本實用新型涉及一種勵磁調(diào)節(jié)器，特別是一種涉及水輪發(fā)電機組雙核勵磁調(diào)節(jié)器。
背景技術(shù)：
發(fā)電機勵磁裝置對同步發(fā)電機、同步調(diào)相機和大型同步電動機的勵磁進行自動調(diào)節(jié)的一種措施。主要功能是在正常運行工況下維持母線電壓為給定水平，即起調(diào)壓作用；穩(wěn)定地分配機組間的無功功率；提高電力系統(tǒng)運行的動態(tài)性能及輸電線路的傳輸能力。
目前，采用DSP芯片(如2407、2812、28335)做處理器的勵磁調(diào)節(jié)器較多，但單個DSP芯片處理所有的勵磁功能比較困難，不得不輔以外圍電路來完備勵磁所必需的功能，如：添加獨立的AD芯片實現(xiàn)交流采樣，添加PLD邏輯芯片處理勵磁雙窄脈沖觸發(fā)等，這無疑會增加整個勵磁調(diào)節(jié)器硬件的復(fù)雜性。由于勵磁調(diào)節(jié)器對數(shù)據(jù)及控制任務(wù)的處理實時性要求高，特別是交流采樣和同步雙窄脈沖觸發(fā)的實時性，單DSP芯片已難堪重負。隨著簡單、可靠及單片多核CPU的出現(xiàn)，單個雙核CPU就可以實現(xiàn)更為復(fù)雜的運算及多個同步實時任務(wù)處理。
數(shù)字信號處理器(DSP)是一種經(jīng)過優(yōu)化后用于處理實時信號的微處理器，控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力也大為提高，完全可以勝任勵磁調(diào)節(jié)器的各種數(shù)據(jù)處理；ARM處理器是采用行業(yè)領(lǐng)先的32位處理器，適用于具有較高確定性的實時應(yīng)用，此處理器具有出色的事件的優(yōu)異系統(tǒng)響應(yīng)能力，完全能實現(xiàn)勵磁可控硅的雙窄脈沖觸發(fā)。雙核F28M35芯片正是集合了DSP的數(shù)據(jù)處理能力和ARM的實時響應(yīng)能力，我們開發(fā)了使用德州儀器公司雙核芯片F(xiàn)28M35的勵磁調(diào)節(jié)器：雙核心以獨立的時序處理數(shù)據(jù)，互不相擾；最大發(fā)揮了DSP的數(shù)據(jù)處運算及ARM處理任務(wù)的實時性，作為勵磁調(diào)節(jié)器有較好的先天優(yōu)勢，該系統(tǒng)簡化了硬件結(jié)構(gòu)，提高了調(diào)節(jié)器的可靠性和可維護性。與常規(guī)勵磁調(diào)節(jié)器相比，該調(diào)節(jié)器率先采用了雙核芯片，實現(xiàn)了32點傅里葉交流采樣、以PWM模式實現(xiàn)雙窄脈沖觸發(fā)、多路中斷測量、串口及以太網(wǎng)接口。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本實用新型是為了解決傳統(tǒng)的采用DSP芯片做處理器的勵磁調(diào)節(jié)器難以處理所有的勵磁功能的問題。
本實用新型采用的技術(shù)方案是：一種水輪發(fā)電機組雙核勵磁調(diào)節(jié)器，其特征在于：包括用于采集發(fā)電機電壓、電流信號的一號整形單元、用于數(shù)據(jù)采集的AD采集單元、用于采集IO點控制信號的一號隔離單元、用于采集同步電壓信號的二號整形單元、雙核心處理模塊、用于觸發(fā)脈沖的二號隔離單元、存儲器及用于進行RS232與RS485通訊接口轉(zhuǎn)換的通訊接口轉(zhuǎn)換單元；
所述雙核心處理模塊包括DSP核心數(shù)據(jù)采集處理單元、雙核共享數(shù)據(jù)單元及ARM核心通訊處理脈沖觸發(fā)單元；所述DSP核心數(shù)據(jù)采集處理單元用于實現(xiàn)多路中斷測量、交流采樣、故障判斷、PID運算；所述ARM核心通訊處理脈沖觸發(fā)單元用于實現(xiàn)可控硅脈沖輸出、雙串口、以太網(wǎng)通訊。
進一步的，所述一號整形單元的輸出端與AD采集單元的輸入端相連，AD采集單元的輸出端與DSP核心數(shù)據(jù)采集處理單元的AD通道相連，所述DSP核心數(shù)據(jù)采集處理單元的α接口與一號隔離單元雙向相連，所述雙核共享數(shù)據(jù)單元的一端與DSP核心數(shù)據(jù)采集處理單元相連，另一端與ARM核心通訊處理脈沖觸發(fā)單元相連；ARM核心通訊處理脈沖觸發(fā)單元的CAP接口、PWM接口分別與二號整形單元的輸出端、二號隔離單元的輸入端相連；ARM核心通訊處理脈沖觸發(fā)單元的IC接口、UART接口、EMAC接口分別與存儲器、通訊接口轉(zhuǎn)換單元、以太網(wǎng)雙向連接。
進一步的，所述雙核心處理模塊采用雙核F28M35芯片。
