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同步電動機的磁場采用直流勵磁，功率因數可以超前、滯后或單位功率因數，運行中可以向電網饋送無功功率，改善電網功率因數，并且具有運行穩定性好、轉速不隨負載變化而改變和運行效率高等特點，因此在煤礦等工業現場應用廣泛。而同步電動機勵磁對于同步電動機的運行起到重要作用，傳統勵磁系統采用晶閘管移相全橋電路實現勵磁。該勵磁系統需要用到同步變壓器定相，涉及器件較多，維護復雜，影響了勵磁系統的安全運行，而且傳統的嵌入式設計在軟件管理上采用單任務的順序機制，系統穩定性實時性差。 本文提出采用美國德州儀器公司(TI)的數字信號處理器芯片TMS320LF2812作為控制核心，將實時操作系統DSP+μC／OS-Ⅱ，應用于DSP的程序設計中，以次級有源鉗位開關的零電壓零電流開關(ZVZCS)DC／DC移相變換全橋電路為主電路，將系統的多個核心任務由DSP+μC／OS-Ⅱ進行調度并行執行，完成3種形式勵磁電流的閉環控制，為同步機勵磁系統嵌入式設計提供一個理想的設計方案。 1 總體結構 勵磁系統總體結構框圖如1所示。包括零電壓零電流開關(ZVZCS)DC／DC移相變換全橋電路、驅動電路、滅磁電路、勵磁電壓、電流調理電路、DSP控制電路、鍵盤及顯示電路、跳閘保護電路等。 三相交流電源經接觸器加到三相整流模塊變為直流。直流主回路供電加入400 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的作用。主電路軟啟動接通后，DSP根據鍵盤設定的一種調節方式，在接受到起勵指令后，輸出規定勵磁電壓，通過DSP對勵磁參數測量實現勵磁電流的閉環控制。保護電路中設計輸入過壓、欠壓保護、過流保護和過熱保護。 2 主電路工作原理 圖2為ZVZCS變換器的主電路圖，并聯電容C1，C2和變壓器的漏感Lk一起實現超前臂開關管VQ1，VQ2的ZVS。通過控制有源鉗位開關VQC來實現滯后臂開關管VQ3，VQ4的ZCS。 圖3為ZVZCS變換器的一個開關周期的主要工作波形。VQ1和VQ2在C1，C2和Lk作用下實現ZVS。T1時刻，變壓器的初級電壓Vab下降為零，此時使VQC導通，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使變壓器初級續流時不會在反方向形成環流，從而使滯后臂開關管VQ3，VQ4實現零電流導通和關斷。 3 驅動信號的實現 驅動信號生成可通過DSP的事件管理模塊EVA或EVB產生。PWM信號4路驅動信號占空比均設置為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動信號，利用超前橋臂和滯后橋臂的相移來調節占空比。設置定時器為連續增減計數模式，在定時器下溢中斷和周期中斷時分別設置比較寄存器的值，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置參數之和等于周期寄存器的值T，這樣就可以使產生的PWM脈沖為50％的占空比。設系統調節所得移相角對應比較寄存器的值為x(整數)，周期寄存器的值為T。設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。可以看出，第一個寄存器的相位相對超前第二個寄存器180°x／T。其中一組驅動信號在計數寄存器為0時產生驅動信號，另一組驅動信號在0～T之間相對移動。所對應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 同步電動機正常運行時，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PID調節實現恒流勵磁；系統可以在起動前通過鍵盤設定選擇系統進入同步電動機的功率因數調節還是恒無功功率運行，系統監視任務將調度不同的任務，控制框圖如圖5所示。 5 系統軟件 為了將μC／OS-Ⅱ實時操作系統應用于系統，必須先移植操作系統到數字信號處理器中，移植工作主要有以下幾個部分： (1)在OS-CPU.H中，定義數據類型，開關中斷函數已屏蔽編譯器和處理器；定義堆棧的增長方向；定義任務切換函數。 (2)在OS-CPU.C中，用C嵌入匯編編寫以下幾個函數：OStaskstkInit()，OSCtxSw()，OSStartHighRdy()，OSIntCtxSw()，OSTicksr()，OSTaskCreateHook()，OSTaskSwHook()，OSTaskDelHook()，OSTaskstatHook()，OSTimeTickHook()。任務的全部信息保存在響應的任務塊和堆棧中，因此任務的切換要處理任務控制塊和堆棧。涉及任務控制塊的工作是：保存被切換任務的堆棧指針到當前任務塊；將當前任務控制塊指向最高任務控制塊；取出當前任務塊存儲的堆棧地址。 按系統所要求實現的功能，將整個系統劃分為幾個并行存在的任務層。占先式操作系統對任務的調度是按優先權的高低進行，系統的幾個任務按其優先級從高到低順序排列是：保護任務、系統監視任務、按鍵查詢任務、數據濾波運算處理任務、狀態信息顯示任務、投勵滅磁任務。系統監視任務是用來監視系統運行狀態的任務，其優先權的設置是按照整個系統運行的時序來確定，對系統安全運行較重要和實時性要求較嚴格的任務設較高優先級。 中斷服務程序設計：軟件中設置4種中斷；外部中斷、定時器1周期中斷、定時器1溢出中斷，功率驅動保護PDPINTA。當電源模塊或系統發生故障，通過硬件電路產生外部中斷，同時將驅動脈沖封鎖。在外部中斷程序中設置一個故障標志送入監視任務與顯示任務。周期中斷服務程序和下溢中斷服務程序用于產生驅動信號和閉環PID控制，周期中斷觸發A／D轉換。下溢中斷服務程序對采樣值進行采樣，并送到計算任務中進行各種數字濾波及計算。系統退出中斷時、內核將重新進行任務調度。中斷服務程序的流程圖如圖6所示。 6 實驗結果 完成系統設計后在實驗室研制了1臺22 kW勵磁系統，主開關器件工作在ZVZCS條件下，開關頻率為20 kHz。開關變壓器的匝數比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開關波形，圖8(b)為VQ3，VQ4的ZCS開關波形。圖9(a)啟動時電壓波形，圖9(b)為穩態時電壓波形。實驗樣機在各種負載情況下的效率較高，滿載時效率η=93.6％。 7 結 語 實驗結果表明，基于DSP+μC／OS-Ⅱ的勵磁系統的嵌入式系統設計，成功解決了一系列在單任務環境下難以解決的問題，采用次級帶有源箝位開關的全橋移相變換電路作為主電路，能使開關管實現零電壓開關和零電流開關；整個系統效率滿足勵磁性能的要求，優于勵磁系統國標性能要求。 |
