王 馳, 李華俊, 卜明南

(核工業(yè)西南物理研究院,四川 成都 610041)

基于CompactRIO的脈沖發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

王 馳, 李華俊, 卜明南

(核工業(yè)西南物理研究院,四川 成都 610041)

以CompactRIO作為硬件平臺(tái)，采用基于圖形的LabVIEW編程語言，開發(fā)了適用于脈沖工作模式下的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器主要包括上位機(jī)和嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測每一次脈沖期間的工作狀態(tài)以及電壓、電流波形，控制周期精確至1 ms。采用數(shù)字增量式PID算法，達(dá)到對電壓脈沖的精確控制，滿足了脈沖發(fā)電機(jī)勵(lì)磁周期投入和退出的間歇式工作模式及勵(lì)磁波形調(diào)節(jié)的要求。

脈沖發(fā)電機(jī); 勵(lì)磁控制; 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器; CompactRIO

0 引 言

HL-2A托卡馬克裝置供電系統(tǒng)包括3臺(tái)大型飛輪儲(chǔ)能脈沖發(fā)電機(jī)組，其中125 MVA脈沖發(fā)電機(jī)組通過可控變流器為裝置所有極向磁場線圈和二級加熱高壓電源供電。在不同負(fù)載及不同放電參數(shù)下要求其輸出電壓變化率不超過±5%，每次脈沖放電時(shí)間約9 s，放電期間發(fā)電機(jī)負(fù)載劇烈變化，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也相應(yīng)快速下降，這些都對發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)提出了更高要求。

現(xiàn)有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器多數(shù)針對于長期運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)，不適用于脈沖發(fā)電機(jī)頻繁投入和退出勵(lì)磁的間歇式工作模式，也不利于及時(shí)監(jiān)測勵(lì)磁系統(tǒng)每一次脈沖期間的工作狀況和控制過程數(shù)據(jù)。原脈沖發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用基于單任務(wù)字符式DOS操作系統(tǒng)的微機(jī)控制，所有操作必須通過鍵入命令來完成，操作過程繁瑣，人機(jī)交互界面單一。

基于微機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不易實(shí)現(xiàn)小型化和低功耗[1]，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制時(shí)對采集卡的速率依賴程度高。NI CompactRIO是一款緊湊無風(fēng)扇設(shè)計(jì)的可重配置的控制和采集系統(tǒng)，體積緊湊、可靠性高[2]，具備高速數(shù)據(jù)采集與處理、程序并行執(zhí)行、數(shù)據(jù)分析與顯示等功能[3-4]，模塊化的設(shè)計(jì)不僅使用戶可進(jìn)行個(gè)性化配置，容易滿足各類控制需求，而且開發(fā)周期短，能夠很好地實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制功能。

為了適應(yīng)當(dāng)前HL-2A試驗(yàn)工況、滿足脈沖發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)工作要求，本文研制了一臺(tái)以CompactRIO硬件平臺(tái)與LabVIEW編程語言實(shí)現(xiàn)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。

1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器總體結(jié)構(gòu)

CompactRIO主要由實(shí)時(shí)控制器，可重配置的FPGA和工業(yè)級I/O模塊三個(gè)部分組成[1-2,4-5]。本文采用CompactRIO可重配嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，組建一個(gè)小型工業(yè)級模塊化平臺(tái)。通過NI LabVIEW Real-Time 模塊、LabVIEW FPGA模塊、CompactRIO各功能模塊聯(lián)合開發(fā)滿足實(shí)時(shí)性要求的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。CompactRIO包含一個(gè)實(shí)時(shí)控制器和模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、數(shù)字量輸入輸出模塊DI/O三個(gè)模塊，共同構(gòu)成勵(lì)磁調(diào)節(jié)器反饋控制的核心部分，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于上位機(jī)的實(shí)時(shí)控制。上位機(jī)由裝有LabVIEW軟件工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成，負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)中接受來自中央控制系統(tǒng)(中控)設(shè)置的控制參數(shù)文件，與CompactRIO實(shí)時(shí)控制器通信和共享數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)參數(shù)監(jiān)視、波形顯示、人機(jī)交互等非實(shí)時(shí)任務(wù)。上位機(jī)、CompactRIO和中控網(wǎng)絡(luò)三者之間通過路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互傳輸。

