摘 要：論述基于DSP +μC/OS-Ⅱ的全橋零電壓零電流開關(guān)（VCS）DC/DC移相變換的勵磁系統(tǒng)的數(shù)字控制實現(xiàn)方法，通過對勵磁電壓、電流的采樣，完成恒勵磁電流、恒功率因數(shù)、恒無功功率的3種雙閉環(huán)PID控制。為了實現(xiàn)對勵磁系統(tǒng)最優(yōu)化控制，將μC/OS-Ⅱ嵌入式系統(tǒng)嵌入到DSP中，在多任務(wù)環(huán)境下對所有任務(wù)的監(jiān)視和調(diào)度，解決單任務(wù)環(huán)境下數(shù)控電源實時性差的問題，實驗表明該勵磁系統(tǒng)的性能相對于晶閘管移相整流勵磁有了明顯提高。

關(guān)鍵詞：DSP；VCS變換器；勵磁；移相

Research of Excitation System of Synchronous Motors Based on DSP+μC/OS-Ⅱ

GUO Dianlin，WANG Yinqiu，SUN Shaojie

(Heilongjiang Institute of Science Technology，Harbin，150027，China

Abstract：The digital control method of excitation system of whole bridge（VCS）DC/DC shifting phase transition which is controlled by DSP + μC/OS-Ⅱ is introduced in the paper，when excitation voltage and current is sampled，double close-loop PID control is utilized to realize three types of control，including constant exciting current，constant power factor and constant reactive power of excitation system.In order to achieve optimization of control，built-in type of operating system of μC/OS-Ⅱ is embedded in DSP to monitor and assign all task under the condition of multi task，resolving the problem which real-time characteristic is difficult.Experiment results show that the performance of excitation system is in evidence improved relatively to phase position controlled bridge of Silicon controlled rectifier.

eywords：DSP;VCS;convertor;excitation;shifting phase

同步電動機(jī)的磁場采用直流勵磁，功率因數(shù)可以超前、滯后或單位功率因數(shù)^［1］，運行中可以向電網(wǎng)饋送無功功率，改善電網(wǎng)功率因數(shù)，并且具有運行穩(wěn)定性好、轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載變化而改變和運行效率高等特點，因此在煤礦等工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用廣泛^［1］。而同步電動機(jī)勵磁對于同步電動機(jī)的運行起到重要作用，傳統(tǒng)勵磁系統(tǒng)采用晶閘管移相全橋電路實現(xiàn)勵磁。該勵磁系統(tǒng)需要用到同步變壓器定相，涉及器件較多，維護(hù)復(fù)雜，影響了勵磁系統(tǒng)的安全運行，而且傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)計在軟件管理上采用單任務(wù)的順序機(jī)制，系統(tǒng)穩(wěn)定性實時性差。

本文提出采用美國德州儀器公司(TI的數(shù)字信號處理器芯片TMS320LF2812作為控制核心，將實時操作系統(tǒng)DSP +μC/OS-Ⅱ，應(yīng)用于DSP的程序設(shè)計中，以次級有源鉗位開關(guān)的零電壓零電流開關(guān)（VCS）DC/DC移相變換全橋電路為主電路，將系統(tǒng)的多個核心任務(wù)由DSP +μC/OS-Ⅱ進(jìn)行調(diào)度并行執(zhí)行，完成3種形式勵磁電流的閉環(huán)控制，為同步機(jī)勵磁系統(tǒng)嵌入式設(shè)計提供一個理想的設(shè)計方案。

1 總體結(jié)構(gòu)

勵磁系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如1所示。包括零電壓零電流開關(guān)（VCS）DC/DC移相變換全橋電路、驅(qū)動電路、滅磁電路、勵磁電壓、電流調(diào)理電路、DSP控制電路、鍵盤及顯示電路、跳閘保護(hù)電路等。

三相交流電源經(jīng)接觸器加到三相整流模塊變?yōu)橹绷?。直流主回路供電加?00 ms的軟啟動，以防高的電壓沖擊，C_i為輸入濾波電容，并起到提高功率因數(shù)的作用。主電路軟啟動接通后，DSP根據(jù)鍵盤設(shè)定的一種調(diào)節(jié)方式，在接受到起勵指令后，輸出規(guī)定勵磁電壓，通過DSP對勵磁參數(shù)測量實現(xiàn)勵磁電流的閉環(huán)控制。保護(hù)電路中設(shè)計輸入過壓、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)和過熱保護(hù)。

3 驅(qū)動信號的實現(xiàn)

驅(qū)動信號生成可通過DSP的事件管理模塊EVA或EVB產(chǎn)生。PWM信號4路驅(qū)動信號占空比均設(shè)置為50%；2組橋臂之間有相位差，相位超前的信號作為超前橋臂信號，相位滯后的信號作為滯后橋臂驅(qū)動信號，利用超前橋臂和滯后橋臂的相移來調(diào)節(jié)占空比。設(shè)置定時器為連續(xù)增減計數(shù)模式，在定時器下溢中斷和周期中斷時分別設(shè)置比較寄存器的值，同時保證同一個比較寄存器在定時器下溢中斷和周期中斷設(shè)置參數(shù)之和等于周期寄存器的值T，這樣就可以使產(chǎn)生的PWM脈沖為50%的占空比^［4］。

