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1、E I。E C T R I CD R I V E2 0 1 0V 0 1 4 0N o 5电气传动2 0 1 0 年第4 0 卷第5 期基于D S P 的新型柴油发电机励磁控制系统研究汪庆年，李斌，张广栋(南昌大学信息工程学院，江西南昌3 3 0 0 3 1)摘要：在综合分析谐波励磁无刷同步发电机励磁控制系统的基础上，对其励磁控制策略进行了研究，开发了一套基于D S P(T M S 3 2 0 F 2 8 1 2)控制的新型柴油发电机励磁控制系统，该系统采用参数自适应模糊P I D 控制励磁，选用交流采样方式实时检测各信号的瞬时特性，系统仿真结果以及在1 台2 5k W 工频柴油发电机上的试验
2、结果证明了该控制器具有较好的电压调节特性，系统稳态和暂态性能完全满足发电机对励磁系统的要求。关键词：励磁调节；模糊P I D 控制；数字信号处理器；交流采样中图分类号：T P 2 7 2文献标识码：AS t u d yo faN e wT y p eD i e s e lG e n e r a t o rE x c i t a t i o nC o n t r o lS y s t e mB a s e do nD S PW A N GQ i n g n i a n。L IB i n。Z H A N GG u a n g d o n g(C o l l e g e o fI n f o r m
3、 a t i o nE n g i n e e r i n g，N a n c h a n gU n i v e r s i t y，N a n c h a n g3 3 0 0 3 1，J i a n g x i，C h i n a)A b s t r a c t：A c c o r d i n gt ot h eg e n e r a la n a l y s i so ft h ee x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mo ft h eh a r m o n i o u sw a v ee x c i t a t i o nb r u s h
4、 l e s ss y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra n di t sc h a r a c t e r i s t i c s，an e wt y p eo fd i e s e lg e n e r a t o re x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nD S P(T M S 3 2 0 F 2 8 1 2)W f l Sd e s i g n e d A na d a p t i v ef u z z yP I Dc o n t r o lo fe x c i t a t i
5、o ni su s e di nt h i ss y s t e m T od e t e c tt h et r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h es i g n a l si nat i m e l ym a n n e r，A Cs a m p l i n gw a sa p p l i e d T h es y s t e ms i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h et e s t i n gr e s u l t sf r o ma2 5k Wd i e s e lg e n
6、e r a t o r(5 0H z)c a np r o v et h a tt h ev o l t a g er e g u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e ma r ev e r yw e l l，a n db o t ht h es t e a d y s t a t ep e r-f o r m a n c ea n dt h et r a n s i e n tp e r f o r m a n c eo ft h eg e n e
