基于dSPACE的雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)實(shí)時控制系統(tǒng)研究
1 引言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/90698.htm新型雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子嵌有兩套極數(shù)相同的繞組,一套為功率繞組,輸出端接勵磁電容、整流器負(fù)載;另一套為控制繞組,接勵磁變換器,可為發(fā)電系統(tǒng)連續(xù)調(diào)節(jié)勵磁,保持功率繞組輸出電壓不變。雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真包括發(fā)電機(jī)、功率半導(dǎo)體、控制器、測量裝置等多個數(shù)學(xué)模型。連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真保證積分誤差處于規(guī)定范圍內(nèi),常采用動態(tài)調(diào)節(jié)仿真步長的方法提高仿真速度。在該發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時控制中,控制程序通常運(yùn)行在DSP等嵌入式器件上,在同定的時鐘周期內(nèi)完成控制程序,并對執(zhí)行元件一功率半導(dǎo)體發(fā)出控制信號,這樣就存在諸如中斷延時、執(zhí)行時間、硬件接口、測量誤差等瓶頸問題。解決上述問題的方法是將雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)、功率半導(dǎo)體、傳感器等接人仿真回路,仿真系統(tǒng)按照實(shí)際時間工作,即可滿足實(shí)時性要求。這種半實(shí)物仿真形式也稱為快速控制原型。
本文提出一種基于dSPACE單板系統(tǒng)DS1104試驗(yàn)平臺的離散事件勵磁變換器系統(tǒng)與連續(xù)時間雙繞組發(fā)電機(jī)系統(tǒng)解耦的實(shí)時仿真方法,建立相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)P?,并對一臺雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。
2勵磁系統(tǒng)的控制策略
當(dāng)雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)載發(fā)生變化時,應(yīng)保持輸出電壓恒定,需要調(diào)節(jié)電機(jī)的勵磁無功,同時調(diào)節(jié)控制繞組側(cè)勵磁變換器直流側(cè)電容的有功功率。本文采用控制繞組定子磁場定向控制策略。雙繞組發(fā)電系統(tǒng)勵磁控制原理圖如圖1所示。
整個系統(tǒng)控制分為兩個閉環(huán),其中將功率繞組整流橋輸出端檢測的輸出電壓Upd與所給參考電壓Updref相比較得到誤差信號,經(jīng)PI調(diào)節(jié)器控制后得到參考無功電流分量給定值i*sd,來補(bǔ)償控制電機(jī)所需勵磁無功:根據(jù)控制繞組勵磁變換器直流側(cè)電容的電壓檢測值Ucd與所給參考電壓給定值Ucdref相比較所得的誤差信號,經(jīng)PI調(diào)節(jié)器控制后乘以系數(shù)-1可得到參考有功電流分量給定值i*sq,來補(bǔ)償控制電容CC所需有功功率,其中系數(shù)-1表示有功是從電機(jī)流向勵磁變換器。
3實(shí)時系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
dSPACE實(shí)時仿真系統(tǒng)是基于Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及測試平臺。與Matlab/Simulink完全無縫連接。本文采用的單板系統(tǒng)DS1104是由主處理器、輔助DSP、中斷控制器、儲存器、計(jì)時器以及主機(jī)接口等部分組成。DS1104控制器板使用PowerPC處理器進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算,其主頻為250 MHz,運(yùn)算能力強(qiáng)。DS1104控制器板還集成了TMS320F240DSP為核心的I/O子系統(tǒng),滿足特殊的I/O要求。
dSPACE軟件系統(tǒng)由算法開發(fā)模塊、實(shí)時運(yùn)行模塊以及實(shí)時測試監(jiān)控模塊3部分組成?;赿SPACE的雙繞組發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)包括:
(1)LAB/Simulink模型建立及離線仿真。利用Matlab/Simulink建立雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)仿真對象的數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)控制方案,并對系統(tǒng)離線仿真。
