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直流調速器|電機原動觸發模塊設計
發布時間 : 2018-06-11 14:17 瀏覽量 : 45

原動仿真系統是電力系統動態模擬的重要設備之一[1],它由數字控制部分、模擬控制部分和主回路組成。數字部分完成原動機調速器的仿真,模擬控制部分、主回路以及直流電動機完成對原動機即水輪機和汽輪機自平衡特性的仿真,它們共同完成原動機及其調速系統的仿真[2],脈沖觸發模塊是數字控制的一部分(以前是由模擬電路產生),它的主要作用是利用軟件控制DSP 產生觸發脈沖去觸發晶閘管,從而產生直
流電動機所需的勵磁電流。
2、脈沖觸發的硬件電路
脈沖觸發電路由脈沖產生電路和放大電路組成[3],其硬件電路如圖1。圖中DSP產生的脈沖信號PWM7~PWM12 經光隔U5 隔離并驅動MOS1 管,MOS1 導通[4],發光二極管LED1 被點亮,脈沖變壓器(原副邊變比2∶1,即如果原邊的脈沖電壓是24V,則副邊脈沖電壓為12V),此脈沖的正負分別加到晶閘管的觸發極(G1)和陰極(K1)便可觸發晶閘管。穩壓二極管Z1、Z2 及二極管D11 的作用是:在MOS1 截止時作為脈沖變壓器原邊線圈的續流元件。D12 保證了G1 點電壓不會低于K1 點,D13 為續流二極管,R25 為限流電阻, C24 在強脈沖產生后可以延長脈沖作用時間,以保證觸發晶閘管時有足夠的脈沖寬度。
由DSP 系統產生六路相位依次相差60 度,由每路脈沖周期為360 度的脈沖信號去觸發主回路的晶閘管,利用TMS320LF2407A 自身的事件管理模塊B 中的PWM7~PWM12來產生脈沖信號[5]。此脈沖信號功率較小,需要進行功率放大才能觸發主回路的晶閘管。

3、 脈沖觸發的軟件設計
晶閘管的觸發可以采用寬脈沖觸發和雙窄脈沖觸發兩種方式。用寬脈沖觸發,觸發可靠性高,適用面寬,但容易使脈沖變壓器飽和,因此要求脈沖變壓器的鐵心體積比較大[6]。用雙窄脈沖電路觸發晶閘管,雖然脈沖次數比寬脈沖觸發多一倍,但是可以減小觸發裝置的輸出功率,減小脈沖變壓器的鐵心體積。本裝置采用雙窄脈沖觸發晶閘管。結合TMS320LF2407A 的內部資源,采用計數器---比較器法。在TMS320LF2407A的每個事件管理器中,有兩個通用定時器,三個全比較單元和三個捕獲單元等。本系
統采用了通用定時器GP3、GP4,捕獲單元CAP1 和三個全比較單元(CMPR4、CMPR5 和CMPR6)。
三個全比較單元中的每一個都由三個寄存器來控制它們的工作狀態,它們是:比較寄存器(CMPRx,x=4、5、6)、比較控制寄存器(COMCONB)以及比較方式控制寄存器(ACTRB)。每個全比較單元具有兩個PWM 輸出引腳,每個引腳的輸出邏輯(高有效、低有效、強制高、強制低)都由比較方式寄存器(ACTRB)中相應的位來控制。全比較單元的時基和相關的PWM 電路的時基由通用定時器GP3 提供。當全比較單元處于PWM 模式,并且其比較操作被使能時,通用定時器GP3 的計數器T3CNT 就不斷地與
比較寄存器(CMPRx,x=4、5、6)進行比較,當發生匹配時,全比較單元通過與其有關的PWM 電路,并根據全比較單元比較方式控制寄存器(ACTRB)所確定的各PWM 引腳的輸出邏輯產生PWM 波形。在本系統中三相全控整流橋需要六路觸發脈沖,調節器中采用的是雙脈沖觸發,因此晶閘管的觸發順序依次為VT6、VT1——VT1、VT2——VT2、VT3——VT3、VT4——VT4、VT5——VT5、VT6[7]。
將PWM7-PWM12 引腳輸出的脈沖分別作為VT1-VT6 的觸發脈沖。采用勵磁電源線電壓UAC 作為同步信號,捕獲單元CAP1 用于捕獲UAC 過零點。全比較單元由GP3 提供時基,捕獲單元由GP4 提供時基。GP3 和GP4 的輸入計數脈沖均為2.5MHz。由于在一個周期內,需要輸出六次脈沖,可以用六個PWM 波來實現。第一個PWM 波的周期為觸發角度的計數值和脈沖寬度的計數值之和,比較值為觸發角度對應的計數值。另外五個PWM 波的周期為:前后兩個PWM 波的觸發角對應的計數值之差與觸發角勵磁電壓周期的1/6 的和,比較值為相應PWM 波的周期與脈沖寬度對應的計數值之差。當勵磁電壓UAC 過零時,進入CAP1 中斷處理程序。在該程序中,首先計算勵磁電壓的周期。然后,判斷是否允許觸發。若不允許,強制使PWM 輸出為低電平,并禁止全比較中斷;若允許觸發,則計算觸發角和脈沖寬度分別對應的計數值,用它們的和加載GP3 的周期寄存器T3PR,用觸發角對應的計數值加載全比較寄存器(CMPRx,x=4、5、6),用當前T4CNT 與本次捕獲值之差加載T3CNT,另外將脈沖個數標志清零,開全比較中斷;當比較匹配時,相應的PWM 引腳電平發生變化,同時進入全比較中斷處理。在該中斷處理程序中,首先將脈沖個數加一,判斷該周期是否完畢。若完畢,則全部PWM 口設置為低電平,同時關閉全比較中斷。若未完畢,用前后兩次PWM 波的觸發角對應的計數值之差與觸發角勵磁電壓周期的1/6 的和加載T3PR。

