基于DSP的發(fā)電機(jī)原動(dòng)系統(tǒng)仿真器設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)
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關(guān)鍵詞：DSP；離散化處理；原動(dòng)系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)特性
0 引言
原動(dòng)系統(tǒng)（包括其調(diào)速系統(tǒng)）是影響電力系統(tǒng)機(jī)電瞬時(shí)過(guò)程一個(gè)重要的因子，不僅可以影響系統(tǒng)頻率和發(fā)電機(jī)有功功率的調(diào)整，而且對(duì)電力系統(tǒng)的瞬時(shí)穩(wěn)定和異步運(yùn)行影響極大。因此，研制原動(dòng)系統(tǒng)仿真器，建立室內(nèi)電力系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)電力系統(tǒng)的真實(shí)原動(dòng)機(jī)（主要是水輪機(jī)和汽輪機(jī)）及其調(diào)速系統(tǒng)與自平衡特性進(jìn)行模擬，是對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行研究的重要工具。早期的原動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)，多采用模擬電路[1，2]，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電子元器件容易老化、易受環(huán)境溫度影響和抗干擾能力差等缺點(diǎn)，且只能模擬原形系統(tǒng)的部分環(huán)節(jié)，難以模仿整個(gè)系統(tǒng)，準(zhǔn)確度不高。本文所闡述的原動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)中采用數(shù)字電路，利用計(jì)算機(jī)軟件去實(shí)現(xiàn)和取代相關(guān)模擬電路的功能，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠；采用液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示各運(yùn)行參數(shù)，用戶操作便捷，顯示直觀。
1 原動(dòng)系統(tǒng)仿真基本原理與數(shù)學(xué)模型
原動(dòng)系統(tǒng)模型原理框圖如圖1。
圖1 原動(dòng)系統(tǒng)原理框圖
各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)[2]如下：
汽輪機(jī) 
水輪機(jī) 
2 控制電路硬件設(shè)計(jì)
同步發(fā)電機(jī)原動(dòng)系統(tǒng)仿真器的基本結(jié)構(gòu)：用直流電動(dòng)機(jī)和晶閘管直流傳動(dòng)系統(tǒng)作為模擬發(fā)電機(jī)的原動(dòng)力。其硬件電路包括一次主回路和微機(jī)控制電路，主回路由整流變壓器、三相全控整流橋和電抗器等組成。微機(jī)控制電路以DSP(Digital Signal Processor)為控制核心。
本系統(tǒng)中DSP采用TI公司的32位浮點(diǎn) TMS320C6711B[3]。TMS320C 6711B采用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，主頻為150MHz，內(nèi)部集成硬件乘法器和累加器,采用流水線VelociTITM甚長(zhǎng)指令字(VLIW)指令,具有豐富的片上外設(shè),并有專門針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的指令系統(tǒng)，運(yùn)算能力可達(dá)1200MFLOPS，能滿足控制系統(tǒng)的要求。
3 微機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)把模擬式調(diào)速器轉(zhuǎn)化為數(shù)字式調(diào)速器，模擬式電流調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)化為數(shù)字式電流調(diào)節(jié)器。用單片機(jī)取代模擬運(yùn)算放大電路，通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)控制特性的仿真。主要包括主程序、調(diào)速器、數(shù)模轉(zhuǎn)換與數(shù)字的讀取、測(cè)速、液晶顯示、按鍵處理、電流調(diào)節(jié)器、移相觸發(fā)和繼電保護(hù)等子程序，各程序采用模塊化編程。其設(shè)計(jì)思想是首先獲得水輪機(jī)、汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以及水汽管道和電流調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型，再進(jìn)行離散化處理，寫出對(duì)應(yīng)的離散化方程，最后運(yùn)用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言進(jìn)行編程。設(shè)計(jì)中將差分法運(yùn)用到了PID控制中。這樣，選擇合適的采樣周期T后，若連續(xù)時(shí)間模型對(duì)應(yīng)的是一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)，那么離散形式也對(duì)應(yīng)一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)[4]給出了錯(cuò)油門環(huán)節(jié)、飛擺環(huán)節(jié)、油動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)、反饋環(huán)節(jié)的連續(xù)模型和離散化方程(差分方程)。
主程序分為兩個(gè)大的部分：開(kāi)機(jī)前的運(yùn)行整定和開(kāi)機(jī)后的運(yùn)行控制。即各運(yùn)行控制參數(shù)的整定計(jì)算和存儲(chǔ)；打開(kāi)中斷，允許中斷服務(wù)程序調(diào)用汽輪機(jī)（水輪機(jī)）調(diào)速器對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度，電樞電流，電樞電壓，勵(lì)磁電流進(jìn)行循環(huán)采樣和監(jiān)測(cè)保護(hù)；實(shí)時(shí)處理用戶的輸入，并根據(jù)用戶要求及時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整；將電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)在LCD上顯示出來(lái)，為用戶提供一個(gè)良好的人機(jī)接口。參考文獻(xiàn)[4,5]給出了主程序、數(shù)字調(diào)速器、數(shù)模轉(zhuǎn)換與數(shù)字的讀取、測(cè)速、液晶顯示、按鍵處理等子程序的設(shè)計(jì)思想及流程圖。
本文主要介紹電流調(diào)節(jié)器、移相觸發(fā)和繼電保護(hù)等子程序的設(shè)計(jì)。
3.1 電流環(huán)子程序
3.1.1電流調(diào)節(jié)器的差分方程
3.1.2電流環(huán)子程序
