励磁控制器的设计

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徐 州 师 范 大 学 本科生毕业论文（设计）

论文题目: 励磁控制器的设计 姓 名: 朱 山 青 院 系： 电气工程及自动化学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 07电41 指导老师： 李 旭 超

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摘 要

在发电机的励磁系统中，励磁控制器是其重要的组成部分。它直接影响发电机的运行特性，对电力系统的安全稳定运行有着重要的影响。电力系统规模的不断增大，系统结构和运行方式的日趋复杂，对发电机励磁控制器运行的可靠性、稳定性、经济性和灵活性提出了更高的要求。本文正是根据这些要求以及励磁控制器的国内外发展趋势，研究和设计了以TMS320F2812芯片为控制核心的励磁控制器。

本文首先介绍了励磁控制器的作用及国内外发展现状，分析了励磁控制器所存在的问题。其次，通过各种控制芯片的性能比较，本文最终选择以DSP芯片TMS320F2812作为励磁控制器的硬件核心，进而提出了基于TMS320F2812芯片的励磁控制器的各主要功能模块的软、硬件设计，并给出了部分硬件原理图和软件流程图。

本文充分利用TMS320F2812芯片强大的数据处理能力和丰富的片内外设及高速的实时控制能力，结合外围电路，实现了交流采样、频率测量、移相触发和励磁控制算法等功能。通过初步的分析，基于该芯片的励磁控制器具有硬件结构简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，能满足励磁系统所要求的性能指标。

关键词： 励磁控制器 TMS320F2812 交流采样 移相触发 控制算法

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Abstract

The generator excitation system, excitation controller is an important part. It affects the operation characteristics of generator directly and is very important to safe and stable operation of the power system. With the increasing power of the large scale of the system and the system structure and operation mode of increasingly complicated, the power system requires that the generator excitation controller has higher reliability, stability, economy and flexibility. According to the these requirements, as well as the development trend both here and abroad, this paper researches and designs excitation controller of generator by TMS320F2812 chip as the control center.

This paper firstly introduces the role of excitation controller and the domestic and foreign development situation, analyzes the problems existing in the excitation controller. Secondly, through various control chip performance comparison, this paper finally chooses with DSP chip TMS320F2812 as the hardware core of excitation controller, then put forward the excitation controller based on TMS320F2812 chip of the main function modules of the software and hardware design, and gives part of the hardware diagram and software flow chart.

This paper fully utilize TMS320F2812 chip powerful data processing ability and rich piece of internal and external set and

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high-speed real-time control ability, combining peripheral circuit, realized the AC sampling, frequency measurement, shift trigger pulse and excitation control algorithm, and other functions. Through the preliminary analysis , the excitation controller based on the chip has the characters of simple hardware structure, higher reliability and stronger anti-interference ability and it can satisfy the excitation system required performance indicators.

Key words： Excitation controller TMS320F2812 AC sampling

Phase shifting trigger Control algorithm

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目 录

摘 要 ....................................... I Abstract ..................................... II

1 绪论 ........................................ 1

1.1 引言 ..................................... 1 1.2 励磁控制器的作用 ............................ 1 1.3 励磁控制器的国内外发展现状 ..................... 2 1.4 本论文的主要内容 ............................ 3

2 励磁控制器设计的总体方案 ....................... 4

2.1 励磁控制器的性能指标 ......................... 4 2.2 方案比较及方案选择 ........................... 4 2.3 励磁控制器的总体设计方案 ...................... 5 2.4 本章小结 .................................. 6

3 励磁控制器的硬件设计........................... 7

3.1 励磁控制器的硬件设计框图 ...................... 7 3.2 模拟量输入通道 .............................. 8 3.3 开关量输入输出单元 .......................... 11 3.4 同步检测及移相触发单元 ....................... 14 3.5 其它硬件模块 .............................. 20 3.6 本章小结 ................................. 20

4 励磁控制器的软件设计.......................... 21

4.1励磁控制器软件总体设计思想 .................... 21 4.2 主程序设计................................ 21 4.3 中断程序设计 .............................. 30 4.4 软件可靠性设计 ............................. 40

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4.5本章小结 ................................. 41

5 总结与展望 .................................. 42

5.1 论文总结 ................................. 42 5.2后续工作展望 .............................. 43

致 谢 ........................................ 44 参考文献 ..................................... V

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1 绪论

1.1 引言

随着国民经济的发展及三峡电厂等发电机组的投运，我国电力系统正逐步进入大机组发电、超高压输电和高度自动化的发展阶段。装机容量和电网规模的不断扩大，对电力系统的电压质量及系统稳定的要求越来越高，同时也对发电机的励磁控制提出了更高的要求[1]。电力系统维持稳定运行的能力很大程度上依赖于系统所具备的控制手段，因而研究与设计控制就变得相当重要了。

励磁控制系统通常由两部分构成：一部分是励磁功率单元，其主要功能是向同步发电机的励磁绕组提供可调节的励磁电流；另一部分是励磁控制器，它可根据发电机及电力系统的运行要求，自动调节功率单元输出的励磁电流。

在励磁控制系统中，励磁控制器是极其重要的。整个励磁系统动、静态特性的优劣，很大程度上取决于励磁控制器性能的好坏。本文主要介绍的就是励磁控制器的一种设计。

1.2 励磁控制器的作用

为改善励磁系统的运行特性，提高其反应事故的能力，必须在励磁系统中增设必要的自动控制与自动调节的设备，该设备就是励磁控制器。在现代电力系统中，励磁控制器的作用[4] [6]主要有：

（1）维持发电机机端电压

在发电机正常运行条件下，励磁系统应维持发电机机端电压在给定水平。当电力系统发生短路事故或其它原因致使机端电压严重下降时，它能对发电机强行励磁，以减少电压的下降幅度；当发电机突然甩负荷时能对发电机强行减磁，以限制发电机电压过度升高。

（2）在并联运行的发电机组间合理控制无功功率分配

当母线电压发生波动时，发电机无功电流的增量与电压偏差成正比，与调差系数成反比。故通常希望发电机间的无功电流应按照机组容量的大小成正比地进行调节，即大容量机组担负的无功增量大些，小容量机组负担的无功增量相应小些，让各发电机所发的无功功率得到合理分配。

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（3）提高同步发电机并列运行的稳定性[4]

电力系统的稳定性问题通常分为三类，即静态稳定性,暂态稳定性及动态稳定性问题。发电机在稳态运行时遭受到某种微小的扰动后，能自动回复到原来运行状态的能力称为电力系统的静态稳定性。暂态稳定性是指电力系统受到大干扰作用后能否在新的平衡状态下运行的问题。动态稳定性是指电力系统受到扰动后，恢复原始平衡点（瞬时扰动）或过渡到新的平衡点（大扰动后）的过程稳定性。励磁控制器对这三类稳定性的改善都起到了一定的作用，它是提高发电机并联运行稳定性的重要措施。

(4)励磁控制器其他方面的作用

除上述作用外，励磁控制器还具有改善电力系统的运行条件、加速短路切除后的电压恢复过程、改善电机的起动条件及提高继电保护动作的灵敏度等作用。

1.3 励磁控制器的国内外发展现状

近年来，随着电力系统发展到大电网、大机组、超高压、高度自动化的阶段以及微电子技术、计算机技术及控制技术的迅猛发展和日趋成熟，使得励磁控制器的研究和设计成为一个非常活跃的领域。

我国励磁控制器的研究和设计比较早，80年代初就有一些电力科研单位和高校开始研制励磁控制器[4][8]。第一台投入现场运行的是南京自动化研究所(现国电自动化研究院)研制的适用于大中型发电机的WLT-1型励磁调节器，WLT-1型励磁调节器以8位单板机为核心，采用PID调节方式。福州大学于1990年研制出SMER-C型微机励磁调节器，采用8位8051单片机，具有多种调节、控制和限制功能，用于福建省内的大部分中小型发电机组。中国电力科学研究院与南京自动化设备厂合作研制的WKKL-1型微机双自动励磁调节器选用16位工业控制机CCSDK-86，在控制规律上以PID调节为主，同时引入了电力系统稳定器（PSS）附加控制。清华大学与哈尔滨电机厂合作，研制了全数字式励磁控制器，采用STD总线结构或8098单片机结构，控制规律采用PID调节方式、PSS附加控制、线性最优励磁控制（LOEC）和非线性励磁控制（NEC），四种调节规律具备完善的保护、限制、报警功能。华中科技大学与东方电机股份公司和葛洲坝电厂能达通用电器有限公司合作，开发研制了线性最优和自适应最优微机励磁控制器。

