基于DSP的一體化水輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：電能質(zhì)量主要有三個指標(biāo)，即電壓頻率、電壓幅值、相位關(guān)系。然而實(shí)際水力發(fā)電中所產(chǎn)生的電能是不理想的。如果把發(fā)電機(jī)組和智能控制看作整體來設(shè)計(jì)，通過水輪機(jī)光電碼盤傳感器，把速度采集后傳送到DSP芯片，與設(shè)定值進(jìn)行比較，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，輸出對調(diào)速器進(jìn)行控制;同時采集發(fā)電機(jī)輸出端的電壓與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，通過電壓互感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，計(jì)算輸出電壓來控制勵磁電流。從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組優(yōu)化控制，得到較為優(yōu)質(zhì)的電能對社會具有重要意義。

電能由于其生產(chǎn)、使用方便，輸送安全經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)逐漸成為了世界第一能源。并且，電能相較于其他能源具有可再生性，能夠廣泛運(yùn)用于社會生產(chǎn)生活，對社會發(fā)展具有重要意義。電能如此重要，所以我們才需要對其加以控制，使電能更好地方便人們的日常生活、維護(hù)社會的和諧以及國家的穩(wěn)定。我們都知道任何電產(chǎn)品都有關(guān)于額定電壓、電流、功率等相關(guān)指標(biāo)，這也就是說明我們所提供給用戶的電能也應(yīng)該有詳細(xì)的指標(biāo)，即是電能質(zhì)量指標(biāo)。因此，控制發(fā)電源頭，使生產(chǎn)出來的電不斷趨近于合格指標(biāo)然后再并入電網(wǎng)，可以使可用電能得到極大的優(yōu)化。

1 目前水力發(fā)電現(xiàn)狀

從我國的地域資源來看，河流眾多的情況為水利發(fā)電帶來了巨大的潛力，尤其是小型水利發(fā)電。但目前小型水電站綜合自動化程度并不高。在相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟的條件下，研發(fā)高性能、低成本的小水電機(jī)組綜合自動化系統(tǒng)顯得尤為重要。不同結(jié)構(gòu)和功能的水電控制系統(tǒng)已有開發(fā)，如初步研究和探討了水輪發(fā)電機(jī)組綜合控制器理論設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了多CPU實(shí)現(xiàn)的小水電多功能一體機(jī)。其中多CPU的設(shè)計(jì)條理清楚，結(jié)構(gòu)明晰，但這種方案對于小型水電站來說造價(jià)偏高，且多CPU資源不能充分利用。隨著DSP技術(shù)的高速發(fā)展，集機(jī)組保護(hù)、勵磁控制、調(diào)速控制、水機(jī)自動化和通信等功能于一體的綜合控制器更加完善，它既降低了小水電站控制裝置的成本，又提高裝置的可靠性和控制性能指標(biāo)，實(shí)用價(jià)值極高。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的工作原理是：TMS320LF2407DSP芯片是系統(tǒng)中的核心控制，當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時，計(jì)算機(jī)利用串口通信向TMS320LF2407DSP芯片發(fā)送控制指令和參數(shù)，DSP通過中斷的方式接受控制指令和相關(guān)參數(shù)，經(jīng)芯片內(nèi)部運(yùn)算部分運(yùn)算處理后，將接受到的控制指令和參數(shù)轉(zhuǎn)化為同步電機(jī)的執(zhí)行指令，DSP再根據(jù)電機(jī)執(zhí)行指令控制通用輸入/輸出引腳向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出脈沖信號。其中DSP芯片是控制核心，外圍電路可添加顯示器等。該芯片自身帶有A/D轉(zhuǎn)換器、I/O口以及通信接口，還帶有一般控制器并不具備的故障保護(hù)電路、數(shù)字測速以及PWM生成功能，簡化了系統(tǒng)的硬件部分配置。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及PID算法

2.2.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制器的軟件采用C語言編寫，軟件主要由主程序、定時器、中斷程序及PWM脈沖產(chǎn)生中斷程序構(gòu)成。其中，系統(tǒng)初始化程序包括設(shè)置時鐘，初始化I/O口、A/D口及PWM口。主程序在檢測I/O口狀態(tài)后，將其值存入寄存器，當(dāng)中斷來臨時，設(shè)置PID參數(shù)，輸入采樣值，將采樣值與給定值進(jìn)行比較并計(jì)算偏差量，根據(jù)偏差量計(jì)算當(dāng)前時刻控制量，輸出控制值并保持偏差值。

2.2.2 PID算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)

PID調(diào)節(jié)算法適用于模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只能接收數(shù)字量，因此，要想在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，必須把PID算法數(shù)字化，然后才能用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

PID算法數(shù)字化：

式中，T為采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)的精度;E(k)為第k次采樣時的偏差值;E(k-1)為第k-1次時的偏差值;k為采樣序號，k=0、1、2…;P(k)為第k次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出。

由于式(3)的輸出值與閥門開度位置對應(yīng)，因此，式(3)為位置型PID的位置控制算式。

根據(jù)遞推原理，則k-1次的PID輸出表達(dá)式：

令△P(k)=P(k)-P(k-1)，式中Kp、KI、KD與式(5)相同。此式表示輸出一個增量為第k次和k-1次的差值，所以又叫增量型PID控制算式。

3 結(jié)束語

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對于國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高一直具有重大的意義。本設(shè)計(jì)研究主要在于讓原本獨(dú)立考慮的勵磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)結(jié)合起來，通過DSP芯片把獨(dú)立的控制結(jié)合起來根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)控制裝置的協(xié)調(diào)控制的同時提高控制的運(yùn)算速度和精確度，從而生產(chǎn)出滿足生產(chǎn)生活的優(yōu)質(zhì)電能。與過去采用單片機(jī)和CPU來實(shí)現(xiàn)控制和運(yùn)算相比，DSP芯片的運(yùn)用更具有實(shí)用價(jià)值。