李朋臣，陳 煥，鄭小倩

(貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550014)

電能由于其生產(chǎn)、使用方便，輸送安全經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點逐漸成為了世界第一能源。并且，電能相較于其他能源具有可再生性，能夠廣泛運(yùn)用于社會生產(chǎn)生活，對社會發(fā)展具有重要意義。電能如此重要，所以我們才需要對其加以控制，使電能更好地方便人們的日常生活、維護(hù)社會的和諧以及國家的穩(wěn)定。我們都知道任何電產(chǎn)品都有關(guān)于額定電壓、電流、功率等相關(guān)指標(biāo)，這也就是說明我們所提供給用戶的電能也應(yīng)該有詳細(xì)的指標(biāo)，即是電能質(zhì)量指標(biāo)。因此，控制發(fā)電源頭，使生產(chǎn)出來的電不斷趨近于合格指標(biāo)然后再并入電網(wǎng)，可以使可用電能得到極大的優(yōu)化。

1 目前水力發(fā)電現(xiàn)狀

從我國的地域資源來看，河流眾多的情況為水利發(fā)電帶來了巨大的潛力，尤其是小型水利發(fā)電。但目前小型水電站綜合自動化程度并不高。在相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟的條件下，研發(fā)高性能、低成本的小水電機(jī)組綜合自動化系統(tǒng)顯得尤為重要。不同結(jié)構(gòu)和功能的水電控制系統(tǒng)已有開發(fā)，如初步研究和探討了水輪發(fā)電機(jī)組綜合控制器理論設(shè)計，設(shè)計了多CPU實現(xiàn)的小水電多功能一體機(jī)［4］。其中多CPU 的設(shè)計條理清楚，結(jié)構(gòu)明晰，但這種方案對于小型水電站來說造價偏高，且多CPU 資源不能充分利用。隨著DSP 技術(shù)的高速發(fā)展，集機(jī)組保護(hù)、勵磁控制、調(diào)速控制、水機(jī)自動化和通信等功能于一體的綜合控制器更加完善，它既降低了小水電站控制裝置的成本，又提高裝置的可靠性和控制性能指標(biāo)，實用價值極高。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的工作原理是:TMS320LF2407DSP 芯片是系統(tǒng)中的核心控制，當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時，計算機(jī)利用串口通信向TMS320LF2407DSP 芯片發(fā)送控制指令和參數(shù)，DSP 通過中斷的方式接受控制指令和相關(guān)參數(shù)，經(jīng)芯片內(nèi)部運(yùn)算部分運(yùn)算處理后，將接受到的控制指令和參數(shù)轉(zhuǎn)化為同步電機(jī)的執(zhí)行指令，DSP 再根據(jù)電機(jī)執(zhí)行指令控制通用輸入/輸出引腳向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出脈沖信號［1］。其中DSP 芯片是控制核心，外圍電路可添加顯示器等。該芯片自身帶有A/D 轉(zhuǎn)換器、I/O 口以及通信接口，還帶有一般控制器并不具備的故障保護(hù)電路、數(shù)字測速以及PWM 生成功能，簡化了系統(tǒng)的硬件部分配置。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計及PID 算法

2.2.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制器的軟件采用C 語言編寫，軟件主要由主程序、定時器、中斷程序及PWM 脈沖產(chǎn)生中斷程序構(gòu)成［3］。其中，系統(tǒng)初始化程序包括設(shè)置時鐘，初始化I/O 口、A/D 口及PWM 口。主程序在檢測I/O 口狀態(tài)后，將其值存入寄存器，當(dāng)中斷來臨時，設(shè)置PID 參數(shù)，輸入采樣值，將采樣值與給定值進(jìn)行比較并計算偏差量，根據(jù)偏差量計算當(dāng)前時刻控制量，輸出控制值并保持偏差值。

2.2.2 PID 算法的數(shù)字實現(xiàn)

PID 調(diào)節(jié)算法適用于模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于計算機(jī)系統(tǒng)只能接收數(shù)字量，因此，要想在計算機(jī)中實現(xiàn)PID 調(diào)節(jié)，必須把PID 算法數(shù)字化，然后才能用計算機(jī)實現(xiàn)［2］。

PID 算法數(shù)字化:

在模擬系統(tǒng)中，PID 算法的表達(dá)式為y(t)=Kp［e(t)+，由于計算機(jī)控制用的是采樣控制，所以只能根據(jù)采樣時刻的偏差來計算控制量。具體來說，在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須先對做離散化處理，然后用差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時積分項和微分項可用求和及增量式表示:

式中，T 為采樣周期，必須使T 足夠小，才能保證系統(tǒng)的精度;E(k)為第k 次采樣時的偏差值;E(k－1)為第k－1 次時的偏差值;k 為采樣序號，k=0、1、2…;P(k)為第k 次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出。

由于式(3)的輸出值與閥門開度位置對應(yīng)，因此，式(3)為位置型PID 的位置控制算式。

根據(jù)遞推原理，則k－1 次的PID 輸出表達(dá)式:

用式(3)減去式(4)，可得:

式(5)中，把P(k－1)移到左邊，可得:

令ΔP(k)=P(k)－P(k－1)，式中Kp、KI、KD與式(5)相同。此式表示輸出一個增量為第k 次和k－1 次的差值，所以又叫增量型PID 控制算式［5］。

圖2 軟件流程圖

3 結(jié)束語

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對于國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高一直具有重大的意義［6］。本設(shè)計研究主要在于讓原本獨立考慮的勵磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)結(jié)合起來，通過DSP芯片把獨立的控制結(jié)合起來根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)了傳統(tǒng)控制裝置的協(xié)調(diào)控制的同時提高控制的運(yùn)算速度和精確度，從而生產(chǎn)出滿足生產(chǎn)生活的優(yōu)質(zhì)電能。與過去采用單片機(jī)和CPU 來實現(xiàn)控制和運(yùn)算相比，DSP 芯片的運(yùn)用更具有實用價值。

［1］楊高波，葉富樂，嚴(yán)迪群.DSP 芯片技術(shù)實驗的探索與開發(fā)［J］.電氣電子教學(xué)報，2003(5):66－69.

［2］易群，李彩麗，劉陸平.基于DSP 的三相交流異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計［J］.機(jī)械工程與自動化，2013(5):173－174，176.

［3］孟祥儒.基于DSP 的數(shù)據(jù)采集處理及顯示系統(tǒng)［M］.北京:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

［4］董麗榮，董文智.基于DSP 的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)［J］.冶金自動化，2009(S1):

［5］(德國)紹弗勒.DSP 原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［6］吳冬梅，張玉杰.DSP 技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2006.