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同步電動機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)，并且具有運行穩(wěn)定性好、轉(zhuǎn)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(yè)現(xiàn)場應(yīng)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(tǒng)勵磁系統(tǒng)采用晶閘管移相全橋電路實現(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，維護復(fù)雜，影響了勵磁系統(tǒng)的安全運行，而且傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)計在軟件管理上采用單任務(wù)的順序機制，系統(tǒng)穩(wěn)定性實時性差。 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，將實時操作系統(tǒng)DSP+μC／OS-Ⅱ，應(yīng)用于DSP的程序設(shè)計中，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，為同步機勵磁系統(tǒng)嵌入式設(shè)計提供一個理想的設(shè)計方案。 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，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)測量實現(xiàn)勵磁電流的閉環(huán)控制。保護電路中設(shè)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(lián)電容C1，C2和變壓器的漏感Lk一起實現(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實現(xiàn)零電流導(dǎo)通和關(guān)斷。 3 驅(qū)動信號的實現(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。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(qū)動信號在計數(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(huán)PID調(diào)節(jié)實現(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)進入同步電動機的功率因數(shù)調(diào)節(jié)還是恒無功功率運行，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)的堆棧指針到當前任務(wù)塊；將當前任務(wù)控制塊指向最高任務(wù)控制塊；取出當前任務(wù)塊存儲的堆棧地址。 按系統(tǒng)所要求實現(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)運行的時序來確定，對系統(tǒng)安全運行較重要和實時性要求較嚴格的任務(wù)設(shè)較高優(yōu)先級。 中斷服務(wù)程序設(shè)計：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PDPINTA。當電源模塊或系統(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行采樣，并送到計算任務(wù)中進行各種數(shù)字濾波及計算。系統(tǒng)退出中斷時、內(nèi)核將重新進行任務(wù)調(diào)度。中斷服務(wù)程序的流程圖如圖6所示。 6 實驗結(jié)果 完成系統(tǒng)設(shè)計后在實驗室研制了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(jié) 語 實驗結(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，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)國標性能要求。 |