7、r a t o ra r ea l s og o o d K e yw o r d s：e x c i t a t i o nc o n t r o l；f u z z yP I Dc o n t r o l；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r(D S P)；A Cs a m p l i n g1引言同步发电机励磁控制系统，是同步发电机控制系统的重要组成部分，其主要任务是通过调节发电机励磁绕组的直流电流，控制发电机端电压恒定，满足发电机正常发电的需要，同时控制发电机组间无功功率的合理分配。它的性能对同步发电机系统的供电质量及其运行的可靠性和稳定性
8、有着直接影响。随着大规模集成电路和芯片技术的发展，T I 公司推出了一款高性能D S P 处理器芯片T M S 3 2 0 F 2 8 1 2，其主频可达1 5 0M H z(远高于2 4 0 7 的3 0M H z)。由于其运算能力强、片内外设丰富，特别适合于高实时性要求的工业控制场合，应用其作为柴油发电机励磁控制器的处理器将克服传统控制器的应用弊端，并实现其他扩展功能。本文选用T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 作为柴油发电机励磁控制器的微处理器，采用参数自整定模糊P I D 控制策略进行励磁调节，使系统具有很好的控制效果和响应速度，足够的调整容量，运行及凋节过程的良好稳定性。2系
9、统构成基于D S P 的柴油发电机励磁控制系统总体设计方案如图1 所示。控制系统总体分为前端信号采集，A D 转换，测频，I G B T 驱动控制以及L C D 显示、上位机通讯、键盘、报警跳闸等模块。系统采用三相采样方式，对发电机端三相电压和电流同时采样，这种方式能够实时监测三相发电机的输出端电压不平衡状况，比以前采用两相采样更为准确、合理。作者简介：汪庆年(1 9 6 4 一)，男。副教授，硕士生导师，E r a a i l：1 b w a i t i n g b a r y q q c o m6 3万方数据电气传动2 0 1 0 年第4 0 卷第5 期汪庆年，等：基于D S P 的新型柴
10、油发电机励磁控制系统研究柴油机负载铡厶：U蚓幽黼剥掣产稚崔计I I 钋IIL=亍一圈囤圈I圜一一1 2 囤匿固回回I报警跳闸II 上位机ll L C D 显示单元图1 柴油发电机励磁控制系统框图F i g 1T h eb l o c kd i a g r a mo fd i e s e lg e n e r a t o re x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m为了能实时检测各信号的瞬时特性，采用交流采样方式，考虑到励磁控制器电量检测的重要性和其对电量采集精度、速度的较高要求，决定选用外置的6 通道1 6 位模数转换器A D S 8 3 6 4 用
11、于三相电压和电流信号(共6 路)的采样。而对其他信号的检测，由于这些信号不需要太高的精度，使用T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 内部自带的A D C 已经足够了。控制器输出P W M 波形通过改变其占空比来控制I G B T 的通断时间，当I G B T 导通时，在励磁绕组两端(E。和E。端)有电压差，此时励磁绕组上有电流通过，可产生励磁；当I G B T 截止时，E-，E：两端电压差为零，无电势，无法形成回路，不产生励磁。电路中的脉冲频率固定，宽度可调。当发电机端电压在额定值时，脉冲的占空比为5 5；当发电机端电压高于额定值时，减少P W M波占空比，励磁电流减小，使发电机端电压降
12、低，趋于额定值；当发电机端电压低于额定值时，则增大P W M 波的占空比，使端电压升高达到额定值。图2自适应模糊P I D 控制器结构框图F i g ZT h eb l o c kd i a g r a mo fa d a p t i v ef u z z yP I Dc o n t r o l l e r根据系统特点，本系统模糊自适应P I D 控制的基本思想是：当P 0 时，系统输出趋向稳态值的速度越快越好，即应尽快消除偏差，加大偏差的权；当快接近稳态值时，为减少超调，应加大偏差变化的权，适当减小积分作用，以避免积分超调及随之而带来的振荡，有利于控制；当e O，e c O 时，系统输出值已
13、超过稳态值，向偏差增大的方向变化，在此时，控制作用应该尽力减小超调，应加大偏差变化的权；当P 0，e c 0 时，误差开始减少，系统在控制作用下已呈现向稳态变化的趋势，所以控制作用应逐渐减少，以免系统出现回调；当e O，e c O 时，系统出现向下超调，如果下超不太大，即可保持A k。为一个较小值，使系统尽快稳定；在系统进入稳定状态时，恢复调整初始时的P I D 参数。按上述规则可设计出模糊规则表。表1 给出k，的模糊调整规则。裹1t。模糊规则表T a b 1R u l e so ft h ef u z z yc o n t r o lo f pN BN MN sz oP SP MP BN B