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经过多年的努力，国内的一些院校、研究所和公司在励磁控制器的设计、生产和运行方面已经积累了丰富的经验，励磁控制器的优良性能在实际生产运行中也日益显示出来。

国外的励磁控制器进入实用也是在20世纪80年代，1989年7月日本东芝公司在日本八户发电所投运了双微机系统的数字式励磁控制器；1990年5月加拿大通用电器公司(CGE) 也开发出了励磁控制器；1993年日本三菱公司投运了MEC5000型系列微机励磁调节器。此外，奥地利ELIN公司、德国SIEMENS公司、英国的GEC公司等也都相继生产出微机励磁控制器。这些大公司均具有很强的科研开发能力，励磁控制器所用的计算机系统一般以专用的高速可编程控制器为核心，采用自行研制的专用控制板组成，因而具有结构紧凑，可靠性高的优点。其中，瑞士ABB公司的UNTROL- D型多微机励磁控制器在我国石洞口电厂、李家峡电厂等得到使用；三峡700MW机组的励磁控制器由德国SIEMENS公司提供；加拿大CGE公司生产的SILCO双通道型微机励磁控制器安装在我国隔河岩水电站的进口机组上。这些励磁控制器多采用PID+PSS控制，各种控制、限制功能较完善，装置整体制造水平也较高。

从整体上看，我国在励磁控制器的控制算法方面处于国际的先列，所开发的励磁控制器的功能也非常强大，但装置所选用的元器件的可靠性以及生产制造工艺水平与国外相比还存在一定的差距。

1.4 本论文的主要内容

本论文为了适应今后励磁控制的发展趋势，满足电力系统对励磁控制器性能日益增高的要求，以TMS320F2812作为励磁控制器的核心，利用其强大的运算功能和丰富的软硬件资源，完成励磁控制器的交直流模拟信号调理、开关量调理、.移相触发单元等主要功能模块的硬件及相关软件的设计，关键部分给出了硬件电路原理图和软件流程图。

希望通过对这个课题的深入研究，领悟励磁控制器的控制思想，掌握控制器的开发使用方法，熟悉励磁控制器的设计方法， 最后对本论文的工作进行了总结，并对今后的工作进行了展望。

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2励磁控制器设计的总体方案

2.1 励磁控制器的性能指标

励磁控制器的主要性能指标[12]有：

(1)自并励残压起励：100%残压起励，超调量不大于10%，振荡不大于3次，起励时间可调。

(2)自并励逆变灭磁：灭磁时间小于3s，灭磁过程稳定可靠、无颠覆。 (3)±10%阶跃响应：振荡次数≤2次，调节时间小于2s。

(4)电压/频率特性： 频率每变化1%，机端电压变化不大于额定值的±0.10%。 (5)发电机端电压静差率：±0.5%；可控硅控制角移相范围：15° ~120°可调。 (6)发电机甩额定负荷：电压超调＜15%，振荡1~2次，调节时间小于4s。 (7)发电机调压精度：0.2%；A/D转换分辨率：2~12；调差率：0 ~±30%。 (8)机端电压调节范围：空载：10% ~115%可调；负载：70 %~110%可调。 (9)励磁电流调节范围：空载：5% ~65%可调；负载：30% ~110%可调。

2.2 方案比较及方案选择

根据国内外励磁控制器的发展来看，采用不同的控制核心、不同的硬件平台的各种励磁器具有其各自的优缺点。

采用单片机作为控制核心的励磁控制器具有针对性强、控制功能强、结构简单、体积小、成本低等优势，但是由于励磁装置的开发要设计开发大量的硬件，开发难度大，生产过程受到选择、检测、焊接等限制，造成励磁装置的可靠性低，甚至在运行中出现单片机死机，装置失灵等故障，影响了装置的正常运行，并且早期的单片机励磁装置很难实现友好的人机界面，励磁控制器的研究和开发时间很长。

基于工控机的励磁控制器，其硬件标准化程度高，软件资源丰富，有实时操作系统支持，运行速度快，图文显示方便，但因其装置体积大，成本高，故这样的励磁控制器仅适合大型机组。

基于PLC的励磁控制器以其高可靠性受到一些用户的欢迎，但PLC的核心以8位机居多，且PLC的运算速度较慢，运算量单一，并且其调节控制精度较

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低，难以满足发电机励磁调节中同步信号周期测量及产生可控硅移相触发脉冲的要求，因而有的制造厂家只用PLC来完成某些辅助功能，调节控制的运算通过其它方法来完成。

另外，随着励磁控制器控制算法的不断发展和各种附加控制要求的提出，励磁控制器主控芯片的选择问题须更加慎重。目前大多数励磁控制器的控制核心单元处理速度不能适应这些控制方法对运算速度的要求，这是影响一些先进的励磁控制方法如非线性最优控制应用于实际的一个最大原因。

为了克服上述励磁控制装置中所存在的不足，适应励磁控制器发展的要求，本文采用了一种以TMS320F2812芯片为控制核心的DSP励磁控制器。该控制器较之单片机、工控机、PLC为控制核心的励磁控制器具有以下优点：

（1）数字信号处理能力强。TMS320F2812属于32位的定点DSP，具有哈佛结构、流水线结构、硬件乘法器等特点，这些使得DSP具有单片机及其它处理器无法比拟的数字信号处理能力和运算速度。

（2）硬件电路设计简单。在TMS320F2812内集成有大量的片内外设、两个12位的ADC转换器、PWM电路、增强捕获功能的单元、大容量的存储器，这些为简化硬件电路的设计、进行交流采样、产生移相触发脉冲提供了方便。

（3）网络互连能力强。TMS320F2812芯片具有高速串行并行端口及CAN口，这些可以保证励磁装置与监控设备之间的信息交换，实现网络互连，以满足电厂自动化发展的要求。

（4）性价比高。近年来，各种集成化的单片DSP的性能得到很大改善，价格却大幅度下降，越来越多的用户开始选用DSP器件来提高产品性能。

正是基于上述优点，本文采用TMS320F2812作为控制核心，进行励磁控制器的设计。

2.3 励磁控制器的总体设计方案

由于自并励励磁方式为静态励磁，它与励磁机方式相比没有旋转部件，结构简单、控制方便、运行可靠，已在电力系统中广泛应用，并成为国内外比较推崇的一种励磁方式。本文中设计的励磁控制器主要也是针对这种励磁方式的励磁系统。这种励磁系统的特点是电源取自发电机的机端，经励磁变压器变压后送到整

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流电路整流，变成直流电加到发电机励磁绕组中。其总体结构图如图2-1所示：

CT1DL励磁回路励磁变压器PT1PT2同步测频电路电压调理电路电流调理电路捕获单元CAP1励磁电流励磁电压AD 模 块TMS320F2812 AD模块阻容吸收及压敏保护直流调理电路通用I/O口PWM输出引脚开关量输入输出通道起励回路晶闸管全控桥脉冲放大电路

图2-1 励磁控制系统总体结构图

在发电机正常工作时，励磁电源由励磁变压器提供，经三相全控桥整流后供给发电机励磁电流。控制部分负责将电量采集送入控制器，经控制算法处理后输出控制量，即三相全控桥的触发角。通过改变触发角来控制励磁电流的大小。当发电机机端电压的测量值低于给定值时，增大励磁电流，此时机端电压上升；反之，减小励磁电流，从而达到控制和调节发电机机端电压和无功功率的目的。

2.4 本章小结

本章主要介绍了励磁控制器的相关性能指标和励磁控制器常用设计方案的比较，并最终确立了本文的设计方案。

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3 励磁控制器的硬件设计

3.1 励磁控制器的硬件设计框图

励磁控制器硬件是整个励磁系统的关键，本论文的设计侧重基于励磁控制器的需求和发展趋势，充分利用所选32位DSP芯片TMS320F2812丰富的外设资源，完成励磁控制器各模块的硬件设计。本文设计的励磁控制器主要包括:模拟量输入通道、开关量输入输出单元、同步测频单元、移相触发单元、脉冲故障检测单元等。其硬件总体框图[8]如图3-1所示：