圖1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器總體結(jié)構(gòu)圖

2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器反饋控制

根據(jù)HL-2A物理試驗(yàn)的要求，在每次試驗(yàn)放電期間，脈沖發(fā)電機(jī)需依照中控設(shè)置的參考波形在確定時(shí)刻輸出一個(gè)持續(xù)9 s的平穩(wěn)電壓脈沖。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器反饋控制部分需要響應(yīng)速度快、時(shí)序控制精確，主要具備如下功能：

(1) 在以太網(wǎng)中通過路由器與上位機(jī)的通信，接受上位機(jī)解析的中控控制參數(shù)文件；

(2) 數(shù)字PID閉環(huán)反饋控制周期精確到1 ms；

(3) 控制數(shù)字量信號(hào)的輸入和輸出；

(4) 發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和整流柜輸出電流的監(jiān)控；

(5) 控制電壓Uk的D/A輸出；

(6) 通過以太網(wǎng)與上位機(jī)共享數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述勵(lì)磁反饋控制的功能要求，確定了勵(lì)磁反饋控制的硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。硬件平臺(tái)選用的NI cRIO-9033四槽高性能控制器，包含有4個(gè)C系列I/O模塊的插槽、1.33 GHz雙核處理器、Kintex-7 FPGA及無風(fēng)扇緊湊型機(jī)箱，提供的千兆以太網(wǎng)接口用于控制器、上位機(jī)、中控之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。C系列I/O模塊選擇了NI-9215模塊、NI-9263模塊、NI-9401模塊。其中，NI-9215模塊包括4路同步采樣模擬輸入通道(AI)和逐次逼近型16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)端電壓和勵(lì)磁電流的采集。NI-9263是一款4通道100 kS/s同步更新模擬輸出(AO)模塊，以1 kS/s的更新速率輸出控制電壓Uk。NI-9401是一款8通道雙向數(shù)字輸入輸出(DIO)模塊。根據(jù)硬件需要，在LabVIEW中以半字節(jié)(4位)為單位配置了NI-9401上8條數(shù)字線的輸入和輸出方向，其中DIO3:0為輸出方向，以作為控制端Ctrl的輸出，Ctrl=1或0分別對應(yīng)解封或封鎖勵(lì)磁功率單元;DIO7:4為輸入方向，以檢測起勵(lì)和滅磁信號(hào)，高電平作為有效輸入。

圖2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器反饋控制硬件結(jié)構(gòu)圖

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器反饋控制部分的程序按照圖3所示時(shí)序進(jìn)行控制?？刂七^程按照不同的時(shí)刻劃分為延時(shí)階段(Ⅰ)、通電階段(Ⅱ)、反饋階段(Ⅲ)三個(gè)階段，實(shí)施分段控制。等離子體放電試驗(yàn)時(shí)，中控時(shí)序控制系統(tǒng)以放電時(shí)刻(④)作為0時(shí)刻，并在放電前3 000 ms(即-3 000 ms)輸出強(qiáng)勵(lì)觸發(fā)信號(hào)，之后要求控制器以該時(shí)刻作為控制時(shí)序起始點(diǎn)，以穩(wěn)定機(jī)端電壓作為控制目標(biāo)，按照1 ms的控制周期對脈沖發(fā)電機(jī)勵(lì)磁進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。中控設(shè)置的控制參考波形如圖4所示，ccV3為脈沖發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的參考波形，ccW3為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓的參考波形。根據(jù)設(shè)置的參考波形，從強(qiáng)勵(lì)觸發(fā)時(shí)刻開始至通電時(shí)刻之間的800 ms期間，作為延時(shí)階段，要求勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不做任何控制。為了使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓在-1 500 ms反饋時(shí)刻盡可能接近3 000 V[6]，在通電階段勵(lì)磁功率柜按照ccW3波形輸出勵(lì)磁電壓，以迅速提高發(fā)電機(jī)電壓滿足反饋條件。在-1 500 ms反饋階段開始后至滅磁信號(hào)到來之前，這一階段為反饋階段，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)負(fù)載變化對發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓進(jìn)行反饋控制，使電壓按照中控設(shè)置的機(jī)端電壓參考波形ccV3進(jìn)行變化。由于進(jìn)行反饋控制要滿足機(jī)端電壓處于2 000～3 500 V之間，如果出現(xiàn)測量回路斷線引起失壓或者在通電階段機(jī)端電壓未提高至2 000 V，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器則不進(jìn)行反饋控制，則反饋階段按照ccW3波形進(jìn)行，用以確保發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行。