14、P BP BP M P MP sz oz oN MP BP BP MP SP Sz oN sN SP MP MP MP Sz oN sN SZ oP MP MP Sz oN sN MN MP SP SP SZ oN sN SN M N MP MP Sz oN sN M N M N MN BP BP BP BP BP 8P BP BP B模糊自适应整定的P I D 数学模型为3励磁控制系统的控制策略 点。雠iA k。)一已(f)G e+G e c X参数自适应模糊P I D 控制器结构如图2 所示，它由模糊控制器和P I D 调节器构成。利用模糊推理判断的思想，根据不同的偏差e 和偏差变化率e
15、c 对P I D 的参数k。，是i，k a 进行在线自整定，能够在不建立精确数学模型的情况下获得良好的控制效果，该控制方式适应性强，具有良好的动态特性和稳态特性以及鲁棒性和容错性。6 4 P(f)-e(t-1)f(e，P c)“(f)一雎p(o)+G 舞，A k p P()+是i(o)+馓i A k Ie(t)d t+队d(o)+G k。A k d d e d t=()+忌i：P(f)出+志8百de(t)kpe=()+忌iJ。“f)出+志8 百式中：k。，k i，为经过模糊P I D 励磁调节器调节万方数据汪庆年等：基于D S P 的新型柴油发电机励磁控制系统研究电气传动2 0 1 0 年第4
16、 0 卷第5 期后的3 个参数修正值；k。(O)，惫i(0)，h a(0)为模糊P I D 励磁调节器的3 个参数的初始值，A k。，志i，A k。为模糊控制器根据实时变化校正的P I D 励磁调节器的3 个参数的变化值；G k。，G k i 和G k。为A k。，A k i，A k d3 个量的比例因子；P(f)为误差值；甜()为最终输出控制量。4 试验及结果分析对于所设计的柴油发电机励磁控制系统，通过大量的仿真和试验来分析和验证其性能。图3与图4 所示为对电机在5S 突减1 0 0 感性负载(c o sp=0 8)的情况下，对未采用和采用模糊P I D技术这两种情况下的电机线电压U。瞬态曲
17、线进行比较。图3 普通P I D 控制突减感性负载曲线F i g 3T h ec u r v eo fc o m m o nP I Dc o n t r o lu n d e rr e m o v i n gw h o l ei n d u c t a n c el o a ds u d d e n l y图4 模糊P I D 控制突减感性负载曲线F i g 4T h ec u r v eo ff u z z yP I Dc o n t r o lu n d e rr e m o v i n gw h o l ei n d u c t a n c el o a ds u d d e n l y
18、模糊P I D 控制可以看作以普通P I D 为主调，模糊控制为辅调的控制方式，最终确定的最佳调节参数为：e=6，G。=0 0 1，G k。=2 0，G k i=2 5，G k d=0，K D o=2 0 0，K i o=3，K d。=0。可以看出，采用参数自适应模糊P I D 控制方法在解决快速性与超调量之间的矛盾方面有着很好的控制效果，而这正是普通P I D 控制方法最大的缺陷。由于模糊P I D 对普通P I D 进行先粗调、再微调的控制方案，使系统稳定能力得到增强，有效提高了稳态控制精度，具有良好的控制性能。此外，还对所设计的励磁控制系统在1 台2 5k W 工频柴油发电机上进行了测试
19、，测试内容为对发电机进行突加、突减负载。在C O S9=I 和C O S9=0。8 两种情况下，分别进行了实验。并使用瞬态波形记录仪记录下电压波形，如图5、图6和图7 所示，最后将其汇总得到参数见表2。图5 突加负载1 0 0 C O S 妒=1，线电压u 曲瞬态曲线F i g 5T h et r a n s i e n tc u r v eo f a tt h et i m eo fl o a d i n gw h o l el o a ds u d d e n l yw i t hC O s 妒一I图6 突减负载5 0，C O Se p=1，线电压瞬态曲线F i g 6T h et r a
20、 n s i e n tc u r v eo fU 曲a tt h et i m eo fr e i n-o v i n gh a l fo ft h el o a ds u d d e n l yw i t hC O S 妒=I图7突加负载1 0 0，C O S 舻一0 8。线电压乩瞬态曲线F i g 7T h et r a n s i e n tc u r v eo fU sa tt h et i m eo fl o a d i n gw h o l el o a ds u d d e n l yw i t hc o s=0 8表2 柴油发电机励磁控制器调节特性裹T a b 2R e g