(2)I/O的接入。Matlab/Simulink中保留需要下載至SPACE的模塊,利用硬件接口關(guān)系代替原邏輯連接關(guān)系,配置I/O,設(shè)置軟硬件中斷優(yōu)先級。
(3)利用RTW和dSPACE提供的工具自動生成代碼并下載,將模型轉(zhuǎn)換為實(shí)時仿真機(jī)可運(yùn)行的程序。
(4)dSPACE綜合實(shí)驗(yàn)和調(diào)試。利用ControlDesk獲取實(shí)時仿真數(shù)據(jù)。
功能強(qiáng)大的實(shí)時代碼能實(shí)現(xiàn)軟件RTI與界面友好的試驗(yàn)軟件ControlD-esk,可快速建立雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)實(shí)時控制系統(tǒng)平臺。系統(tǒng)硬件連接原理圖如圖2所示。硬件電路包括由勵磁變換器、發(fā)電機(jī)、整流型負(fù)載組成的主回路,而以DS1104為核心的控制回路包含定子雙繞組電壓、電流檢測,直流母線電壓的檢測電路和保護(hù)電路等。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)含有10路A/D采樣電路,該A/D采樣電路用于采樣控制側(cè)母線電流電壓、控制側(cè)兩相電流(三相中只有兩相電流是獨(dú)立的)、功率側(cè)兩相電流電壓以及功率側(cè)母線電流電壓等。選擇其中所需的采樣通過同軸電纜分別與DS1104的8個ADC單元相連,主要包括:控制側(cè)電流檢測、功率側(cè)電流檢測、控制側(cè)電壓檢測、功率側(cè)電壓檢測。
另外,采用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)綜合處理故障信號。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)含有16個保護(hù)信號輸人,經(jīng)過"相與"后產(chǎn)生一個FAULT信號輸入至DS1104控制器板的主處理器,主處理器產(chǎn)生硬件中斷信號,使程序在Matlab軟件中停止運(yùn)行,同時,還輸出一個BRAKE信號在控制平臺硬件上直接關(guān)閉PWM信號,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺的雙重保護(hù)。這16個保護(hù)信號經(jīng)過處理后輸出14個低電平有效的顯示信號,使對應(yīng)的LED發(fā)光報警。
該控制方案在一臺由三相感應(yīng)電動機(jī)自行改制的1 500 rpm,900 W的小樣機(jī)全數(shù)字控制平臺上進(jìn)行驗(yàn)證,設(shè)計(jì)PI可調(diào)的實(shí)時仿真界面??刂破飨到y(tǒng)周期為80μs,數(shù)字滯環(huán)的寬為0.5 A。
4試驗(yàn)研究
4.1系統(tǒng)自勵建壓
采用105 μF的自勵電容自勵建壓,當(dāng)功率側(cè)直流電壓達(dá)到120 V時即轉(zhuǎn)入控制繞組磁場定向矢量控制,在額定轉(zhuǎn)速空載下的自勵建壓試驗(yàn)波形如圖3所示。
由于整流橋直流輸出側(cè)采用較大的濾波電容,圖3所示的功率側(cè)直流電壓在建壓穩(wěn)定后始終是平直光滑的,幾乎沒有較大波動。
4.2勵磁電容C=105 μF額定負(fù)載時的變速過程
系統(tǒng)帶額定負(fù)載時,轉(zhuǎn)速從1 500 rpm快速增加至2 000 rpm,此過程采用控制繞組的電壓定向控制策略,功率側(cè)直流電壓上升至9 V,約為5.6%,如圖4所示。
額定負(fù)載時變速的控制繞組電壓電流的波形如圖5所示。額定負(fù)載運(yùn)行時,控制繞組線電流滯后于線電壓約120°(相電流滯后于相電壓約90°),由于電壓電流參考方向是按照電動機(jī)慣例。此時控制繞組勵磁變換器具有電容作用,向發(fā)電機(jī)提供所需無功,滿載運(yùn)行時,由于去磁效應(yīng),勵磁電容不能提供發(fā)電機(jī)所需的無功,此時需要控制繞組補(bǔ)償,且隨著轉(zhuǎn)速的升高,發(fā)電機(jī)所需無功下降,控制繞組的電流越來越小,符合電機(jī)轉(zhuǎn)速升高弱磁原理。
5 結(jié)束語
本文采用dSPACE單板系統(tǒng)DS1104試驗(yàn)平臺的離散事件逆變器系統(tǒng)與連續(xù)時間發(fā)機(jī)系統(tǒng)解耦的實(shí)時仿真方法,將雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)-逆變器-傳感器取代數(shù)學(xué)模型,直接置人仿真回路,進(jìn)行半實(shí)物仿真研究,內(nèi)容包括:系統(tǒng)建壓、額定負(fù)載的變速運(yùn)行等,研究結(jié)果表明,將dSPACE應(yīng)用于雙繞組感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)中,有利于縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)成本,提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
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