長(zhǎng)江三峽能事達(dá)電氣股份有限公司 余 翔，樂緒鑫，趙先元，蘇 慧

1 引言

常規(guī)的微機(jī)勵(lì)磁控制器所選擇CPU時(shí)需要在可靠性、功能、性能等多種因素之間進(jìn)行權(quán)衡，但因?yàn)樾阅芊矫娴囊螽?dāng)前大部分微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器選用了專門定制的CPU模塊[1]。這些CPU模塊生產(chǎn)批量小，在元器件篩選、生產(chǎn)工藝及老化方面有所欠缺，其可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于成熟的PLC模塊。定制的CPU模塊另一個(gè)缺點(diǎn)是擴(kuò)展性差，所擁有的外設(shè)資源在完成設(shè)計(jì)時(shí)就已固定。而用戶的需求是多種多樣的，如果原有的配置不能滿足，那么擴(kuò)展資源往往需要付出極大的代價(jià)。文獻(xiàn)[2]中的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為了擴(kuò)展電氣制動(dòng)功能就不得不額外增加了一套PLC模塊進(jìn)行開關(guān)控制。

PLC模塊可靠性高，擴(kuò)展簡(jiǎn)單方便，所以勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制方案中開始逐漸引入PLC模塊以進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性[3]。但是主要面向邏輯控制的PLC模塊，以定時(shí)循環(huán)的形式執(zhí)行任務(wù)，沒有開放中斷功能，所以這些方案中交流采樣、脈沖生成等此前需要在中斷中完成的任務(wù)都交由外部硬件執(zhí)行[4][5]。這種多CPU協(xié)作的控制方案硬件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，增加了控制的時(shí)滯，影響了勵(lì)磁系統(tǒng)的性能。另外外部硬件的可靠性仍然達(dá)不到PLC模塊的水平，拖累了勵(lì)磁系統(tǒng)整體的可靠性。

PCC（Programmable Computer Controller）是奧地利貝加萊公司生產(chǎn)的可編程控制器，不僅繼承了PLC的高可靠性，還可以間接獲得實(shí)時(shí)響應(yīng)的能力，完成單片機(jī)在中斷服務(wù)中實(shí)現(xiàn)的功能[6]。文獻(xiàn)[7][8]中均使用PP41作為CPU模塊，通過TPU函數(shù)實(shí)現(xiàn)了控制脈沖的生成，但沒有直接測(cè)量三相電壓、電流等交流信號(hào)，而是測(cè)量整流后的信號(hào)。這樣雖然在實(shí)時(shí)性上有所不足，但降低了對(duì)PCC處理能力的要求。文獻(xiàn)[9]使用了IP161作為CPU模塊，并使用IP161實(shí)現(xiàn)了交流采樣和脈沖生成等高速任務(wù)。但是IP161主頻僅約6MHz，處理能力不足，不能在工頻周期內(nèi)完成當(dāng)前主流的PID+PSS2B控制算法，所以僅能在中小容量機(jī)組中應(yīng)用。

隨著硬件的發(fā)展，貝加萊公司推出了高性能的x20系列PCC模塊，其中CP1486模塊使用了主頻高達(dá)650MHz的英特爾賽揚(yáng)CPU，最小任務(wù)周期約200微秒，完全可以在工頻周期內(nèi)完成復(fù)雜的控制運(yùn)算。本文將介紹一種基于x20系列模塊的勵(lì)磁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，同時(shí)兼顧了高性能與高可靠性的需求。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)硬件

2.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

圖1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器一個(gè)控制通道所用的x20模塊

圖1中CPU模塊CP1486用于通信及控制，混合開關(guān)量模塊DS4389用于測(cè)頻測(cè)相及控制脈沖生成，D I9371用于開關(guān)量輸入，DO9322用于開關(guān)量輸出，電源模塊PS2100除了電源中繼外還對(duì)數(shù)字量和模擬量進(jìn)行了隔離，A I2636用于測(cè)量三相電壓和三相電流，A I4622用于測(cè)量勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、系統(tǒng)電壓和白噪聲測(cè)試信號(hào)，AO 4622用于控制模型測(cè)試[10]時(shí)的模擬信號(hào)輸出。