圖3 勵(lì)磁控制過程的時(shí)序

圖4 中控設(shè)置的參考波形

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器反饋控制部分的程序按照如圖5所示流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。脈沖發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制過程中為滿足依據(jù)不同時(shí)刻實(shí)施分段控制，在LabVIEW程序中設(shè)置一個(gè)時(shí)間變量t，在初始化過程中使t=-3 000，強(qiáng)勵(lì)觸發(fā)之后t嚴(yán)格按照1 ms的循環(huán)控制周期進(jìn)行遞增。根據(jù)時(shí)間變量t所處的范圍，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制過程處理成符合要求的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)不同階段。根據(jù)中控的控制時(shí)序，在3 500 ms將產(chǎn)生滅磁觸發(fā)信號(hào)，勵(lì)磁反饋控制接收到滅磁信號(hào)后進(jìn)入滅磁環(huán)節(jié)。程序中為了確?？煽康貙?shí)現(xiàn)滅磁，增設(shè)一個(gè)t>3 500的范圍判斷，在中控滅磁觸發(fā)信號(hào)不可靠的情況下，程序中進(jìn)行軟滅磁處理，作為中控時(shí)序滅磁的冗余。程序控制過程從通電階段過渡至反饋階段時(shí)，設(shè)置發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓2 000

圖5 勵(lì)磁控制程序流程圖

脈沖發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)采用對中控設(shè)置的電壓參考波形ccV3和測量采集的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的差值進(jìn)行PID反饋控制[7-8]，通過產(chǎn)生控制電壓Uk，從而控制數(shù)字觸發(fā)器來控制勵(lì)磁電流的大小，以保持機(jī)端電壓恒定并且按照參考波形變化。本文采用增量式PID控制算法。根據(jù)增量式PID算法原理有如下遞推公式：

其中：

e(k)=r(k)-u(k)

C=KPTD/T

本勵(lì)磁控制采用恒定的采樣周期T，一旦確定了KP、TI、TD參數(shù)，只要根據(jù)測量電壓和參考電壓的前后3次偏差，就可以得到控制增量，進(jìn)而確定出控制電壓。

在滅磁時(shí)刻直接將控制電壓Uk=0和控制端Ctrl=0，由于勵(lì)磁電壓較高，在勵(lì)磁線圈產(chǎn)生較大的電流，易對勵(lì)磁功率單元造成沖擊，因此控制程序設(shè)置1 000 ms的滅磁程序，在滅磁觸發(fā)后，Uk以當(dāng)前值作為初始值，在1 000 ms期間等變化逐漸降低至0，并在此期間Ctr1保持為1，實(shí)現(xiàn)程序滅磁，減少對勵(lì)磁功率單元柜的沖擊。

3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器上位機(jī)

