基于dSPACE的雙繞組感應(yīng)發(fā)電機實時控制系統(tǒng)研究
1 引言
新型雙繞組感應(yīng)發(fā)電機定子嵌有兩套極數(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)電機系統(tǒng)的數(shù)學仿真包括發(fā)電機、功率半導體、控制器、測量裝置等多個數(shù)學模型。連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學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)的實時控制中，控制程序通常運行在DSP等嵌入式器件上，在固定的時鐘周期內(nèi)完成控制程序,并對執(zhí)行元件-功率半導體發(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、功率半導體、傳感器等接入仿真回路，仿真系統(tǒng)按照實際時間工作，即可滿足實時性要求。這種半實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)電機系統(tǒng)解耦的實時仿真方法，建立相應(yīng)的試驗?zāi)Ｐ?并對一臺雙繞組感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)進行試驗研究。
2 勵磁系統(tǒng)的控制策略
當雙繞組感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速或負載發(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，來補償控制電機所需勵磁無功;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表示有功是從電機流向勵磁變換器。
3 實時系統(tǒng)硬件設(shè)計
dSPACE實時仿真系統(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、計時器以及主機接口等部分組成。DS1104控制器板使用Pow-
erPC處理器進行浮點運算,其主頻為250 MHz,運算能力強。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、實時運行模塊以及實時測試監(jiān)控模塊3部分組成。基于dSPACE的雙繞組發(fā)電機控制系統(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)電機仿真對象的數(shù)學模型，設(shè)計控制方案，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)換為實時仿真機可運行的程序。
(4)dSPACE綜合實驗和調(diào)試。利用ControlDesk獲取實時仿真數(shù)據(jù)。
功能強大的實時代碼能實現(xiàn)軟件RTI與界面友好的試驗軟件ControlD-esk，可快速建立雙繞組感應(yīng)發(fā)電機實時控制系統(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、整流型負載組成的主回路,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電路等。
本系統(tǒng)設(shè)計含有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，采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)綜合處理故障信號。本系統(tǒng)設(shè)計含有16個保護信號輸入，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，實現(xiàn)實驗平臺的雙重保護。這16個保護信號經(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)電動機自行改制的1 500 rpm,900 W的小樣機全數(shù)字控制平臺上進行驗證,設(shè)計PI可調(diào)的實時仿真界面?？刂破飨到y(tǒng)周期為80μs，數(shù)字滯環(huán)的寬為0．5 A。
4 試驗研究
4．1 系統(tǒng)自勵建壓
采用105μF的自勵電容自勵建壓，當功率側(cè)直流電壓達到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波形如圖3所示。
圖3額定轉(zhuǎn)速空載下的自勵建壓試驗波形圖
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=105μF額定負載時的變速過程
系統(tǒng)帶額定負載時，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。
額定負載時變速的控制繞組電壓電流的波形如圖5所示。額定負載運行時，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慣例，此時控制繞組勵磁變換器具有電容作用，向發(fā)電機提供所需無功,滿載運行時，由于去磁效應(yīng)，勵磁電容不能提供發(fā)電機所需的無功，此時需要控制繞組補償，且隨著轉(zhuǎn)速的升高，發(fā)電機所需無功下降，控制繞組的電流越來越小，符合電機轉(zhuǎn)速升高弱磁原理。
5 結(jié)束語
本文采用dSPACE單板系統(tǒng)DS1104試驗平臺的離散事件逆變器系統(tǒng)與連續(xù)時間發(fā)電機系統(tǒng)解耦的實時仿真方法，將雙繞組感
應(yīng)發(fā)電機-逆變器-傳感器取代數(shù)學模型，直接置入仿真回路，進行半實物仿真研究，內(nèi)容包括：系統(tǒng)建壓、額定負載的變速運行等，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)運行的可靠性。
新型雙繞組感應(yīng)發(fā)電機定子嵌有兩套極數(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)電機系統(tǒng)的數(shù)學仿真包括發(fā)電機、功率半導體、控制器、測量裝置等多個數(shù)學模型。連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學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)的實時控制中，控制程序通常運行在DSP等嵌入式器件上，在固定的時鐘周期內(nèi)完成控制程序,并對執(zhí)行元件-功率半導體發(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、功率半導體、傳感器等接入仿真回路，仿真系統(tǒng)按照實際時間工作，即可滿足實時性要求。這種半實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)電機系統(tǒng)解耦的實時仿真方法，建立相應(yīng)的試驗?zāi)Ｐ?并對一臺雙繞組感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)進行試驗研究。
2 勵磁系統(tǒng)的控制策略
當雙繞組感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速或負載發(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，來補償控制電機所需勵磁無功;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表示有功是從電機流向勵磁變換器。
3 實時系統(tǒng)硬件設(shè)計
dSPACE實時仿真系統(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、計時器以及主機接口等部分組成。DS1104控制器板使用Pow-
erPC處理器進行浮點運算,其主頻為250 MHz,運算能力強。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、實時運行模塊以及實時測試監(jiān)控模塊3部分組成。基于dSPACE的雙繞組發(fā)電機控制系統(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)電機仿真對象的數(shù)學模型，設(shè)計控制方案，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)換為實時仿真機可運行的程序。
(4)dSPACE綜合實驗和調(diào)試。利用ControlDesk獲取實時仿真數(shù)據(jù)。
功能強大的實時代碼能實現(xiàn)軟件RTI與界面友好的試驗軟件ControlD-esk，可快速建立雙繞組感應(yīng)發(fā)電機實時控制系統(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、整流型負載組成的主回路,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電路等。
本系統(tǒng)設(shè)計含有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，采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)綜合處理故障信號。本系統(tǒng)設(shè)計含有16個保護信號輸入，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，實現(xiàn)實驗平臺的雙重保護。這16個保護信號經(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)電動機自行改制的1 500 rpm,900 W的小樣機全數(shù)字控制平臺上進行驗證,設(shè)計PI可調(diào)的實時仿真界面?？刂破飨到y(tǒng)周期為80μs，數(shù)字滯環(huán)的寬為0．5 A。
4 試驗研究
4．1 系統(tǒng)自勵建壓
采用105μF的自勵電容自勵建壓，當功率側(cè)直流電壓達到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波形如圖3所示。
圖3額定轉(zhuǎn)速空載下的自勵建壓試驗波形圖
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=105μF額定負載時的變速過程
系統(tǒng)帶額定負載時，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。
額定負載時變速的控制繞組電壓電流的波形如圖5所示。額定負載運行時，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慣例，此時控制繞組勵磁變換器具有電容作用，向發(fā)電機提供所需無功,滿載運行時，由于去磁效應(yīng)，勵磁電容不能提供發(fā)電機所需的無功，此時需要控制繞組補償，且隨著轉(zhuǎn)速的升高，發(fā)電機所需無功下降，控制繞組的電流越來越小，符合電機轉(zhuǎn)速升高弱磁原理。
5 結(jié)束語
本文采用dSPACE單板系統(tǒng)DS1104試驗平臺的離散事件逆變器系統(tǒng)與連續(xù)時間發(fā)電機系統(tǒng)解耦的實時仿真方法，將雙繞組感
應(yīng)發(fā)電機-逆變器-傳感器取代數(shù)學模型，直接置入仿真回路，進行半實物仿真研究，內(nèi)容包括：系統(tǒng)建壓、額定負載的變速運行等，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)運行的可靠性。
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