部分程序如下[8]:
PWM 初始化程序
void pwm_inial()
{
*MCRC=*MCRC | 0X007E; //IOPE1~IOPE6
被配置為基本功能方式,PWM7~PWM12
*ACTRB=0X0666; //PWM12,10,8 低有效,PWM11,9,7 高有效
*DBTCONB=0X00; //不使能PWM 死區控制
*CMPR4=0X1000;
*CMPR5=0X3000;
*CMPR6=0X5000;
*T3PER=0X6000; //設置定時器3 的周期寄存器, 并設置
CMPR4~CMPR6,以確定不同的輸出占空比
*COMCONB=0X8200; //使能比較操作
*T3CON=0X1000; //定時器3 為連續增計數模式
4、程序設計的效果測試
將觸發程序在開發板上運行,該觸發脈沖的精度理論上可以精確到0.008 度。由于是雙脈沖觸發,兩個窄脈沖的前沿相差60 度,脈寬一般為20~30 度,在本系統中采用的是20 度脈寬的脈沖,一共是六路,共12 個脈沖,由EVB 事件管理器的PW7~PWM12產生。
相鄰的兩個PWM 口PWM7 和PWM8 輸出的觸發脈沖波形

同步信號是以UAC 線電壓作為基準的。觸發角為零時(自然換相點)是線電壓的過零點。在進行實驗室調試時,檢測主回路的三相變壓器有大約30 度的時延,考慮到變壓器的時延,為方便調試,將A 相相電壓作為過零點作為同步信號參考點,軟件處理的時候正好可以將A 相過零點作為觸發角為零度的時刻,此時同步電源變壓器一次側接三相變壓器一次側A 相相電壓。在現場運行時,由于三相變壓器的相位差具有不確定性,同步信號需要接UAC,此時同步電源變壓器一次側接三相變壓器,二次側A相和C 相之間的線電壓。
將觸發程序里的觸發角度設置為0 度,用示波器分別對被六路脈沖輸出端觸發后負載兩端進行測量。

5、程序設計中應注意的幾個問題:

(1)在程序設計時,有時會產生第一個脈沖時而變寬,時而變窄的現象,如α =30 度,脈寬為β =20 度不變,但是下一個脈沖間隔變成了α =40 度,這時可使指令執行速度稍微變慢一些,從而使第一個脈沖的下降沿產生后才重新設置新參數。
(2)脈沖在α ≥40 度后,第六個脈沖在下一個過零點被“吃掉”的現象,如α=50 度(觸發角),則第六個脈沖在下一個過零點到來時,會被“吃掉”10 度,到α =60 度時,第六個脈沖只剩下一條線。這是因為在第六個脈沖產生時,比較捕獲同時申請中斷,有時第六個脈沖還沒產生,就已被捕獲中斷里的程序清零;這時的處理辦法是讓第六個脈沖產生完全才開始捕獲中斷。
6、結論
本文主要闡述了脈沖觸發的軟硬件設計,從硬件到軟件的設計、調試運行,都達到了理想的效果。通過現場測試表明,DSP 產生的觸發脈沖經過放大后能讓整套設備正常工作,滿足了設計要求。
本文作者創新點
本文采用高速芯片DSP 代替“模擬電路加芯片(TC787)”來產生脈沖觸發信號,使電路的集成度更高,速度更快;用雙窄脈沖電路觸發晶閘管,可以減小觸發裝置的輸出功率,減小脈沖變壓器的鐵心體積;在程序設計中充分利用了DSP 的事件管理器對事件進行最優化管理的特點,提高了程序的執行效率。

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