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器上位機(jī)采用研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，通過路由器接入中央控制網(wǎng)絡(luò)。上位機(jī)用于處理非實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)和用戶各類波形數(shù)據(jù)。用LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)制作脈沖發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的監(jiān)控界面，具體功能包括：判斷脈沖編號(hào)是否更新、解析和校驗(yàn)來自網(wǎng)絡(luò)的脈沖控制參數(shù)文件和數(shù)據(jù)、利用共享變量方式將解析的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至CompactRIO實(shí)時(shí)控制器、接收和顯示CompactRIO的工作狀況。上位機(jī)的監(jiān)控主界面的顯示內(nèi)容包括：脈沖編號(hào)更新指示、勵(lì)磁投入與退出的時(shí)刻和狀態(tài)、勵(lì)磁實(shí)際通電工作時(shí)間、過壓與過流故障、機(jī)端和勵(lì)磁電壓的參考波形、實(shí)際工作期間的機(jī)端和勵(lì)磁電壓波形。上位機(jī)與CompactRIO的程序運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖6所示。CompactRIO控制器的實(shí)時(shí)循環(huán)按照1 ms控制周期做數(shù)字式PID控制算法，非實(shí)時(shí)循環(huán)在控制結(jié)束后，將控制過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)采用共享變量的通信方式傳送至上位機(jī)進(jìn)行后處理[3,9-10]。上位機(jī)程序按照圖7所示流程運(yùn)行。

圖6 上位機(jī)與CompactRIO的程序結(jié)構(gòu)

圖7 上位機(jī)程序流程圖

根據(jù)時(shí)序控制過程，試驗(yàn)管理人員在兩次放電的間隙更改與設(shè)置放電參數(shù)文件，并傳送至各分系統(tǒng)。上位機(jī)程序依據(jù)炮號(hào)的更改作為讀取參數(shù)文件的觸發(fā)條件，通過利用CALab定時(shí)讀取控制網(wǎng)絡(luò)上EPICS服務(wù)器炮號(hào)PV[11]，利用移位寄存器保存前后兩次的炮號(hào)數(shù)據(jù)。若前后兩次數(shù)據(jù)不相等，則認(rèn)為炮號(hào)發(fā)生更改，并以此作為觸發(fā)條件進(jìn)行放電參數(shù)的讀取、解析、傳輸。

為了確?？刂茀?shù)文件在強(qiáng)勵(lì)觸發(fā)時(shí)刻之前可靠傳送至CompactRIO，并且在試驗(yàn)放電期間數(shù)據(jù)不進(jìn)行刷新。上位機(jī)和CompactRIO實(shí)時(shí)控制器之間設(shè)置一個(gè)全局共享變量Readable，強(qiáng)勵(lì)觸發(fā)后使Readable=0，封鎖讀放電參數(shù)操作，滅磁放電結(jié)束后使Readable=1，使能讀放電參數(shù)操作。上位機(jī)和CompactRIO實(shí)現(xiàn)互鎖，只能在兩次脈沖放電間隙讀取來自中央控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)和文件，進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，將正確的波形數(shù)據(jù)在上位機(jī)的界面上顯示，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)路由器傳輸給CompactRIO實(shí)時(shí)控制器且在放電期間保持?jǐn)?shù)據(jù)不刷新。另外，在Readable=0期間，開起獲取控制數(shù)據(jù)窗口，時(shí)間間隔設(shè)置10 ms，循環(huán)次數(shù)為900，用以獲取從強(qiáng)勵(lì)觸發(fā)后9 s期間的控制數(shù)據(jù)的波形及其狀態(tài)更新情況。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在HL-2A一次脈沖放電期間脈沖發(fā)電機(jī)帶載工作波形如圖8和圖9所示，ccV3是發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓參考波形，U3為發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行的實(shí)際電壓波形，Uk為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓波形。延時(shí)階段勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不工作，發(fā)電機(jī)無電壓輸出。通電階段勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元產(chǎn)生勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)空載電壓在700 ms內(nèi)迅速上升至2 685 V，滿足了反饋條件。進(jìn)入反饋階段后，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器按照設(shè)定的參考波形ccV3，實(shí)時(shí)調(diào)整控制電壓Uk，使發(fā)電機(jī)電壓U3保持在約3 000 V。通過HL-2A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在放電期間得到的測量數(shù)據(jù)，可以看出在負(fù)載劇烈變化期間(-1 000～3 000 ms)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為2 880～3 075 V，電壓波動(dòng)率是±4%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖8 放電期間發(fā)電機(jī)電壓波形