2.2 信號(hào)調(diào)理

電廠測(cè)量信號(hào)的幅值大大超過了信號(hào)采集模塊的測(cè)量范圍，所以需要使用信號(hào)調(diào)理電路按照比例降低信號(hào)幅值，濾除信號(hào)中的高頻干擾。同時(shí)x20系列PCC模塊的隔離措施不夠完善，需要在信號(hào)調(diào)理電路中加強(qiáng)隔離保護(hù)。

2.2.1 模擬信號(hào)調(diào)理

在勵(lì)磁系統(tǒng)中，通常輸入勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的額定機(jī)端電壓為相電壓57.74V，額定機(jī)端電流為相電流1A或5A，而本方案中用于測(cè)量機(jī)端電壓和定子電流的AI2636測(cè)量范圍±10V或±20m A，且AI2636模擬輸入通道未進(jìn)行有效的電氣隔離，因此需要加入前端信號(hào)調(diào)理電路，如圖2所示，精密PT和CT、以及運(yùn)放采樣跟隨電路，將輸入的高電壓大電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為AI2636可以直接使用的電壓信號(hào)，同時(shí)對(duì)信號(hào)的輸入輸出進(jìn)行了隔離。在試驗(yàn)測(cè)試中電壓電流信號(hào)的測(cè)量精度可達(dá)0.01%，完全滿足勵(lì)磁控制要求。

圖2 AI2636信號(hào)調(diào)理電路

2.2.2 測(cè)頻信號(hào)調(diào)理及脈沖信號(hào)放大

在本方案中，測(cè)頻及控制脈沖生成都由混合開關(guān)量模塊DS4389完成，DS4389模塊測(cè)頻通道只接收幅值24V、占空比50%的方波信號(hào)，而勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用陽(yáng)極同步時(shí)，將陽(yáng)極高壓信號(hào)作為測(cè)頻信號(hào)源，因此，需要一種將陽(yáng)極高壓信號(hào)低相移地轉(zhuǎn)換為幅值24V、脈寬50%左右的方波信號(hào)的調(diào)理電路，如圖3所示，測(cè)頻信號(hào)調(diào)理電路由限流及分壓電阻網(wǎng)絡(luò)、精密PT、運(yùn)放采樣跟隨電路組成。限流及分壓電阻網(wǎng)絡(luò)將陽(yáng)極高壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為低壓小電流信號(hào)，再通過精密PT進(jìn)行電氣隔離，經(jīng)運(yùn)放取樣跟隨電路將陽(yáng)極高壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為DS4389模塊測(cè)頻所需的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

圖3 同步信號(hào)調(diào)理電路

為保證控制脈沖信號(hào)穩(wěn)定可靠地驅(qū)動(dòng)可控硅觸發(fā)導(dǎo)通，需將DS4389模塊輸出的控制脈沖進(jìn)行信號(hào)放大，同時(shí)將一次高壓回路與二次控制回路進(jìn)行電氣隔離，因此，在本方案中設(shè)計(jì)加入了可控硅脈沖放大電路，如圖4所示，DS4389模塊輸出的控制脈沖信號(hào)經(jīng)過功率開關(guān)管放大，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器，將大電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出到可控硅門極，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通。試驗(yàn)測(cè)試證明此方式可保證DS4389模塊輸出的控制脈沖信號(hào)可靠觸發(fā)可控硅導(dǎo)通。