六路触发脉冲输出脉冲功率放大电路脉冲触发单元PWM1~PWM6XA15~XA18XD0~XD7XWE液晶显示单元液晶驱动电路液晶显示A相电压B相电压C相电压同步信号检测电路同步检测单元CAP4~CAP6GPIOA11~GPIOA14键盘驱动电路键盘单元键盘励磁电压励磁电流直流信号调理电路励磁变压器二次侧电流发电机定子电压发电机定子电流模拟量采集ADCIN交流信号调理电路GPIOA6GPIOA712344存储驱动电路存储存储单元开关量输入开关量输入电路GPIOB0~GPIOB7GPIOB11~GPIOB15GPIOA8~GPIOA10开关量输出开关量输出电路开关量输入输出SCITXDBGPIOF0~GPIOF14SCIRXDB串口通信电路串口通信TMS320F2812图3-1 励磁控制器硬件总体框图

串行通信单元

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3.2 模拟量输入通道

TMS320F2812的ADC模块只能转换0~3V的模拟信号，模拟量输入通道的作用就是要将模拟量转换成TMS320F2812所能接收的数字信号。本文所设计的励磁控制器所要输入的模拟信号包括：发电机机端电压、机端电流、励磁电压、励磁电流、电网电压等。

3.2.1 交流信号采集调理电路

发电机机端电压、电流信号分别取自发电机端的电压互感器和电流互感器。电压互感器的输出为0~100V，电流互感器的输出为0~5A，由于电压太高，电流太大，而TMS320F2812的AD输入信号的范围要求为0~3V，所以需要添加交流信号的调理电路以满足AD的要求[11][23]。

在自动控制设备中，常采用电量变送器[6]对输入的模拟量进行测量。电量变送器是一种把某种形式的电量变换成与之成线性关系的直流信号的装置，它的输出通常为0~5V或4~20mA的直流信号。电量变送器接线简单、安装方便，通常这些电量变送器为保证变送电量的精度，会采取很多措施，如在变送器中加入了整流、滤波、补偿等环节，但是这样做使得整个装置的时间常数变大，对于需要快速响应的励磁系统来说是非常不利的。电量变送器一般只能反映被测量的单一信息(如有效值)，丢失了很多有用的信息，不能用于需要采集交流信号瞬时值的控制系统。针对电量变送器的这些缺点，本文采用由运算放大器组成的电平抬升电路作为模拟量输入信号的调理电路，其电路原理图如图3-2、3-3所示：

图3-2 电压输入调理电路

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图3-3 电流输入调理电路

如以上两图所示，第一级采用射级跟随方式提高电路的输入阻抗，第二级为反相器，通过可调电位器调节其放大倍数，第三级电路为对第二级的信号和1.5V电压基准进行反相求和，将输出信号调解到0~3V。

3.2.2直流信号采集调理电路

测量直流信号有多种方案，如采用隔离放大器、霍尔传感器等，本文采用隔离放大器进行测量。在励磁电路里，交流信号可以通过电压互感器将主回路与控制器电路隔离开来，而直流信号励磁电流和励磁电压不能通过互感器，直流信号一般采取线性光耦或直流变送器来进行隔离。本文励磁电流采用线性隔离放大器SLC8000进行隔离,其隔离放大原理如图3-4所示：

图3-4 隔离放大电路原理图

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首先励磁电流经过分流器调整为0~75mV，再通过上图所示的隔离放大电路将其调整为0~3V的电压信号接入TMS320F2812的ADCIN取引脚。励磁电压则通过变送器将其变换为0~5V的电压信号，然后经过电阻分压将其调整到0~3V接入ADCIN引脚。

3.2.3 ADC采样模块

发电机端电压/电流经调理电路后变为峰值为0~3V的信号，接入TMS320F2812的AD通道。F2812的ADC模块有16个通道，可配置为2个独立的8通道模块，分别服务于事件管理器A和B，两个独立的8通道模块也可以级联构成一个16通道模块。TMS320F2812芯片的ADC模块的功能框图如图3-5所示：

系统时钟输出系 统 时 钟高速预订标器C28x模拟复用开关 ADCINA0ADCENCLKHSPCLK结果寄存器结果寄存器 070A8H„„„„ ADCINB0 ADCINB7S/H-B结果寄存器 14结果寄存器 15……12位ADC模块结果寄存器 7…… ADCINA7S/H-A结果寄存器 170AFH7087HS/W ADC 控 制 寄 存 器EVAS/WEVBGPIO/XINT2_ADCSOCSOC排序器 1排序器 2SOC

图3-5 ADC模块的功能框图

ADC模块有两种排序模式：单排序器模式（级联构成16状态）和双排序器模式（两个相互独立的8状态）。在这两种模式下，ADC都可以自动的进行一系列转换操作。每次当ADC收到一个开始转换请求，可以自动地完成多个转换。

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对于每个转换，都可以通过模拟复用器选择16个输入通道中的任一通道进行转换。转换结束后，数字结果将保存到相应的结果寄存器中。用户也可以对同一通道进行多次采样，从而实现过采样算法，这样得到的采样结果比一般的采样结果分辨率要高[6] [10]。

ADC的工作模式有两种：同步采样模式和顺序采样模式。ADC可以同时采样保持两个ADC输入引脚的能力，再分别对采样保持器进行转换，这样就可以同时采集到同一相电压和电流的瞬时值。在采用同时采样模式时应保证一个引脚取自ADCINA0~ADCINA7，另一个引脚取自ADCINB0~ADCINB7，同时这两个输入要有同样的采样保持偏移，也要注意转换结果在结果寄存器中的次序。

3.3 开关量输入输出单元

励磁控制器的开关量输入/输出主要包括：

（1）输入信号：开/停机信号、增/减磁信号、手动/自动开关、灭磁开关合闸信号等。

（2）输出信号：励磁故障、励磁事故、PT断线信号等。

开关量输入输出通道的主要任务就是让TMS320F2812能够获取现场的各种开关状态，以便进行分析判断，并输出相应的开关信号去控制指示灯、继电器及发出报警等。

3.3.1 开关量输入通道

本论文中所设计的励磁控制器的开关量输入通道电路原理如图3-6所示：

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图3-6 开关量输入电路

这个开关量输入通道由总线收发器、光电隔离电路和数据缓冲组成。本文中的励磁控制器采用了总线收发送器74LV245作为TMS320F2812的开关量输入扩展，每一路开关量经光电耦合器隔离后与总线收发送器的B端的一个引脚相连。图3-6所示的是其中一路开关量输入。总线收发送器74LV245的B端口接于TMS320F2812的数据总线上，A端口接于光电耦合器的输出端。由于总线收发送器74LV245具有双向传送数据的功能，其传送方向由DIR端控制，而在开关量输入通道中信号只需要单方向传送，因此在开关量输入通道中，总线收发送器的DIR端接电源，令总线收发送器的数据传送方向为A到B。总线收发送器的使能端G由外部扩展区片选信号和地址线经地址译码器译码后得到的CS_Kin控制信号选通。根据控制电路的地址分配励磁控制器开关量输入、输出通道，开关量输入通道地址存储单元的16位有效数据对应16位开关量，TMS320F2812以访问外部I/O的方式从该地址单元读取相关的开关量状态，以便进行判断处理。

整个开关量输入通道工作原理是：正常工作条件下，当接在光电耦合器输入端限流电阻外侧的开关量为低电平时，光电耦合器的输入端的发光二极管未承受

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正向电压，故不发光，从而导致其输出端的光电三极管不导通。这时在上拉电阻的作用下，总线收发送器的A端引脚呈现为高电平，该电平状态经TMS320F2812读取后存入相应开关量状态变量。同理，当接在光电耦合器输入端限流电阻外侧的开关量为高电平时，光电耦合器输出端的光电三极管就会导通，由于光电三极管饱和导通时，其c e间的电压很小，这时总线收发送器的A端引脚相当于接地，即为低电平，然后F2812控制器就接受外部的命令。

3.3.2开关量输出通道

开关量输出通道电路原理如图3-7所示：

图3-7 开关量输出电路

开关量输出通道同样也采用了总线收发送器74LV245作为TMS320F2812的开关量输出扩展。图3-7中只给出了控制一路指示灯和控制一路继电器的情况。总线收发送器的B端口接于数据总线上，A端口接于光电耦合器的输入端，总线收发送器的DIR端接+5V电源，其数据传送方向为从A到B。开关量输出通道中的总线收发送器的使能端G也由地址线及CS_Kout信号来控制。与开关量输入通道相比，开关量输出通道中多了一个74AHC373锁存器，用于锁存由TMS320F2812发出的数字开关量信号。当TMS320F812通过OUT或IN指令访问开关量输入输出通道时，IS控制线由高变低，与此同时地址线也变成与OUT

