勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機的重要組成部分，其特性好壞自接影響到同步發(fā)電機系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。目前，我國中小型發(fā)電機組尤其是偏遠農(nóng)村中小型發(fā)電機組人多還在使用20世紀七八十年代生產(chǎn)的老式勵磁控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)運行火花大，易磨損，維護工作量大，而且響應速度慢等，已經(jīng)不能滿足日益發(fā)展的電力系統(tǒng)的要求。隨著大功率半導體器件的廣泛應用和計算機技術的迅猛發(fā)展，用現(xiàn)代電力電子技術開發(fā)的新型勵磁控制系統(tǒng)取代老式的機電型勵磁控制系統(tǒng)已勢在必行。多年來，大家認識到，作為發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，硬件和控制策略是兩個互相聯(lián)系的重要部分[1]。

本文通過智能控制理論的參數(shù)整定方法，在勵磁控制系統(tǒng)非線性系統(tǒng)的控制中，設計出一套參數(shù)自整定模糊pid控制算法，使其能滿足同步發(fā)電機的運行性能要求。發(fā)電機參數(shù)采樣通過交流采樣后再進行fft運算，得到發(fā)電機的電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、諧波電壓等參數(shù)。通過功率mosfet器件和pwm技術進行發(fā)電機勵磁電壓的控制，從而實現(xiàn)對發(fā)電機電壓的控制與調(diào)節(jié)。硬件結構以ti公司的tms320f2812芯片為控制核心，通過人機接口、dsp通過串口通訊和網(wǎng)絡通訊等多種方式進行參數(shù)設置和數(shù)據(jù)交換。利用ccs2.21，設計基于dsp的軟件程序，并進行調(diào)試，最后結合同步發(fā)電機進行現(xiàn)場試驗，并記錄試驗數(shù)據(jù)進行分析比較。實驗結果表明，與傳統(tǒng)pid控制比較起來該調(diào)節(jié)器具有較好的動、靜態(tài)性能，調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)曲線相當平滑，其主要性能指標均達到或優(yōu)于國家標準。

勵磁控制系統(tǒng)的硬件 勵磁系統(tǒng)的總體硬件結構

發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)主要由主勵磁系統(tǒng)和勵磁控制器組成。本文的勵磁控制器主要是針對主勵磁系統(tǒng)為三次諧波勵磁而設計的。這種主勵磁系統(tǒng)的特點是電源取自發(fā)電機的三次諧波繞組的端電壓，經(jīng)整流電路整流，變成直流電加到勵磁繞組中。這種勵磁方式與其他具有旋轉電機的勵磁系統(tǒng)相比，省去了旋轉的勵磁機，因此這種勵磁方式以其結構簡單、造價低廉、性能可靠等特點，逐漸被廣泛采用[2]，系統(tǒng)總體硬件結構圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體硬件結構圖

勵磁系統(tǒng)的的控制回路部分

主控芯[3]

本控制器的核心是ti公司近幾年推出的高速、高精度工業(yè)控制dsp芯片tms320f2812。它具有運算速度快，工作時鐘頻率達150mhz，指令周期可以達到6.67ns以內(nèi)，低功耗（核心電壓1.8v，i/o口電壓3.3v）。采用哈佛總線結構，具有強大的操作能力、迅速的中斷響應和處理以及統(tǒng)一的寄存器編程模式，可以實現(xiàn)16×16位和32×32位乘累加操作和16×16位的兩個乘累加操作。片內(nèi)存儲器包括8k×16位的flash存儲器，1k×16位otp型只讀存儲器，兩塊4k×16位的單口隨機存儲器，一塊8k×16位單口隨機存儲器，兩塊1k×16位的單口隨機存儲器。外部存儲器接口可實現(xiàn)多達1m存儲器的擴展。外設擴展模塊（pie）可支持96個外設中斷，45個可用。兩個增強的事件管理器模塊（eva、evb），提供了一整套用于運動控制和電機控制運用的功能和特性。每個事件管理器模塊包括通用定時器（gp）、比較單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路。外圍設備包括3個32位cpu定時器，16通道12位adc（單個轉換時間為200ns，單路轉換時間為60ns），它不僅具有串行外圍接口（spi）和兩個uart接口模塊（sci），還有改進的局域網(wǎng)絡（ecan）、多通道緩沖串口（mcbsp）和串行外圍接口模式。