圖4 可控硅脈沖放大電路

3 勵(lì)磁系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 測(cè)頻測(cè)相

DS4389模塊的4個(gè)輸入通道具有邊沿檢測(cè)功能，可以對(duì)接入的三相同步信號(hào)測(cè)頻測(cè)相。DS4389的邊沿檢測(cè)功能能夠捕捉并保存指定輸入信號(hào)的邊沿時(shí)刻，還可以比較得到不同通道輸入的邊沿時(shí)差。這些結(jié)果可以在配置DS4389時(shí)指定給全局變量，DS4389通過X20模塊之間的X2X Link總線刷新映射到CPU模塊的全局變量。這樣CPU模塊可以在控制循環(huán)中通過這些全局變量直接獲取邊沿時(shí)刻、周期和相角差而無(wú)需任何計(jì)算。

DS4389時(shí)標(biāo)使用的是系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)刻，系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)頻率8MHz，精度足夠滿足控制需求。

3.2 脈沖生成

除了3.1中描述的4個(gè)數(shù)字輸入通道外，DS4389還有4個(gè)數(shù)字通道可設(shè)置為輸入或輸出，本方案中設(shè)置為推拉式輸出通道用于輸出控制脈沖。整流橋觸發(fā)所需的6路脈沖需要兩個(gè)DS4389模塊組合輸出。接入DS4389的同步信號(hào)除了測(cè)頻測(cè)相以外還需要驅(qū)動(dòng)功率柜整流橋的控制脈沖。需要說明的是系統(tǒng)時(shí)鐘是所有模塊共享的，這樣第二個(gè)DS4389模塊可以直接使用第一個(gè)DS4389測(cè)量的同步信號(hào)邊沿時(shí)刻而無(wú)需自己測(cè)量。

圖5 DS4389的脈沖配置

在DS4389中生成脈沖主要依靠配置而非軟件編程。如圖5所示，脈沖生成需要配置的參數(shù)包括觸發(fā)時(shí)刻，第一路脈沖上升沿與觸發(fā)時(shí)刻之間對(duì)應(yīng)整流橋觸發(fā)角的脈沖延時(shí)，脈沖下降沿與上升沿之間的延時(shí)，即脈沖寬度，第二路脈沖上升沿與第一路脈沖上升沿之間的相對(duì)延時(shí)等等。這些變量中脈沖寬度是與周期無(wú)關(guān)的常數(shù)，在配置時(shí)確定，其余都是以全局變量形式映射到CPU模塊在主循環(huán)中刷新。

如果采用圖6所示的陽(yáng)極同步，則因?yàn)橥阶儔浩鱕/Δ-11接線獲得的同步信號(hào)超前陽(yáng)極電壓30 ，假定最小控制角為15 ，疊加后變?yōu)?5 。

圖6 陽(yáng)極同步

使用繼保儀輸入三相同步信號(hào)，用示波器觀察DS4389的45°脈沖輸出，發(fā)現(xiàn)CPU模塊程序中刷新脈沖相關(guān)變量的周期與脈沖的穩(wěn)定性密切相關(guān)，表1給出了脈沖邊沿±1.5μs最大允許偏差下CPU模塊使用不同循環(huán)周期刷新脈沖相關(guān)變量時(shí)的最大允許輸入的同步頻率?？梢钥吹矫}沖相關(guān)變量的刷新周期越短則最大同步頻率越高。

表1 不同任務(wù)周期下的最高同步頻率

整流橋的最大控制角設(shè)置為120°，而第6路脈沖與第1路脈沖間相對(duì)延時(shí)為300°，與觸發(fā)角延時(shí)疊加超過一個(gè)周期，即脈沖序列延時(shí)刷新時(shí)此前的脈沖序列尚未執(zhí)行完畢。為了檢驗(yàn)這種特殊情況下DS4389是否會(huì)丟失脈沖，設(shè)置觸發(fā)角在15°和120°之間跳變，使用示波器觀察輸出的脈沖，發(fā)現(xiàn)DS4389采用類似先進(jìn)先出的原則順序執(zhí)行設(shè)置的脈沖序列，先發(fā)完舊的脈沖序列后才能生成新的脈沖序列，沒有出現(xiàn)脈沖丟失現(xiàn)象。