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或IN指令中的I/O空间地址相对应的状态，经地址译码器译码后，选通与I/O地址相对应的总路收发送器。对于开关量输入通道来说，当其总线收发送器被选通后，来自光电耦合器的开关量输入信号将通过总线收发送器被送到数据总线上，并在IN指令的作用下被保存到相应的数据存储器单元。而对于开关量输出通道来说，当其总线收发送器被选通后，数据总线上的数据通过总线收发送器被送到74AHC373锁存器的输入端，并在74AHC373的时钟信号下降沿到来时，锁存由OUT指令送出的数据，以驱动相应的指示灯和继电器。

3.4 同步检测及移相触发单元

在励磁系统中，移相触发单元的任务是产生可以改变相位的脉冲，用来触发整流桥中的晶闸管，使触发脉冲的相位及控制角随控制电压的大小而改变，从而达到自动调节励磁的目的。励磁控制器的移相触发单元的组成一般包括同步、移相脉冲形成、脉冲功率放大等几个基本环节。如图3-8所示：

控 制 信 号同步信号同 步移 相 脉冲 形 成脉 冲 功 率 放 大 α去 整 流桥

图3-8 移相触发单元组成框图

同步信号的捕获和移相脉冲的形成由软件实现，而同步信号整形和脉冲功率放大由硬件电路实现。

在现代大中型同步发电机励磁系统中，功率单元基本上都是采用晶闸管整流桥来控制励磁电流的大小。对于不同的接线方式的晶闸管整流电路，由于晶闸管在每个周期内导通的区间不同，故触发电路与主电路之间的相位配合关系也就不同。本文中的主回路采用三相全控桥，如图3-9所示：

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图3-9 三相全控整流电路

在整流工作状态下，共阴极组的晶闸管只有在其阳极电位最高的一段区间内才有可能导通，因此共阴极组的触发脉冲应在这一段区间内发出。三相触发脉冲按+A、+B、+C相的顺序依次相隔120°发出。共阳极组的晶闸管只有在其阴极电位最低的一段区间内才有可能导通，共阳极组的触发脉冲应在这一段区间内发出。三相脉冲按－C、－A、－B相的顺序依次相隔120°发出，这样对于整个三相全控桥来说，六相触发脉冲应按+A、－C、+B、－A、+C、－B的顺序依次隔60°发出。

3.4.1 同步信号的检测

同步整形电路将交流同步电压信号整形成同周期的方波信号，送入励磁控制器的捕获单元，当捕获到方波信号的上升沿时，产生中断请求，作为移相触发脉冲的起点。同步方式可分为两种方式，即单相同步方式和三相同步方式。单相同步方式与三相同步方式相比，单相同步方式简化了硬件电路，减少了中断源，大大提高了系统运行的可靠性，在实际运行中被广泛采用。因此，本文中所设计的励磁控制器采取单相同步方式。

在励磁控制系统中，频率的测量具有重要的地位，实时准确地测量到系统频

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率是实现跟踪采样、脉冲形成以及限制保护的基础。本文中测频电路和同步电路采用同一电路，同步信号检测电路原理图如图3-10所示：

图3-10 同步信号检测电路

该同步检测电路由滤波电路、LM358比较电路、TLP181高速光电隔离器件等元件组成。在同步电压输入到LM358之前，采用了低通滤波电路对输入的同步电压信号进行滤波，滤除同步电压中的高频干扰信号。通过LM358完成同步电压的过零点检测，形成同步方波信号，最后经过光电隔离器件TLP181与DSP进行隔离。

此同步信号既可以作为可控硅触发脉冲的同步信号，又可兼做DSP励磁控制器电量采样的测频信号。同步电压经电压比较器整形成方波，并经过光耦隔离接入TMS320F2812的事件管理器的捕获单元，当CAP口捕获到方波信号的上升沿时，作为移相脉冲的同步信号；当再次捕获到方波信号的上升沿时，记下两次跳变的周期，从而得到当前系统频率。

3.4.2 移相脉冲的形成

脉冲形成环节的作用是在决定了触发脉冲的起始时刻后，由单稳电路产生一定宽度的触发脉冲，并为下一次的触发作好准备，它最终影响着励磁控制系统的性能和安全可靠性。 在可控硅整流系统中，可控硅的触发需要由脉冲移相和脉冲放大两部分组成。脉冲移相触发控制一般有不同方案，例如：用软件中断方法，

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利用外部硬件锁相环电路和比较器实现硬件延时、分相、 利用计数器实现延时等。

本文脉冲的形成和移相[10]是通过TMS320F2812片上的脉宽调制电路（PWM）来实现的，PWM脉冲的产生受片内比较器的比较动作影响，具体的移相触发脉冲的形成由软件完成，具体内容介绍见第四章4.3.2节。

3.4.3 脉冲功率放大电路

功率放大环节的作用是对前面产生的具有一定宽度的触发脉冲进行电流放大，以满足触发电路的要求。PWM电路输出的脉冲功率小，不能够直接驱动可控硅导通，为保证可控硅的可靠触发，触发脉冲应有一定的陡度、幅度和宽度，所以必须添加功率放大模块进行功率放大。对于不同机组，其脉冲形成部分是相同的，但其功率放大部分是有所不同的。本文中采用的是三相全控桥式整流电路，具有六组结构相同的脉冲功率放大电路，每组脉冲功率放大电路原理图如图3-11所示：

图3-11 脉冲功率放大电路原理图

图3-11中为防止干扰，光耦把励磁系统与外部隔离， R2、C1限流并使脉冲前沿变陡。脉冲变压器突然关断时，Dl起到续流的作用，D2与D3用于保护晶闸管触发极，R3为限流电阻，R4和发光二极管LED用于脉冲指示。该电路

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在F2812脉宽调制电路输出的触发宽脉冲基础上，使之变成与之对应的一系列窄脉冲，从而形成脉冲列输出，经功率放大后输出到可控硅的门极，触发相应的可控硅导通。

3.4.4脉冲故障检测单元

励磁控制器的工作是否正常可通过晶闸管触发脉冲的正常与否反映，为保证晶闸管触发脉冲的正常发出，本文的励磁控制器采用了脉冲故障检测单元来检测晶闸管触发脉冲的丢失情况，以便使励磁控制器能及时纠正错误，若是励磁控制器无法恢复的故障，则停止触发脉冲输出，并自动切换到另外一个控制通道，以免损害发电机。F2812片上有一个功率驱动保护引脚(PDINT)，该引脚的状态

为低电平时将会产生一个功率驱动保护中断，若该中断使能位被置位时，F2812的CPU将会响应该中断，使事件管理器模块的所有输出引脚都变为高阻态，从而停止触发脉冲输出。本文就是利用这一引脚将触发脉冲的故障情况传递给CPU以便作进一步处理。脉冲故障检测电路[12]的原理图以及与扩展PDINT连接的情况如图3-12所示：

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图3-12 脉冲故障检测电路图

上图所示的脉冲故障检测单元适用于三相桥式全控整流晶闸管触发脉冲的故障检测，主要部分为可重复触发的单稳态触发器，它由555定时器构成。在图中，最上面的可重复触发的单稳态触发器为+A相晶闸管触发脉冲的脉冲故障检测电路，然后依次下来为B、C相的脉冲故障检测电路。下面以+A相脉冲故障检侧电路为例说明其工作原理。

在电源接通时，在+A相没有触发脉冲的情况下，光电耦合器输出端不导通，电容C1充电，当VC1(55定时器的2脚电压)达到2/3VCC时，555定时器复位，输出引脚3呈低电平，电路进入稳态。此后当+A相出现第一个触发脉冲时，光电耦合器UIA输出端导通，电容C1放电，当C1放电至VC1小于1/3VCC时，555定时器置位，输出为高电平，电路进入暂稳态。当第一个触发脉冲消失后，C1重新充电，如果在VC1未达到2/3VCC之前，+A相又有新的脉冲到来，则光电耦合器输出端导通，C1再次放电，电路仍维持在暂稳态。只有在此后一段时间内，