圖9 放電期間控制電壓波形

5 結(jié) 語

根據(jù)HL-2A物理試驗(yàn)對脈沖發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了基于CompactRIO可重配嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器反饋控制和上位機(jī)部分，并且介紹了各部分的硬件結(jié)構(gòu)，分析了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的時(shí)序控制過程和程序運(yùn)行結(jié)構(gòu)，采用LabVIEW圖形編程語言實(shí)現(xiàn)了控制過程。結(jié)合試驗(yàn)測試驗(yàn)證了該勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在各個(gè)控制階段的運(yùn)行情況，在反饋工作階段可快速響應(yīng)因負(fù)載投切變化引起的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓波動(dòng)，滿足了在HL-2A試驗(yàn)期間脈沖發(fā)電機(jī)勵(lì)磁頻繁投入和退出的間歇式工作模式。

[1] BILIK P, KOVAL L, JIRI H. CompactRIO embedded system in power quality analysis[C]∥ Computer Science and Information Technology, 2008, IMCSIT 2008, International Multiconference on, 2008: 577-580.

[2] 王丁丁,武杰,張杰,等.基于CompactRIO的數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)[J].核技術(shù),2012,35(7): 539-542.

[3] LIN T, XIE Y X, TANG J. Design of compactRIO-based acquisition system[C]∥ Environmental Science and Information Application Technology (ESIAT), 2010 International Conference on, 2010: 678-681.

[4] YUSIVAR F, SEMBIRING R J. Implementation of space vector pulse width modulation using compactrio[C]∥ Rural Information amp; Communication Technology and Electric-Vehicle Technology (rICT amp; ICeV-T), 2013 Joint International Conference on, 2013: 1-6.

[5] MOHD S, ZULKIFLI S A, RANGKUTI R G A, et al. Electric vehicle energy management system using national instruments apos; CompactRIO and LabVIEW[C]∥ Smart Instrumentation, Measurement and Applications (ICSIMA), 2013 IEEE International Conference on, 2013: 1-6.

[6] 李維斌,卜明南,劉學(xué)梅,等.HL-2A裝置脈沖發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)[J].核聚變與等離子體物理,2014(1): 40-46.

[7] 翁情安,張炳達(dá),郝爽.基于TMS320F2812的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(19): 92-96.

[8] 李揚(yáng),謝暉,陳侃.基于LabVIEW的PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國測試技術(shù),2008,34(3): 74-76.

[9] CHEN W, SU J. Comparison of several communication methods between host computer and compactRIO[C]∥ Intelligent Control and Automation (WCICA), 2012 10th World Congress on, 2012: 3962-3965.

[10] KAMINSKY D, ZIDEK J, BILIK P. Virtual instrumentation based power quality analyzer[C]∥ Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems (IDAACS), 2011 IEEE 6th International Conference on, 2011: 184-187.

[11] 王川,夏凡,潘莉,等.EPICS在HL-2A控制系統(tǒng)PLC上的部署[J].核聚變與等離子體物理,2013(2): 142-146.

Excitation Regulator of Impulse Generator Based on CompactRIO

WANG Chi, LI Huajun, BU Mingnan

(Southwestern Institute of Physics, Chengdu 610041, China)

The excitation regulator of synchronous impulse generator using CompactRIO and LabVIEW based on graph language had been developed. The excitation regulator including host computer and embedded real-time hardware was able to control and supervise the working conditions and parameters of voltage and current in very one millisecond during a pulse of discharging. The digital incremental PID control algorithm was utilizing in the regulator to be control of voltage pulse precisely. Requirements of impulse generator’s excitation in adjustment of excitation waveform and operating model of periodical starting and ending were meet.

impulse generator; excitation control; excitation regulator; CompactRIO

王 馳(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榘l(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制。 李華俊(1970—)，男，研究員級高級工程師，研究方向?yàn)榇蠊β拭}沖供電技術(shù)。 卜明南(1962—)，男，高級工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制與電力電子技術(shù)。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)07- 0034- 05

2016 -08 -15