輸入檢測模塊[4]

其功能是實現(xiàn)電壓和電流信號的采集工作。電壓通過電流型精密互感器、電流通過電流互感器轉換成為電流信息，再經(jīng)由運算放大器組成的信號調(diào)理電路生成0～3v的電壓信號送入dsp的ad轉換通道，將模擬量轉換成數(shù)字量，放入指定單元，供程序調(diào)用。

pwm波的igbt驅動電路

igbt模塊的驅動電路對于igbt的工作效率起著決定性的作用。對驅動電路的要求是既要減小開關損耗,又要求驅動波形好,振蕩小,過沖小。igbt工作于開關狀態(tài)時,必須對柵極進行充放電,并且驅動igbt需要一定的電荷量,也就是驅動電路必須提供一定的驅動電壓及驅動功率。

勵磁控制模塊

作用是利用dsp產(chǎn)生的可控的pwm波，來實現(xiàn)對勵磁機的勵磁電流大小的控制。柴油發(fā)電機屬于小型發(fā)電機，勵磁電流一般在十幾安培左右，所以本文開關元件采用小功率的mosfet電力場效應晶體管。電壓調(diào)節(jié)器的工作電壓來自發(fā)電機的端口電壓，只有在發(fā)電機兩端有電壓的前提下，電壓調(diào)節(jié)器才能工作，這就要求在主電路中有一個單獨的起勵回路，來提供起勵電流。在發(fā)電機輸出端電壓達到一定值以后，再自動切換到mosfet控制的回路。所以本文在主電路中加入一個中間繼電器，它的常閉觸點并接在mosfet管的d、s兩端，將mosfet管短路，提供一個閉合的起勵回路提供給起勵使用，在繼電器動作前，整流后三次諧波電壓是全部輸出到啟動電阻和勵磁機的勵磁繞組上的。隨著發(fā)電機的輸出端電壓快速上升，中間繼電器的線圈通電，開始動作。在繼電器動作后，它的常閉觸點自動打開，mosfet開始導通，勵磁電路自動就從不可控切換成由dsp控制的閉環(huán)系統(tǒng)。 

人機對話模塊

其功能是通過鍵盤及l(fā)ed顯示電路或是上位機監(jiān)控方式，實現(xiàn)人機對話、參數(shù)修改。 勵磁調(diào)節(jié)器的軟件結構設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件總體流程

發(fā)電機的勵磁控制是一個快速實時的閉環(huán)調(diào)節(jié)，它對發(fā)電機機端電壓的變化要有很高的響應速度，以維持機端電壓在給定水平。同時，為保證發(fā)電機的安全運行，勵磁控制器還必須具有對發(fā)電機及勵磁系統(tǒng)起保護作用的一些限制功能，如強勵限制和欠勵限制等。微機勵磁控制器的調(diào)節(jié)和限制及控制等功能，都是通過軟件來實現(xiàn)的。

在勵磁調(diào)節(jié)器的軟件設計中，主要的設計思想有三個方面:一是軟件必須滿足實時控制的需要;二是軟件要充分發(fā)揮tms320f2812的指令和硬件特點;三是軟件要有很強的靈活性、通用性和可靠性，并考慮以后功能擴展的需要。其中主程序流程圖如圖2所示[5,6]。