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+A相没有新的触发脉冲到来时，由于C1充电，故VC1重新达到2/3VCC，电路才回到稳定状态，555定时器输出低电平。其它5相的情况与此类似。由于本文设计的励磁控制器的每一相晶闸管在一个周期内只需触发一次，也就是说同一相的两个连继触发脉冲的间隔约为10ms，为保证在触发脉冲正常发出时，脉冲故障检测单元处于暂稳态，电容C1、C3和C5的充电时间必须大于10ms。它们的充电时间可由式(3-1)整定：

ln31.R1 C tRC （3-1）

式（3-1）中，R、C分别对应图3-14中的R2、R4、R6和C1、C3、C5。 当励磁控制器正常发出触发脉冲时，脉冲故障检测电路的输出引脚都呈高电平(555定时器的3脚处于暂稳态)，四输入与门CD4082的输出为高电平，没有引起功率驱动保护引脚(PDINT)中断。当励磁控制器遇到软件或硬件的问题而致使至少有一相触发脉冲发出不正常时，将会使相应的脉冲故障检测电路的输出引脚呈低电平，与门CD4082输出也为低电平，这将引起PDINT引脚中断，促使F2812在中断服务子程序中做出相应反应。

3.5 其它硬件模块

完成一个完整的励磁控制器的硬件设计，出了上述介绍的各硬件模块外，还应包括液晶显示、键盘、存储等模块。设计键盘可作为运行维护人员向励磁控制器输入数据及控制命令的输入设备，采用显示器可作为显示运行状态和运行结果的输出设备。由于能力有限，这些模块的详细设计将不在本文中体现了。

3.6本章小结

本章首先对励磁控制器的硬件外围电路进行了介绍，接着介绍了各个功能模块的设计思想、电路组成和工作原理。通过硬件电路对励磁控制器的输入信号进行调整，保证了励磁控制器的可靠工作，文中还介绍了移相触发单元的电路设计，利用555定时器设计了简便的脉冲故障检测电路，防止因脉冲丢失而造成励磁功率调节失效，进而影响整个控制器的控制性能。从硬件电路图可看出整个控制器硬件结构简单、功能较为齐全，基本可以完成励磁系统所赋予它的功能要求。

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4 励磁控制器的软件设计

4.1励磁控制器软件总体设计思想

在完善的硬件装置的基础上，励磁控制器的主要功能均通过软件完成。励磁控制器的软件设计是整个励磁控制系统的核心，它关系到励磁控制系统的性能及其功能的实现。在励磁控制器的软件设计中，主要的设计思想有三个方面：一是满足控制的实时性要求；二是软件要充分发挥TMS320F2812指令和硬件特点；三是软件要有很强的灵活性、通用性和可靠性。为了体现以上设计思想，本文中的励磁控制器的软件设计采取了以下措施：

（1）励磁控制器的所有软件设计均采用模块化、子程序化设计思想。根据励磁控制器所要完成的不同功能，将整个励磁控制器的软件划分为主程序和中断服务程序。主程序包括系统初始化模块、电量计算模块、控制调节模块和限制保护模块等，中断服务程序主要包括同步信号捕获中断、移相脉冲中断、AD转换完成中断等。

（2）在程序设计中，能用中断的尽量采用中断方式。但进入中断的时间不易过长，以避免在某一中断处理程序中，因CPU停留时间过长而导致不能及时响应其它中断的请求，使程序出现控制错误。本文的软件设计共使用了四个中断程序完成了大部分主要工作，为CPU节约了部分执行时间。

（3）为了提高整个装置的可靠性和稳定性，在程序中加看门狗中断。

4.2 主程序设计

4.2.1 系统初始化模快

当TMS320F2812上电开始运行前，首先要对系统进行初始化，主要包括下面几点：

（1）TMS320F2812系统时钟的初始化和片内外设时钟的初始化； （2）通用GPIO的初始化； （3）中断向量表的初始化；

（4）ADC模块的初始化，主要包括：AD的启动、AD时钟频率的选择、

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采样模式的选择、采样通道的设定以及AD中断程序的设定；

（5）事件管理器模块的初始化，主要包括捕获单元的设定、通用定时器的设定和中断程序的设定；

（6）电压给定值、励磁电流给定值、PID控制参数的设定等。 主程序的设计流程图如下图所示：

开 始系统初始化开 中 断电量计算控制调节模块限制保护模块等 待 中 断清 除 看 门 狗返 回

图4-1 主程序设计流程图

4.2.2 电量计算模块

电量计算模块须完成以下电量的测量：机端电压、机端电流、电网电压、励磁电流、励磁电压和开关量输入的检测。对于励磁电压和励磁电流可以通过ADC模块对直流调理电路的输出直接测量得到，开关量输入可以通过TMS320F2812的GPIO模块对开关量调理电路的输出直接测量得到。

对于交流信号，本文通过交流采样的方法得到。理想的电压和电流为纯正弦的交流信号[4]，其表达式为：

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u(t)Usin(t （4-1） m i(t)mIsin(t （4-2） 其有效值分别为： U1T1TT0T0u(t)dt （4-3）

2

Ii(t)dt （4-4）

2电网线路中某一相的有功功率和无功功率分别为： P Q1T1T0T0p(t)dtq(t)dt1T1T0T0u(t)i(t)dt （4-5）

)dtTTu(t)i(t2 （4-6）

式中，Um、Im分别表示电压和电流的峰值； 表示角速度； T表示周期；

由于这些信号的瞬时值是随时间变化的交变量，而在实际应用中，计算机所处理的信号均为离散的，因此要对连续的信号进行离散化，即对于周期为T的连续信号，在一个周期内均匀采样N点。所以需要根据不同的算法计算得该信号的各个特征量，比如有效值、平均值、功率等。在励磁系统中需要计算电压和电流的有效值以及有功功率和无功功率。

目前交流采样的算法有很多种，分别应用于不同的场合如最大值算法、单点算法、半周期积分法、两点采样法、傅里叶算法和均方根算法等。前四种算法对输入信号要求较高，在励磁控制的采集电量非严格正弦（含高次谐波）的情况下误差较大。下面对后两种方法加以介绍：

（1）傅氏算法[[8] [19]

在傅氏算法中，对于一个周期为T的信号 f(t)f(tT)，在满足一定的条件下可展开为傅立叶级数，各次谐波为：

f(t)

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a02(an0ncosn0tbnsinn0t) （4-7）

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式中，n为自然数，an和bn分别为n次谐波的余弦和正弦的振幅。其中，

a02TT2T2TT2T2f(t)dt0anbn2T2T2Tf(t)cosn0tdt f(t)sinn0tdt2T2因此基波分量即当n=l时的余弦和正弦系数分别为：

a1

2T2TT2T2Tf(t)cosn0tdt

b12T2f(t)sinn0tdt于是f(t)中的基波分量为：

s0t f(t)1aco1bsin0 t

（4-8）

对式（4-8）进行离散化，积分改为求和。则电压各次谐波的实部和虚部分别为：

实部：uRn2N2NNi1N2ucos(ni) iN2usin(ni) iN

虚部：uXni1

当采样点数n32时，傅式算法计算公式为：

3uucos(uuuu)cos(uuuu)016115173121418301683cos(u3u13u19u29)cos(u4u12u20u28)11645316cos(u5u11u21u27)cos(u6u10u22u26)1687cos(u7u9u23u23)1624

UR （4-9）

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3uusin(uuuu)sin(uuuu)24115173121418308168sin3(uuuu)sin(uuuu)313192941220281164UI（4-10）

5316sin(u5u11u21u27)sin(u6u10u22u26)1687sin(u7u9u23u23)16有功功率P为：

PUARIARU无功功率Q为：

QUAIIARUARIAIUBIIBRUBRIBIUCIICRUCRICI （4-12） 发电机的输出功率S为：SPjQ （4-13） 功率因数为：cos （2）均方根法

在均方根方法中，将式（4-3）和式（4-4）离散化可近似表示为：

U1N1NNAIIUAIBRIBRUIBIBIUICR C U （I4-11）

PPQ22 （4-14）

uK （4-15）

K1N2 IiK12K （4-16）

由式（4-5）可见，有功功率是瞬时功率在一个电网周期T内的平均值，而瞬时功率是同一时刻电压和电流瞬时值的乘积，对电压、电流模拟量进行离散采样后，有功功率可表示为：