21、u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd i e s e lg e n e r a t o re x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m励磁控制器各项数据实验项目最低或最高电压V超凋量调节时间s静态误差突加负载1 0 0，5 3 8 93 2 30 2 90 3 6C O S 一I突减负载5 0。5 7 8 5Z 3 20 4 60 3 2s。I突加负载1 0 0。5 0 7 79 0 30 5 30 3 1c o s 5 0 86 5万方数据电气传动2 0 1 0 年第4 0 卷第5 期汪庆年。等
22、：基于D S P 的新型柴油发电机励磁控制系统研究通过表2 可见，柴油发电机突加负载时线电压巩的最大超调量是9 0 3，纯阻性负载情况下的超调量仅2 3 2，调节时间最长也只有0 5 3s。而且由图4 图7 可见，在达到稳定状态后线电压能够稳定在0 5 范围内。5结论本文提出的基于D S P 控制的新型柴油发电机励磁控制系统，采用当前最流行的T M S 3 2 0 F 2 8 1 2作为励磁控制系统的核心，该芯片具有运算速度快、片内外设丰富的特点，非常适合应用于电机控制领域。以此芯片为核心设计的柴油发电机励磁控制系统结构简单、功能完善、稳定性高；励磁控制算法上，采用参数自适应模糊P I D 控
23、制方式，调节快速而准确；扩展性上，能够实时显示各个电力参数，进行在线检测并发出故障报警信号，并能与上位机进行数据交换，实现了对柴油发电机的遥信、遥测和遥控。为了适应以后的发展，需要实现励磁控制系统的网络扩展功能；另外，该控制系统缺少一些限制保护措施，如过流保护电路、短路保护电路、欠压保护电路等；软件设计上，可以考虑增加故障分析功能，提高励磁控制系统的智能化。考虑到机组并网运行的需要，以后的研究内容应该包括机组间的自动切换以及自动调节各机组间无功功率的分配；在多机组通信控制方面，可以考虑利用T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 上的增强型C A N 控(上接第3 5 页)传感器控制存在抖振
24、，以及低速估算性能欠佳的问题，引入了一种新型准滑模观测器算法。仿真和实验结果均表明，该算法通过引入饱和函数和估算反电势的反馈，提高了转子位置估算的精度和低速领域的估算能力。该永磁同步电机无位置传感器的控制方法可以应用于对电机低速运行性能要求不高的场合，可以有效降低系统的硬件成本，并减少P M S M 对工作环境的要求。参考文献 1 W a n gL i m e i，R o b e r tDL o r e n z R o t o rP o s i t i o nE s t i m a t i o nf o rP e r m a n e n tM a g n e tS y n c h r o n
25、o u sM o t o rU s i n gS a l i e n c y-t r a c k i n gS e l f s e n s i n gM e t h o d i C P r o c e e d i n g so fI E E E I A S2 0 0 0A n n u a lm e e t i n g，2 0 0 0：4 4 5 4 5 0 6 6制器模块实现各机组间的信息交换和分布控制，利用C A N 总线的优势保证在恶劣环境下机组间通信的可靠性。参考文献 1 王俊嵌人式网络控制器在柴油智能发电机中的应用 D 南昌：南昌大学，2 0 0 7 2 李紊玲基于D S P 的新型励
26、磁控制系统的研制 D 天津：河北工业大学，2 0 0 7 3 张雄伟，曹铁勇D S P 芯片的原理与开发应用 M 北京t电子工业出版社，2 0 0 0 4 林德杰电气测试技术 M 北京；机械工业出版社，2 0 0 2 5 A p p l i c a t i o nR e p o r t：I n t e r f a c i n gt h eA D S 8 3 6 4t Ot h eT M S 3 2 0F 2 8 1 2D S P(1 i t e r a t u r eN u m b e rS I A A l 6 3)Z T e x a sI n s t r u m e n t sl n c，2