3.3 交流采樣

3.3.1 AI2636的設(shè)置

AI2636模塊能夠按照預(yù)置的頻率采集2路輸入的模擬信號(hào)，但要求2路信號(hào)同時(shí)為電壓信號(hào)或電流信號(hào)。所以在2.2.1的信號(hào)調(diào)理電路中將CT輸入轉(zhuǎn)換成了電壓信號(hào)。從測(cè)試的結(jié)果看3個(gè)AI2636模塊采樣的同步性比較理想，但為了穩(wěn)妥，定子電流信號(hào)分別與同相的電壓信號(hào)接入了同一個(gè)AI2636模塊。這樣V、I同步測(cè)量，可以保證有功功率和無(wú)功功率計(jì)算的準(zhǔn)確。

AI2636最小采樣周期約為67μs，設(shè)置完成后不可變更，采樣結(jié)果以全局變量數(shù)組的形式通過X 2X Link總線傳遞給CPU模塊。因?yàn)閄2X Link總線周期最小約為380μs，程序中取整設(shè)置成了400μs。CPU模塊中AI數(shù)據(jù)處理的循環(huán)任務(wù)周期與之匹配，也是400μs。AI2636采樣周期沒有設(shè)置成67μs，因?yàn)榇嗽O(shè)置下每個(gè)采樣通道有的周期中傳遞5個(gè)數(shù)據(jù)，有的周期傳遞6個(gè)，不便于軟件處理。采樣周期設(shè)置成80μs后CPU模塊每個(gè)周期在每個(gè)模擬輸入通道都可以接收5個(gè)采樣數(shù)據(jù)。

3.3.2 插值算法

傳統(tǒng)的交流采樣要求采樣頻率跟蹤信號(hào)頻率，采樣點(diǎn)應(yīng)該均勻分布在一個(gè)周期以內(nèi)，對(duì)于周期內(nèi)第一個(gè)采樣點(diǎn)的相位沒有要求。獲取原始數(shù)據(jù)后通過傅氏算法獲取交流信號(hào)的幅值和相位。而AI2636的特性決定了只能使用定頻采樣，但是CPU模塊保留足夠多和足夠密集的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)后，相當(dāng)于存儲(chǔ)了此前的信號(hào)波形，可以通過插值的辦法對(duì)存儲(chǔ)的波形進(jìn)行“虛擬”變頻采樣。

CPU模塊的軟件中為每一路模擬信號(hào)保留了最近625個(gè)采樣值，這樣即使是低至20Hz的模擬信號(hào)CPU模塊中也可以保留一個(gè)周期的數(shù)據(jù)。這625個(gè)數(shù)據(jù)依次記為V0、V1、……、V624。當(dāng)采樣值序號(hào)遞增到624后又從0開始，覆蓋最老的采樣值。

以24點(diǎn)交流算法為例，需要在一個(gè)周期內(nèi)均勻分布的24個(gè)采樣值。計(jì)算時(shí)最新的采樣值Vn直接采用，作為最后一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)U23，即：

圖7 對(duì)采樣數(shù)據(jù)的插值計(jì)算

如圖7所示，對(duì)于周期為T的信號(hào)，兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為T/24，采樣間隔為80μs。那么兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間間隔的采樣點(diǎn)為：

對(duì)于數(shù)據(jù)點(diǎn)Ui(i=0,1,……,22)，與Vn之間間隔的采樣點(diǎn)點(diǎn)數(shù)為：

數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置位于采樣點(diǎn)Vstart與Vend之間，start和end均為采樣點(diǎn)序號(hào)。start和n之間間隔的采樣點(diǎn)點(diǎn)數(shù)m為t舍棄小數(shù)部分后取整的結(jié)果，end=start?1 (4)