P1NNuK1KKi （4-17）

同理分析可知，电网线路中的无功功率可表示为： Q1NNK1uKiKN4 （4-18）

三相功率为各相功率之和。

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式中，N表示采样点数；uK、iK表示同一时第K点电压、电流的采样值；

iKN4 表示第(K即相位上滞后

2N4)采样点电流的采样值，比电压采样值uK滞后电网

14周期，

。

比较上述两种算法，考虑到傅立叶算法的系统开销较大，相对均方根算法而言响应速度较慢，所以本文选用后者，采用32点的均方根算法对AD转换结果进行计算。

4.2.3 控制调节模块

控制算法是励磁控制器的核心，它在硬件支持下完成励磁调节的数据采集、调节算法、控制输出等主要任务。本文设计的励磁控制器采用基本比例-积分-微分（PID）励磁控制算法实现对同步发电机的励磁控制调节，其调节原理图如图4-2所示：

Uf同步U比例P_积分IUg+++微分D综合放大脉冲形成可控硅主回路发电机Uf+V/F限制过励限制欠励限制过压保护PQUf

图4-2 励磁控制器PID调节原理图

图中Uf为机端电压，Ug为电压给定值，P、Q分别表示发电机有功功率和无功功率。由图可知，该励磁控制器以发电机端电压Uf作为反馈量，通过PID调节，从而达到维持发电机端电压恒定的目的。PID控制算法主要有位置式和增量式两种控制算法，下面将分别介绍：

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（1）位置式PID[21]

u(k)Kpe(k)KiT2k[e(j)e(j1)]k0KdT[e(k)-e(k1)] （4-19）

式中，u(k)表示k时刻的输出控制量 e(k)表示k时刻的偏差值 e(k表示k1时刻的偏差值 1)e(j)表示j时刻的偏差值，j0kT

表示采样周期

pK表示比例系数

Ki表示积分系数

Kd表示微分系数

（2）增量式PID

u(k)u(k1)Kp[e(k)e(k1)]KiT2[e(k)e(k1)]KdT[e(k)2e(k1)e(k2)] （4-20）

式中，u(k1)表示k1时的输出控制量。 增量式PID和位置式PID相比，有以下优点：

1)增量型PID控制器只输出增量，误动作影响小，控制作用变化不会很明显，必要时可用逻辑判断的方法去掉；

2)采用增量式PID算法，易于实现手动到自动的无冲击切换；

3)位置型PID每次输出与整个过去状态有关，算式中要用到过去偏差的累加值，因而较易产生较大的积累误差和积分饱和，从而影响控制效果。而增量型PID只需计算增量，算法中不需要做累加，控制增量只跟最近的几个采样值有关，容易通过加权处理获得较好的控制效果，并且消除了当偏差存在时发生饱和的危险。

基于增量型PID具有上述优点，在励磁控制器的设计中，本文采用了增量

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型PID控制算法作为励磁控制调节算法。

4.2.4限制保护模块

励磁限制[24]是励磁控制器的辅助控制环节。同步发电机出于安全稳定运行的需要,要求现代励磁控制器必须配备完善的励磁限制保护功能，包括V/F限制、强行励磁功能、过电压保护、过励限制、欠励限制等。

（1）V/F限制

V/F限制也称磁通限制或低频过励限制，它的作用主要是在机组解列运行时，确保机端电压与其频率的比值不超出安全值。如果比值过高，则发电机及其相连的主变压器的铁芯就会发生磁饱和，使空载激磁电流过大，造成铁芯过热，因此有必要对比值加以限制，其特性曲线如图4-3所示：

UFGUBFG2AUFG1逆变0454750f(Hz)

图4-3 V/F限制关系图

当发电机空载频率高于47Hz 时， 电压给定值不受限制；若频率在45~47Hz之间时，如图中的曲线AB，电压给定值UFGk(f45)UFG1，其中f为发电机频率；当频率小于45 Hz 时，则逆变灭磁。

（2）强行励磁功能

为了防止发电机转子励磁绕组长期过负载造成转子励磁绕组发热，应对发电机进行强行励磁。当强励时,其容许的强励时间随发电机的励磁电流的增大而减小，励磁电流成倍增大，励磁电压也会升高，长期作用会造成发电机损坏。进行

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强励时开始计时，当达到允许强励时间时，励磁电流自动地被减到其长期运行允许的最大值。根据国家有关标准，励磁系统允许强励时间应不小于10秒，最长持续时间可达50秒，并在一次强励后一小时内不再进行强励。

（3）过励限制

在发电机输出一定的有功功率P时，其允许输出的最大滞相无功，受到允许的励磁电流和允许的定子电流两方面的限制。为保证发电机的安全运行，根据发电机的PQ特性曲线，限制发电机在一定的有功功率P下的输出滞相无功负荷如图4-4所示：

QQmax0PxP图4-4 过励限制图

在设计时将PQ曲线以表格形式存放，根据实际的有功功率P，查PQ特性曲线表格得到对应的最大允许无功功率Qmax，如果实际无功功率QQmax且持续20s，则设置过励限制标志，从而驱动过励控制程序使无功功率限制在允许值Qmax内。

（4）欠励限制

欠励限制是用来防止并网运行的同步发电机因励磁电流过度减小而失去同步或因机组过度进相引起发电机定子端部过热。欠励限制曲线如图4-5所示：

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0PQminQ

图4-5 欠励限制曲线图

根据实际的有功功率P，查PQ 特性曲线表格得到对应的最大允许进相无功功率Qmin， 如果实际进相无功功率QQmin,则发电机正常工作；若QQmin，则在极短的时间内，置欠励限制标志，从而驱动欠励控制程序，使进相无功功率限制在允许值Qmin内。

（5）空载过电压保护

当发电机处于零起升压状态或空载运行状态时，为防止励磁控制器故障导致电压过分升高，设置了过电压保护措施，当机端电压达到130 %的额定电压时，程序自动跳灭磁开关,实现事故灭磁。

4.3 中断程序设计

本励磁系统除主程序外，还包括中断服务程序。中断的本意是打断正在进行的工作，转向处理更紧急的时间。本文中中断服务程序主要包括同步信号捕获中断、AD转换完成中断、移相脉冲中断等。

4.3.1 同步信号捕获中断

同步信号捕获中断服务程序须实现测频、启动AD和移相角延时预处理等功能，下面着重介绍机端频率的检测这一功能。

同步测频信号的准确性直接影响励磁控制器的性能，它关系到频率能否准确测量，模拟量能否精确采集以及能否可靠移相，它是保证可控硅可靠、准确导通的基础。在本励磁控制器中，有很多地方需要用到发电机端电压的频率f或周期

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T值，如模拟量的采集、晶闸管触发脉冲的形成和移相等，同时有些控制算法也

要用到发电机端电压的频率f或周期T。在理想状态下，发电机端电压的频率f或周期T应为50Hz或20ms。但实际情况并不是如此，发电机组运行时，其频率不断地发生变化，为了保证机组频率变化时仍能可靠准确地触发可控硅，必须对发电机机端电压频率进行测量。

TMS32F02812的每个EV模块有三个捕获单元，共六个。每个捕获单元有一个两级的FIFO队列。顶栈包括CAP1FIFO、CAP2FIFO和CAP3FIFO或者CAP4FIFO、CAPSFIFO和CAP6FIFO。底栈包括CAP1FBOT、CAP2FBOT和CAP3FBOT或者CAP4FBOT、CAP5FBOT和CAP6FBOT。顶栈的寄存器为只读寄存器，存放较旧的捕获数值，当FIFO顶栈中的旧数值读取了之后，底栈中的新数值将被压入顶栈。当TMS320F2812捕获到捕获引脚有跳变时，相应定时器的计数值装入到相应的捕获寄存器中，这样在中断服务程序中读取FIFO队列中的数值，便可以得到两次中断的周期，进而计算出发电机频率f。使用捕获单元时首先需要对捕获单元的寄存器进行设置，操作的步骤是：

（1）初始化FIFO状态寄存器，并将相应的状态位清0 （2）设置所选通用定时器的操作模式

（3）设置相关通用定时器的比较寄存器和周期寄存器 （4）设置相应的捕获控制寄存器

则相应的初始化设置如下段初始化程序所示： Void init_ Eva (void) {

/﹡ EVA初始化程序：为配置通用定时器2（T2）和捕获单元1(CAP1) ﹡/ // 初始化FIFO状态寄存器，并将相应的状态位清0

EvaRegs.CAP1FIFOA.bit.CAP1FIFO=0； //CAP1FIFO状态位清0 IER|=M_INT3； //允许中断优先级3,CAP1中断为INT3.5 EvaRegs.EVAIMRC.bit.CAP1INT=1；//使能CAP1中断 EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAP1INT=1；//写1清捕获中断标志位 // Initialize EVA Timer2