圖2 主程序流程圖

pwm波形產(chǎn)生模塊

pwm模塊是為了產(chǎn)生用于電機控制和運動控制場合的脈寬調(diào)制波形時，把cpu開銷和用戶的干預降至最小。在本系統(tǒng)中，只需要一路pwm波就可以滿足對電機的控制。但為了系統(tǒng)的可靠性，采用了兩路pwm波輸出，這樣就可以同時產(chǎn)生兩路相反占空比的pwm波，也可在一路被燒壞后不必對硬件電路作大的改變就可重新得到pwm的輸出。本系統(tǒng)將tms320f2812的iopa6/pwm1和iopa7/pwm2引腳配置為基本功能方式，即配置為pwm1和pwm2輸出功能。pwm的產(chǎn)生是由全比較單元在相應的控制寄存器的控制下完成的。

圖3 模糊參數(shù)自整定pid勵磁控制系統(tǒng)結構圖

參數(shù)自整定模糊pid控制器[7]

dsp的采用解決了勵磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的快速性問題，但系統(tǒng)除了有快速性要求之外，還有控制精度的要求，要達到很好的控制精度，必須采用一種好的控制算法。在微機勵磁調(diào)節(jié)器中采用了參數(shù)自整定模糊pid控制算法。由于計算機輸出增量，誤動作影響小，易于實現(xiàn)自動無擾動切換，利用模糊推理判斷的思想，根據(jù)不同的e（偏差量），ec（偏差變化量）對pid的參數(shù)kp，ki，kd的三個參數(shù)進行在線自整定，這就組成了參數(shù)自整定模糊pid控制器。其結構如圖3所示，它可以在實時控制中自動在線自動調(diào)整pid控制器的三個參數(shù)，使參數(shù)自整定模糊pid控制器運行在較優(yōu)的工作狀態(tài)。

考慮到同步發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器的實際工作情況，取采樣周期t設置為20ms，對實驗室內(nèi)同步發(fā)電機進行機端電壓控制試驗，測得當kp=32.5，ki=2.1，kd=24.5。同步發(fā)電機機端電壓具有較好的起勵升壓特性;而且當kpmin=8.2，kpmax=63.6，kimin=1.1，kimax=6.1，kimin=1.1，kimax=6.1，kdmin=3.8，kdmax=482時，機端電壓也有較好的起勵響應曲線。依據(jù)上面測得的pid參數(shù)和模糊控制器的設計方法及模糊參數(shù)自調(diào)整規(guī)則就可以來設計參數(shù)自整定模糊pid勵磁控制器。

實驗結果及分析

傳統(tǒng)pid控制同步發(fā)電機端電壓波形和參數(shù)自整定模糊pid控制同步發(fā)電機端電壓波形比較: 本系統(tǒng)在實驗結果圖中，橫軸數(shù)字表示時間，大約每250表示1s，縱軸表示同步發(fā)電機的端電壓，單位:v。同步發(fā)電機的頻率為50hz。

圖4 大幅度降壓的pid和模糊pid控制的電壓波形 圖5 升壓的pid和模糊pid控制的電壓波形

選取了大幅度降壓、升壓這兩個典型實驗對傳統(tǒng)pid控制和參數(shù)自整定模糊pid控制的控制效果進行對比和分析，從圖4和圖5的實驗波形可以看出設計的同步發(fā)電機勵磁控制器穩(wěn)態(tài)效果良好。結果表明，較之傳統(tǒng)的pid控制器，模糊參數(shù)自整定pid控制器的響應速度快，超調(diào)量小，過渡過程平穩(wěn)，系統(tǒng)跟蹤性能好。

結語

本文設計的基于tms320f2812芯片控制的同步發(fā)電機的勵磁控制器，采用參數(shù)自整定模糊pid控制策略，通過mosfet功率器件進行勵磁電流的pwm調(diào)節(jié)。充分利用dsp的快速運算能力和片內(nèi)豐富的外設資源，使dsp與其他功能模塊融合成有機的整體;使用ecan現(xiàn)場總線構建網(wǎng)絡，保證通信的高度可靠性和穩(wěn)定性。通過現(xiàn)場實驗所得結果表明，該控制器相對于傳統(tǒng)pid控制器具有較好的動、靜態(tài)性能，調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)曲線相當平滑，其主要性能指標均達到或優(yōu)于國家標準。