27、 0 0 2 6 D a t a a h e e t：A D S 8 3 6 4，6 C h a n n e l，S i m u l t a n e o u sS a m p l i n gP a r a l l e lA D C，S B A S 2 1 Z T e x a sI n s t r u m e n t sI n c。2 0 0 3 7 王立新，王迎军模糊系统与模糊控制教程 M 北京：清华大学出版社2 0 0 3 I s 刘金琨先进P I D 控制M A T L A B 仿真 M 第2 版北京：电子工业出版社，2 0 0 4 9 韩英铎。谢小荣，崔文进同步发电机励磁控制研究的现状与
28、走向 J 清华大学学报(自然科学版)。2 0 0 1。4 1(4)：1 4 2 1 4 5 1 0 S c h a e f e rRC，K i mK E x c i t a t i o nC o n t r o lo ft h eS y n c h r o n o u sG e n e r a t o r J I E E EI n d u s t r yA p p l i c a t i o n sM a g a z i n e，2 0 0 1，7(2)：3 7 4 3 硬丽百耵忑丽F 而修改稿日期：2 0 0 9-1 1 2 8 2 L uW e n q i，H uY u w e n。H u
29、 a n gW e n x i n，e ta 1 S e n s o r l e s sC o n t r o lo fP e r m a n e n tM a g n e tS y n c h r o n o u sM a c h i n eB a s e do naN o v e lS l i d i n gM o d eO b r v e r C V e h i c l eP o w e ra n dP r o p u l s i o nC o n f e r e n c e V P P C2 0 0 8 I E E E，2 0 0 8：1-4 3 3 宋丹，吴春华，孙承波，等基于滑模观
30、测器的永磁同步电机控制系统研究 J 电力电子技术，2 0 0 7，4 1(3)：9 1 1 4 王成元，夏加宽，杨俊友，等电机现代控制技术 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 6 5 Z h o uF u，L iB e i Z h i，Y a n gJ i a n g u，e ta 1 AS l i d i n gM o d e lS p e e d P o s i t i o nO b e y e rI n t e g r a t e dw i t haP IC o n t r o l l e rf o rP MS y n c h r o n o u sM o r o r s C P r
31、o c e e d i n g so ft h e2 0 0 7I E E EI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nR o b o t i c sa n dB i o m i m e t i c s C h i n aS a n y a，2 0 0 7。1 2：1 3 7 2 1 3 7 7 硬磊百舸互丽F 而修改稿日期：2 0 0 9 1 1 1 1万方数据基于DSP的新型柴油发电机励磁控制系统研究基于DSP的新型柴油发电机励磁控制系统研究作者：汪庆年，李斌，张广栋，WANG Qing-nian，LI Bin，ZHANG Guang-d
32、ong作者单位：南昌大学,信息工程学院,江西,南昌,330031刊名：电气传动英文刊名：ELECTRIC DRIVE年，卷(期)：2010,40(5)参考文献(10条)参考文献(10条)1.王俊 嵌入式网络控制器在柴油智能发电机中的应用 20072.李紊玲 基于DSP的新型励磁控制系统的研制 20073.张雄伟.曹铁勇 DSP芯片的原理与开发应用 20004.林德杰 电气测试技术 20025.Application Report:Interfacing the ADS8364 to the TMS320 F2812 DSP(literature Number SLAA163)20026.Datasheet:ADS8364,6Channel,Simultaneous Sampling Parallel ADC,SBAS21 20037.王立新.王迎军 模糊系统与模糊控制教程 20038.刘金琨 先进PID控制MATLAB仿真 20049.韩英铎.谢小荣.崔文进 同步发电机励磁控制研究的现状与走向 2001(4)10.Schaefer R C.Kim K Excitation Control of the Synchronous Generator 2001(2)本文链接：http:/