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EvaRegs.T2PR=0xFFFF；//设定T2周期 EvaRegs.T2CNT=0x0000；//T2计数器清0 //TMODE=10 连续增计数模式 //Timer enable, 输入时钟32分频

EvaRegs.T2CON.all=0x1540；//设定并启动T2 //CAP12EN=01,CAP12TSEL=0,CAP1EDGE=10b

EvaRegs. CAPCONA.all=0x2050；//使能捕获单元1，选择参考时钟为T2， //定义检测沿为上升沿

PieCtrl.PIEIFR3.bit.INTx5=0； //清INT3.5 CAPINT1终端标志位 PieCtrl.PIEACK.all=PIEACK_GROUP3 //允许再次中断响应 PieCtrl.PIEIER3.all=0x0010； //允许CAPINT1中断 }

在同步信号捕获中断服务程序中，首先判断引起捕获单元CAPI中断的信号上升沿是否是同步方波信号的第一个上升沿，若是，则置通用定时器T2的计数寄存器T，CNT为0，并启动通用定时器T2，让其从0开始计数。当CAP1再次捕获到同步方波信号的上升沿时，CPU响应其中断，进入捕获单元CAP1中断处理程序，其程序框图如图4-6所示。

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捕获单元CAP1中断处理程序保护现场除测量周期外的其他程序是启动T2从0开始计数第一个上升沿否读取捕获的T2计数值并置T2CNT=0恢复现场中断返回

图4-6 CAP1中断处理程序

中断服务程序将读出捕获单元CAP1在发生中断时所捕获到的通用定时器T2计数值，存入周期测量结果变量，同时置通用定时器T2的计数寄存器T2CNT为0并启动T2，这时周期测量结果变量中的值就是与发电机端电压频率相对应的周期值N，设计数脉冲的频率为fc，则发电机频率f为：

ffcN （4-21）

4.3.2 移相脉冲中断

如前面的章节中所介绍的，移相触发单元是控制器的关键部件之一，移相脉冲可以通过锁相环硬件电路实现，也可以通过软件定时的方法实现。本文励磁回路采用三相全控桥整流桥，以单相同步，利用软件定时的方法实现脉冲移相触发，

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完成励磁控制器的触发脉冲的形成和移相任务。移相原理如下：首先通过调节运算，得到控制量UC，根据控制量UC和移相角之间的关系便可求出移相角。两者的关系式如式（4-24）所示，依据所测得的发电机频率f，将控制角换算成对应的延时时间ta，再折算成对应的计数器的计数脉冲个数M计数脉冲个数如式（4-25），最后由计数器计数延时，完成数字移相任务。

arccokU （4-22） s(C Mfc360f （4-23）

式中：k表示比例系数

fc表示计数器计数频率

在前面TMS320F2812的介绍中，已经介绍过TMS320F2812芯片具有两个事件管理器，其中各具有6路比较PWM通道、2个16位通用定时器和3个全比较单元。利用DSP芯片来实现脉冲形成及移相的方法是多种多样的，常见的方法是利用全比较单元产生任意PWM波形的功能来形成移相触发脉冲。在本文中，晶闸管触发脉冲的形成和移相使用了其中的通用定时器T1、捕获单元CAPI以及三个全比较单元CMP1、2、3。TMS320F2812的全比较单元是专为电机控制而设置的，通过它可产生任意的PWM波形。下面简单介绍一下全比较PWM 波形的工作原理：

在TMS320F2812中，每个全比较单元都由三个寄存器来控制他们的工作状态，他们是比较寄存器(CMPRx)、比较控制寄存器(COMCON)以及动作控制寄存器(ACTR)。每个全比较单元具有两个CMP/PWM输出引脚，每个引脚的输出逻辑(高有效、低有效、强制高、强制低)都可由ACTR中相应位设置。通用定时器Tl给定了全比较单元的时基和相关的PWM电路的时基。当全比较单元处于PWM模式，同时其比较操作被使能，则比较寄存器的值就不断地与时基计数器的数值进行比较，当两个值匹配时，相关的输出电路就根据ACTR所设定的输出逻辑发生相应的跳变，当到达第二次匹配时，或到达T1周期的末尾时，相关的输出就产生另一次跳变，这样就产生了输出脉冲，图4-7所示的是通用定时器

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T1为连续增计数模式时，在不同的定时器周期值及不同的全比较单元1比较值的情况下，全比单元1的CMP1/PWM1引脚输出波形情况。

定时周期1定时周期2定时周期3比较值匹配点CMP1/PWM1Active 为高有效

图4-7 全比较/PWM波形

由图可以看出当全比较单元1的比较值与通用定时器T1的计数值相匹配时，PWM1引脚输出信号由低变高，在通用定时器T1计数到其周期值时，PWM 1引脚输出信号由高变低。PWM1引脚输出的PWM波形中高电平在通用定时器T1的一个计数周期里出现的时刻由全比较单元1的比较值大小决定，而PWM波形的高电平持续时间则由T1的周期值与全比较单元比较值之差决定。在本文中，就是根据全比较单元这种产生PWM波形的原理来实现可控硅触发脉冲的移相和形成。

本文中由通用定时器T3实现六路移相脉冲，通过TMS320F2812的引脚GPIOAO~GPIOAS发出, GPIOAO~GPIOAS分别对应整流桥中1号~6号可控硅。在系统初始化时对通用定时器T3进行初始化。初始化内容包括：设定通用定时器T3的计数频率为1.5MHz，使能T3的比较操作。励磁控制器根据控制调节单元以及各种保护限制计算得到移相触发角度，根据计算得到的机端频率，由下式计算出移相触发角度的计数器计数值CNT1和60度电角度的计数器计数值

CNT2。

CNT1360ffc （4-24）

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CNT260360ffcfc6f （4-25）

式中：表示触发角 f表示机端频率

fc表示

T3计数频率

本文移相触发的原理为：当捕获到同步信号后，设定T3的比较寄存器T3CMPR和周期寄存器T3PR为CNT1和CNT2，并且使能定时器T3的比较中断。当T3发生比较匹配时，启动T1以及使能PWM(1)输出，复位T3并且使能T3的周期中断，当达到预先设定好的脉冲序列的个数时，停止T1并同时关PWM(l)输出，这样第一路触发脉冲已经完成。当发生T3周期匹配时，重新启动Tl以及使能PWM输出PWM(2)，当达到预先设定好中频脉冲序列的个数时，停止Tl并且关PWM输出，这样第一路触发脉冲己经完成，依次类推，直到六路脉冲全部发出时，停止T4。这样就充分利用了TMS320F2812的片上资源，不需要外扩硬件电路，很方便的就是实现了的移相触发脉冲。移相触发脉冲形成流程图如图4-8所示：

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开 始N捕获中断？Y计算CNT1、CNT2，更新T3PR,T3MPR使能T3比较中断NT3比较中断？Y使能T3周期中断，使能PWM(count)，使能T1周期中断，count++NT3周期中断？Y使能PWM(count)，使能T1周期中断，count++使能T3周期中断Ncount=6?Y关T3周期中断，返回

图4-8 移相触发脉冲形成流程图

在上述的程序流程图中：

count代表所发的是几号脉冲，PWM(l)代表脉冲PWM1和PWM6，PWM(2)代表PWM2和PWM1，PWM(3)代表PWM3和PWM2，PWM(4)代表PWM4和PWM3，PWM(5)代表PWM5和PWM4，PWM(6)代表PWM6和PWM5。

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当触发角60时，此方法可实现六路触发脉冲全部发出，但是当60时，再按照这种方法发触发脉冲就会出现丢脉冲，这种情况是不允许的，因而在程序里应该做出相应的判断，决定发触发的顺序，操作方法如下：

1)当60时，按照正常顺序定时角时间先发PWM(1)，然后延迟60发PWM(2)，再延迟60发PWM(3)，直至发完所有的脉冲。

2)当60时，延迟(60)先发PWM(6)，然后延迟60发PWM(1)，接下来的步骤同以上方法所述。

4.3.3 AD转换完成中断

如前文所述，在励磁控制器中，TMS320F2812芯片要完成对模拟量的采集，要在一个周波内完成N(本文中N取32)次对各路信号的AD转换，且在每次转换完成后，要及时的将各通道励磁控制器软件设计的转换结果从结果寄存器中读出来，存放到变量中，然后再经过均方根算法得到所需模拟量输入的数值。ADC转换完成中断服务程序流程图如图4-9所示。