通過線性插值得到虛擬采樣點(diǎn)：

得到所有虛擬采樣點(diǎn)后即可采用標(biāo)準(zhǔn)的傅氏算法進(jìn)行進(jìn)一步處理。

3.3.3 插值算法的性能

為了測(cè)試幅值測(cè)量的精度，輸入有效值5V的正弦波信號(hào)，在不同的信號(hào)頻率下，幅值計(jì)算結(jié)果的浮動(dòng)范圍約為測(cè)量值的±0.01%，基本達(dá)到了AD芯片的轉(zhuǎn)換精度。

為了測(cè)試不同AI2636模塊的同步性，將三相電壓分別接入3個(gè)AI2636模塊，任意兩相相差與120°，偏差不大于0.5°。

角速度是PSS2B的輸入量，是在傅氏算法得到的三相電壓合三相電流矢量基礎(chǔ)上進(jìn)一步處理得到的，在CPU中按照2m s的任務(wù)周期進(jìn)行刷新計(jì)算。使用繼保儀測(cè)試頻率突變時(shí)的角速度響應(yīng)，得到的結(jié)果如圖8所示。

圖8 信號(hào)頻率突變時(shí)的周期與角速度

在頻率變化的過渡過程中插值算法每次計(jì)算都相當(dāng)于按照新的周期重新采樣，而不象常規(guī)交流算法一樣保留部分按原來周期采樣得到的數(shù)據(jù)。圖8中周期在信號(hào)變化出現(xiàn)10m s后才發(fā)生變化，并出現(xiàn)了兩個(gè)中間值，這是因?yàn)橹芷诘乃⑿轮芷跒?0ms，還有濾波環(huán)節(jié)。角速度在輸入信號(hào)突變時(shí)就開始變化，經(jīng)過10ms線性上升到了真實(shí)值，雖然在周期突變時(shí)出現(xiàn)了跳變，但是下一次計(jì)算時(shí)就恢復(fù)到了真實(shí)值，而這些跳變的數(shù)值通過簡(jiǎn)單的中值濾波即可消除。

3.4 通信與控制通道程序的一致性

CPU模塊CP1486帶有1個(gè)以太網(wǎng)口和一個(gè)貝加萊公司標(biāo)準(zhǔn)的PowerLink接口，但這個(gè)PowerLink接口可以作為一個(gè)正常的以太網(wǎng)口使用。所以勵(lì)磁調(diào)節(jié)器分別用兩個(gè)網(wǎng)口連接了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)僅供勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部交換控制數(shù)據(jù)，另一個(gè)用于連接外部系統(tǒng)，接收和響應(yīng)外部命令。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器一般由兩個(gè)相同配置的控制通道組成，除了IP地址和部分參數(shù)以外程序基本一致。CP1486模塊帶有撥碼開關(guān)，上電初始化時(shí)可以讀取撥碼數(shù)值，并根據(jù)不同的撥碼設(shè)置不同的IP地址和參數(shù)，這樣兩個(gè)控制通道可以共用相同的程序，僅僅通過撥碼設(shè)置進(jìn)行區(qū)分。

3.5 控制軟件構(gòu)成和CPU占用率

控制軟件分成了4個(gè)循環(huán)任務(wù)：第一個(gè)任務(wù)用于生成觸發(fā)脈沖，周期200μs；第二個(gè)任務(wù)用于高速定頻采樣以及后續(xù)的交流算法，周期400μs；第三個(gè)任務(wù)用于網(wǎng)絡(luò)通信，周期1ms；第4個(gè)任務(wù)用于PID+PSS2B控制計(jì)算和限制保護(hù)，周期10ms。

CP1486上載的CPU占用率約為57%，沒有出現(xiàn)循環(huán)任務(wù)超時(shí)。

4 結(jié)論

本文介紹的基于X 20系列PCC模塊的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)方案，通過了相關(guān)測(cè)試的驗(yàn)證，確認(rèn)了方案的可行性。本方案在可靠性和控制性能方面獲得了較好的平衡。

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