DSP芯片通過(guò)高速入口捕捉光學(xué)編碼器的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)軟件處理得到實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，對(duì)速度環(huán)節(jié)，依差分方程得出原動(dòng)機(jī)的輸出功率Pm（K）, 以Pm（K）作為電流調(diào)節(jié)器的給定值，按圖3進(jìn)行流程計(jì)算，最后給出一個(gè)和晶閘管延遲角α相對(duì)應(yīng)的控制量Uc（K）。
圖3 電流環(huán)子程序流程圖 圖4 移相觸發(fā)子程序流程圖
3.2移相觸發(fā)子程序
由單片機(jī)產(chǎn)生所需的晶閘管移相觸發(fā)脈沖,必須包括同步電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)、移相延遲角定時(shí)環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖時(shí)序分配環(huán)節(jié)等部分，與模擬電路實(shí)現(xiàn)的方法類似。產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的控制軟件如圖4所示。
3.3繼電保護(hù)子程序
完善可靠的報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)對(duì)于保證試驗(yàn)過(guò)程中的人身和設(shè)備安全具有重要意義，本文重點(diǎn)研究和實(shí)現(xiàn)了完善的保護(hù)功能。主要包括：過(guò)速保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、失磁保護(hù)、仿真器內(nèi)部故障（包括CPU等）、紅外線測(cè)速裝置故障保護(hù)等六個(gè)方面的保護(hù)。保護(hù)動(dòng)作值可以根據(jù)需要進(jìn)行整定。計(jì)算機(jī)對(duì)檢測(cè)到的參數(shù)進(jìn)行判斷和處理，當(dāng)檢測(cè)到控制系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)速、過(guò)流、過(guò)壓、失磁等故障時(shí)，立刻啟動(dòng)保護(hù)電路，使主回路跳閘、迅速切除故障，同時(shí)發(fā)出聲光提示信號(hào)并指明故障類型。以下是采用匯編語(yǔ)言編寫的飛車（失磁）保護(hù)子程序。
ORG 3500H
Excition_lose: LD AX，#C7FFH ；送控制字地址，A1A0=11B
LDB BL，#92H ；輸入控制字，方式0
STB BL，[AX] ；將方式控制字送送端口
DEC AX ；指向C口，A1A0=10B
LDB BL，#04H ;
STB BL，[AX] ；Pc.3=1跳失磁出口保護(hù)繼電器
RET
4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
4.1靜態(tài)性能測(cè)試
切除調(diào)速器，使同步發(fā)電機(jī)有功至滿載運(yùn)行，稍微改變負(fù)載，電動(dòng)機(jī)將出現(xiàn)自平衡狀態(tài)，由此可得到在額定轉(zhuǎn)速附近的M-n曲線，如圖5所示。
圖5模擬原動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性
由圖5可見(jiàn)，模擬原動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性在額定轉(zhuǎn)速附近基本上是線性的，斜率可通過(guò)調(diào)整電流和轉(zhuǎn)速的反饋比來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此直流電動(dòng)機(jī)模型與真實(shí)原動(dòng)機(jī)相同。
4.2 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試
將調(diào)速器投入，使模擬發(fā)電機(jī)正常啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速升至額定值后滿負(fù)荷運(yùn)行，突然100%甩負(fù)荷，記錄轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程，水輪機(jī)的錄波圖（部分）如圖6所示。曲線與同步發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程完全一致。改變某一參數(shù)重復(fù)上述試驗(yàn)，然后進(jìn)行比較，可以得出：τ0和τs中任意一個(gè)加大，動(dòng)態(tài)特性變差，轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程時(shí)間增長(zhǎng)；δ，τw和τrk 中任意一個(gè)加大，動(dòng)態(tài)特性變好，轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程時(shí)間減少。錄波圖所顯示出的水輪機(jī)輸出波形的變化過(guò)程與實(shí)際情況相符，充分體現(xiàn)了電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)再現(xiàn)試驗(yàn)對(duì)象真實(shí)物理過(guò)程的特點(diǎn)。
圖6水輪機(jī)突然100%甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速的暫態(tài)響應(yīng)錄波圖（部分）
5 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的同步發(fā)電機(jī)原動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，以DSP芯片為控制核心，通過(guò)調(diào)速器模型與電流速度雙反饋，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原型調(diào)速器、水汽管道以及自平衡特性的仿真。錄波圖所顯示出的原動(dòng)系統(tǒng)仿真模型動(dòng)態(tài)特性波形的變化過(guò)程及其基本規(guī)律與實(shí)際調(diào)速系統(tǒng)情況相符；改變調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的參數(shù)值，達(dá)到了對(duì)原型調(diào)速器不同參數(shù)下動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行模擬的預(yù)期目的，充分顯示了電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)試驗(yàn)對(duì)象真實(shí)物理過(guò)程的特點(diǎn)。錄波圖證明：該原動(dòng)系統(tǒng)仿真器具有動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，較為準(zhǔn)確地反映了變化參數(shù)對(duì)原動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)的影響。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：（1）采用DSP芯片取代相關(guān)模擬電路或80C196KC芯片的控制功能，突破傳統(tǒng)模擬控制與數(shù)模混合控制模式，簡(jiǎn)化了硬件構(gòu)成，并實(shí)現(xiàn)對(duì)原動(dòng)系統(tǒng)仿真器的全數(shù)字控制。（2）采用液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示各運(yùn)行參數(shù)，用戶操作便捷，顯示直觀。
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