迅速減小到零,而且由于串入VD1,VD2使變壓器初級續(xù)流時不會在反方向形成環(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)動信號的實(shí)現(xiàn)

驅(qū)動信號生成可通過DSP的事件管理模塊EVA或EVB產(chǎn)生。PWM信號4路驅(qū)動信號占空比均設(shè)置為50%;2組橋臂之間有相位差,相位超前的信號作為超前橋臂信號,相位滯后的信號作為滯后橋臂驅(qū)動信號,利用超前橋臂和滯后橋臂的相移來調(diào)節(jié)占空比。設(shè)置定時器為連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式,在定時器下溢中斷和周期中斷時分別設(shè)置比較寄存器的值,同時保證同一個比較寄存器在定時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)置其中一個比較寄存器在下溢中斷時賦值為0,在周期中斷時賦值為T;另一個比較寄存器在下溢中斷時賦值為x,在周期中斷時賦值為T-x,如圖4所示??梢钥闯?,第一個寄存器的相位相對超前第二個寄存器180x/T。其中一組驅(qū)動信號在計(jì)數(shù)寄存器為0時產(chǎn)生驅(qū)動信號,另一組驅(qū)動信號在0~T之間相對移動。所對應(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

同步電動機(jī)正常運(yùn)行時,由DSP完成對勵磁電壓和勵磁電流的采樣,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)恒流勵磁;系統(tǒng)可以在起動前通過鍵盤設(shè)定選擇系統(tǒng)進(jìn)入同步電動機(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)字信號處理器中,移植工作主要有以下幾個部分:

(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)塊存儲的堆棧地址。

按系統(tǒng)所要求實(shí)現(xiàn)的功能,將整個系統(tǒng)劃分為幾個并行存在的任務(wù)層。占先式操作系統(tǒng)對任務(wù)的調(diào)度是按優(yōu)先權(quán)的高低進(jìn)行,系統(tǒng)的幾個任務(wù)按其優(yōu)先級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)置是按照整個系統(tǒng)運(yùn)行的時序來確定,對系統(tǒng)安全運(yùn)行較重要和實(shí)時性要求較嚴(yán)格的任務(wù)設(shè)較高優(yōu)先級。

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、定時器1周期中斷、定時器1溢出中斷,功率驅(qū)動保護(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,同時將驅(qū)動脈沖封鎖。在外部中斷程序中設(shè)置一個故障標(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)動信號和閉環(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、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22 kW勵磁系統(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)測波形圖。圖7(a)為變壓器初級電壓波形,圖7(b)為變壓器的初級電流波形。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)啟動時電壓波形,圖9(b)為穩(wěn)態(tài)時電壓波形。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);整個系統(tǒng)效率滿足勵磁性能的要求,優(yōu)于勵磁系統(tǒng)國標(biāo)性能要求。

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