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A/D 转 换 结 束 中 断保护现场读取A/D转换程序数据处理第32次转换？NY停止T1复 位恢复现场返 回图4-9 ADC转换完成中断服务程序流程图

本文中启动AD的每次转换，采用的是通用定时器T1定时。首先在系统初始化时对ADC模块、事件管理器EVA及通用定时器T2进行初始化。对ADC模块的初始化内容主要包括：设置相应的中断屏蔽和使能寄存器，使能CPU响应AD采样完成中断；设定ADC模块为同步采样模式，可得到同一时刻同一相的电压和电流的瞬时值，消除同一相的电压和电流由AD采样所引起的相位差；设置排序器的工作模式为级连模式；设置AD时钟和采样保持获取时间窗；使能ADC由EVA启动。

完成初始化后，进入主程序。当TMS320F2812捕获到引脚有跳变时转入同步信号捕获中断服务程序，在同步信号捕获中断服务程序中，根据所测得的发电机频率f修改T1的周期寄存器T1PR

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NT32，当T1的计数寄存器的值与周期寄

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存器T1PR的值匹配时，ADC模块响应这个事件，启动AD进行转换采样，采样间隔受发电机频率f影响，随f的改变而改变。这样便由捕获中断启动一个周波内的第一次AD转换，由通用定时器T2完成其余31次的AD转换。

当每次AD转换序列完成时，转入AD转换完成中断服务程序，在中断服务程序中可对采样数据进行读取、处理，判断是否为一周波内的第32次转换采样，如果是第32次转换采样，则停止T2计数，否则继续执行中断程序，最后复位ADC模块准备再次进入中断程序。

4.4 软件可靠性设计

可靠性是实时控制系统性能指标的一个重要组成部分，软件程序的可靠性将直接影响和决定着整个励磁控制系统的可靠性。除了在电参量的计算中取平均值来提高软件的可靠性之外，在本芯片中还有一个硬件看门狗电路用以监视软件和硬件的运行情况。

硬件看门狗（Watch Dog）：程序中启用了TMS320F2812片上的硬件看门狗计数器，监视软件的运行。当被监视软件运行故障时，程序无法及时喂狗，计数器计数溢出，从而输出故障信号，使系统复位。喂狗程序如下：

Void Kick Dog (void) {

EALLOW；

SysCtrlRegs.WDKEY=0x0055； SysCtrlRegs.WDKEY=0x00AA； EDIS； }

监视定时器(WDT)实际上是一个专用定时器，在系统启动时，也启动WDT，则它将对系统的状态周期进行计数，每一个状态周期计数加1。当计数溢出时能自动地使处理器复位，为了防止WDT溢出而造成系统复位，就应该定期地用软件去复位WDT，这就是经常说的“喂狗”。在程序设计时每隔一段程序插入复位WDT指令。一旦软件并不是按照编好的程序循环执行的话，则看门狗电路自动会产生系统复位。

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4.5本章小结

本章系统地介绍了励磁控制器的软件结构及设计思路，软件实现的功能等。结合TMS320F2812的指令及其硬件结构特点，着重阐述了主程序（包括初始化模块、电量计算模块、控制调节模块和限制保护模块）、中断程序(包括同步信号捕获中断、移相脉冲触发、AD转换完成中断等)，对各部分的介绍基本都给出了较完整的流程图。最后对软件可靠性进行了简单的概述，并且进行了软件可靠性设计。

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5 总结与展望

5.1 论文总结

改善发电机系统的励磁控制是保证电力系统稳定运行的最经济和最有效的手段之一，从而励磁控制器的设计一直是一个非常活跃的研究领域。在总结和借鉴已有励磁控制器的基础上，本文采用TI公司推出的TMS320F2812芯片作为励磁控制器的控制核心，研究了励磁控制器的硬软件设计。以下是对本论文工作的一个总结：

（1）在对国内外大量励磁控制产品分析和研究的基础上，本文对励磁控制器的作用，励磁控制器的发展现状进行了较为全面的整理和总结， 明确了励磁控制器设计的方向和任务。

（2）采用TMS320F2812芯片作为励磁控制器的控制核心，它以其强大的数字信号处理能力在同步发电机励磁控制中表现出巨大的潜能，使励磁控制器的同步信号捕获、PWM控制电路的设计得以简化，为以后越来越复杂的励磁控制算法提供了一种解决方案，使励磁控制器的设计向硬件集成化、功能软件化的目标更进一步。

（3）设计了AD采样的信号调理电路，采用TMS320F2812高速的片内A/D转换器件，避免了因采样及转换速率太低而引起的相电压与电流之间的相角差，从而让计算出来的有功功率、无功功率及功率因数等参数更接近于真实值。同时采用均方根算法完成了电气量的计算，省去了电量变送器，提高了励磁控制器的调节速度，节省了成本，简化了外围硬件电路，大大提高了电路的可靠性。

（4）设计了同步测频调理电路，利用TMS320F2812芯片事件管理器中的捕获单元和定时器，完成了发电机频率的测量和同步信号的检测。采用PID控制算法完成了恒机端电压调节，利用TMS320F2812事件管理器中的定时器T3以及PWM功能形成移相触发脉冲并且移相触发角能够跟随发电机频率的变化而变化，实现方法简单，可靠性高。

（5）完成了励磁控制器基本功能的软硬件设计，并给出了硬件原理图和软件流程图，且采用了模块化设计思想，结构简洁、条理清晰。软件应用程序由主程序和中断程序两部分组成，完成频率检测、调节控制、限制保护、移相触发等

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励磁控制的主要功能，这种软件结构有利于减少系统开销，提高程序效率。

（6）整个控制器的结构简单紧凑，硬件集成度高，抗干扰能力强，能够完成励磁系统所要求的功能，提高了励磁系统的性价比。

5.2后续工作展望

本文尝试利用TMS320F2812 芯片为控制核心设计励磁控制器，虽然完成了基本功能的软硬件设计，但受时间及个人能力所限，只完成了励磁控制器的部分软硬件设计，其它部分如键盘输入、显示等人机接口模块虽然已经在整体框图中体现，但是未进行设计完成，因此在很多方面还有待于进一步去完善。现将本文存在问题以及需要进一步增加的功能加以概括总结：

（1）控制算法有待进一步改进，TMS320F2812芯片具有强大的数据处理能力，它为实现复杂的控制算法提供了可能，以后应对传统的PID算法进行改进，进一步提高励磁控制器的性能。另外，各种限制保护功能也有待于进一步开发和完善。

（2）TMS320F2812具有串行通讯及外设接口、CAN总线接口及外部存储器接口等，易于实现人机界面的设计与开发，因此在下一步的工作可以把键盘输入、显示等人机界面的设计与开发整合进产品里面。

（3）在本文工作的基础上，须进一步完善和丰富这种励磁控制器的硬件结构和控制功能，对于各种可能的干扰，从硬件和软件上考虑对它们进行抗干扰的措施，提高其可靠性。

（4）在励磁控制器的软硬件进一步完善后，应进行现场工业化试验研究。 本次设计中难免存在缺点和不足，请各位老师和同学批评指正。

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致谢

首先感谢我的指导老师李旭超老师，本文从前期选题到最后完成，这整个过程都是在李旭超老师的悉心指导和严格要求下进行的。从李老师渊博的知识、丰富的经验、严谨的治学态度以及在生活上平易近人的作风中，我学会了做学问、做事和做人的重要态度和基本方法，这将使我终身受益。值此论文完成之际，谨向李老师表示崇高的敬意，衷心地感谢他这两个多月来对我的培养和关怀。

再者，我要感谢感谢电气工程及自动化学院的各位老师，感谢他们诲人不倦，把知识毫无保留地传授给我们，更感谢他们在我的为人处事上给予的教诲。

我也深深的感谢我的父母和家人对我的支持，使我能够专心的在学校完成我的学业。他们一直使我坚强的后盾，他们的关心和鼓励给了我不断进步的动力和决心！

最后，向对所有评阅本论文和参加答辩的老师、教授一并致以诚挚的谢意，感谢你们为我审阅论文并为本文提出的宝贵的意见。

在即将走出校园迈入社会之际，我再一次衷心地感谢所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友们！

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