設(shè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)所得移相角對應(yīng)比較寄存器的值為x(整數(shù)，周期寄存器的值為T。設(shè)置其中一個比較寄存器在下溢中斷時賦值為0，在周期中斷時賦值為T;另一個比較寄存器在下溢中斷時賦值為x，在周期中斷時賦值為T-x，如圖4所示?？梢钥闯觯谝粋€寄存器的相位相對超前第二個寄存器180°x/T。其中一組驅(qū)動信號在計數(shù)寄存器為0時產(chǎn)生驅(qū)動信號，另一組驅(qū)動信號在0~T之間相對移動。所對應(yīng)寄存器的取值范圍較大，移相范圍是0~180°如圖4所示。

4 控制策略

同步電動機(jī)正常運行時，由DSP完成對勵磁電壓和勵磁電流的采樣，在中斷程序中完成電壓和電流的雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)實現(xiàn)恒流勵磁；系統(tǒng)可以在起動前通過鍵盤設(shè)定選擇系統(tǒng)進(jìn)入同步電動機(jī)的功率因數(shù)調(diào)節(jié)還是恒無功功率運行，系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)將調(diào)度不同的任務(wù)，控制框圖如圖5所示。

5 系統(tǒng)軟件

為了將μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)應(yīng)用于系統(tǒng)，必須先移植操作系統(tǒng)到數(shù)字信號處理器中，移植工作主要有以下幾個部分：

(1 在OS_CPU.H中，定義數(shù)據(jù)類型，開關(guān)中斷函數(shù)已屏蔽編譯器和處理器；定義堆棧的增長方向；定義任務(wù)切換函數(shù)。

(2 在OS_CPU.C中，用C嵌入?yún)R編編寫以下幾個函數(shù)：OStaskstkInit(，OSCtxSw(，OSStartHighRdy(，OSIntCtxSw(，OSTicksr(，OSTaskCreateHook(，OSTaskSwHook(，OSTaskDelHook(，OSTaskstatHook(，OSTimeTickHook(。任務(wù)的全部信息保存在響應(yīng)的任務(wù)塊和堆棧中，因此任務(wù)的切換要處理任務(wù)控制塊和堆棧。涉及任務(wù)控制塊的工作是：保存被切換任務(wù)的堆棧指針到當(dāng)前任務(wù)塊；將當(dāng)前任務(wù)控制塊指向最高任務(wù)控制塊；取出當(dāng)前任務(wù)塊存儲的堆棧地址^［5］。

按系統(tǒng)所要求實現(xiàn)的功能，將整個系統(tǒng)劃分為幾個并行存在的任務(wù)層。占先式操作系統(tǒng)對任務(wù)的調(diào)度是按優(yōu)先權(quán)的高低進(jìn)行，系統(tǒng)的幾個任務(wù)按其優(yōu)先級從高到低順序排列是：保護(hù)任務(wù)、系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)、按鍵查詢?nèi)蝿?wù)、數(shù)據(jù)濾波運算處理任務(wù)、狀態(tài)信息顯示任務(wù)、投勵滅磁任務(wù)。系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)是用來監(jiān)視系統(tǒng)運行狀態(tài)的任務(wù)，其優(yōu)先權(quán)的設(shè)置是按照整個系統(tǒng)運行的時序來確定，對系統(tǒng)安全運行較重要和實時性要求較嚴(yán)格的任務(wù)設(shè)較高優(yōu)先級。中斷服務(wù)程序設(shè)計：軟件中設(shè)置4種中斷；外部中斷、定時器1周期中斷、定時器1溢出中斷，功率驅(qū)動保護(hù)PDPINTA。當(dāng)電源模塊或系統(tǒng)發(fā)生故障，通過硬件電路產(chǎn)生外部中斷，同時將驅(qū)動脈沖封鎖。在外部中斷程序中設(shè)置一個故障標(biāo)志送入監(jiān)視任務(wù)與顯示任務(wù)。周期中斷服務(wù)程序和下溢中斷服務(wù)程序用于產(chǎn)生驅(qū)動信號和閉環(huán)PID控制，周期中斷觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換。下溢中斷服務(wù)程序?qū)Σ蓸又颠M(jìn)行采樣，并送到計算任務(wù)中進(jìn)行各種數(shù)字濾波及計算。系統(tǒng)退出中斷時，內(nèi)核將重新進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。中斷服務(wù)程序的流程圖如圖6所示。

7 結(jié) 語

實驗結(jié)果表明，基于DSP+ μC/OS-Ⅱ的勵磁系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，成功解決了一系列在單任務(wù)環(huán)境下難以解決的問題，采用次級帶有源箝位開關(guān)的全橋移相變換電路作為主電路，能使開關(guān)管實現(xiàn)零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)；整個系統(tǒng)效率滿足勵磁性能的要求，優(yōu)于勵磁系統(tǒng)國標(biāo)性能要求。 

參 考 文 獻(xiàn)

［1］BimalBose.Modern Power Electronic and AC Drives[M].Prentice Hall，1986.

［2］Jung Goocho，Chang-yong Jeong，Lee F .ero-Current-Swithching 11-Bridge PWM Converter Using Secondary Active Clamp［J］.IEEE Trans.on Power Electonics，1998，13(4:601-607.

［3］Cho J G，Sabate J，Hua G，et al.ero Voltage and ero Current Switching Full PWM Converter for High Power Application［A］.In IEEE PESC′94 Rec［C］.1994:102-108.

［4］李凱，郝瑞祥，游杰，等.基于DSP的大功率高頻開關(guān)電鍍電源的研究[J].通信電源技術(shù)，2006，23(1:28-30.

［5］Jean J.Labrosse.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ[M].2版.邵貝貝，譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.