本實用新型的有益效果和特點是：(1)雙核心以獨立的時序處理數(shù)據(jù)，互不相擾；最大發(fā)揮了DSP的數(shù)據(jù)處運算及ARM處理任務(wù)的實時性，作為勵磁調(diào)節(jié)器有較好的先天優(yōu)勢；(2)該系統(tǒng)簡化了硬件結(jié)構(gòu)，提高了調(diào)節(jié)器的可靠性和可維護性。
附圖說明
圖1是本實用新型實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中標號分別表示：1-一號整形單元、2-AD采集單元、3-一號隔離單元、4-DSP核心數(shù)據(jù)采集處理單元、5-雙核共享數(shù)據(jù)單元、6-ARM核心通訊處理脈沖觸發(fā)單元、7-二號整形單元、8-二號隔離單元、9-存儲器、10-通訊接口轉(zhuǎn)換單元、11-以太網(wǎng)；
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本實用新型進行進一步說明：
一種水輪發(fā)電機組雙核勵磁調(diào)節(jié)器，其特征在于：包括用于采集發(fā)電機電壓、電流信號的一號整形單元1、用于數(shù)據(jù)采集的AD采集單元2、用于采集IO點控制信號的一號隔離單元3、用于采集同步電壓信號的二號整形單元7、雙核心處理模塊12、用于觸發(fā)脈沖的二號隔離單元8、存儲器9及用于進行RS232與RS485通訊接口的轉(zhuǎn)換通訊接口轉(zhuǎn)換單元10；
其中，雙核心處理模塊12包括DSP核心數(shù)據(jù)采集處理單元4、雙核共享數(shù)據(jù)單元5及ARM核心通訊處理脈沖觸發(fā)單元6；所述DSP核心數(shù)據(jù)采集處理單元4用于實現(xiàn)多路中斷測量、交流采樣、故障判斷、PID運算；所述ARM核心通訊處理脈沖觸發(fā)單元6用于實現(xiàn)可控硅脈沖輸出、雙串口、以太網(wǎng)通訊。
所述一號整形單元1的輸出端與AD采集單元2的輸入端相連，AD采集單元2的輸出端與DSP核心數(shù)據(jù)采集處理單元4的AD通道相連，所述DSP核心數(shù)據(jù)采集處理單元4的α接口與一號隔離單元3雙向相連，所述雙核共享數(shù)據(jù)單元5的一端與DSP核心數(shù)據(jù)采集處理單元4相連，另一端與ARM核心通訊處理脈沖觸發(fā)單元6相連；ARM核心通訊處理脈沖觸發(fā)單元6的CAP接口、PWM接口分別與二號整形單元7的輸出端、二號隔離單元8的輸入端相連；ARM核心通訊處理脈沖觸發(fā)單元6的I2C接口、UART接口、EMAC接口分別與存儲器9、通訊接口轉(zhuǎn)換單元10、以太網(wǎng)11雙向連接。
作為較優(yōu)的方案，所述雙核心處理模塊12采用雙核F28M35芯片，集合了兩個內(nèi)核，使兩內(nèi)核數(shù)據(jù)交換的硬件設(shè)計變得簡單，并通過新的算法保證兩核心的信號量同步，通過片內(nèi)的部分內(nèi)存作為共享內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。
具體功能實現(xiàn)：
一、DSP核心脈沖捕捉功能
脈沖捕捉功能是勵磁調(diào)節(jié)器的一個重要功能，程序要根據(jù)發(fā)電機頻率直接調(diào)用交流采樣程序，要通過同步中斷觸發(fā)脈沖。本系統(tǒng)分別采用DSP的捕獲單元CAP來測量各種中斷信號?，F(xiàn)以發(fā)電機頻率測量原理加以說明：將發(fā)電機發(fā)出的正弦波電壓轉(zhuǎn)換成脈沖,得到一系列與輸入電壓正弦波相對應(yīng)的脈沖。該脈沖的周期與正弦波的周期相同,脈沖的上升沿對應(yīng)于正弦波由負轉(zhuǎn)正的時刻。在此,要將DSP的捕獲單元設(shè)定在下一個上升沿到來時觸發(fā)一次中斷,這樣,就能精確地測得電壓的周期或頻率。具體操作為：當檢測到捕獲引腳上一個上升沿時，通用定時器的值被捕獲并存貯在相應(yīng)的FIFO堆棧中，當檢測到捕獲引腳上一個下降沿時，讀出通用定時器的值，即為實時的機頻值。本調(diào)節(jié)器可以同時采集多路高速輸入，如3個同步信號、發(fā)電機頻率信號、系統(tǒng)頻率信號、機頻網(wǎng)頻相位差等。
二、ARM核心實現(xiàn)勵磁雙窄高速脈沖觸發(fā)
勵磁調(diào)節(jié)器另一個處理技術(shù)難點就是雙窄脈沖觸發(fā)的實現(xiàn)。由于F28M35芯片自帶一個ARM的處理器，我們可以采用ARM的PWM輸出功能實現(xiàn)勵磁脈沖觸發(fā)。在PWM相關(guān)寄存器設(shè)置正常后，當撲捉到Ta同步信號上升沿中斷時，裝填PWM寄存器相關(guān)單元(清起始周期，裝填CMPA1，CMPB1，啟動PWM)，連續(xù)觸發(fā)雙脈沖；雙脈沖觸發(fā)完成后，停PWM脈沖輸出，等待下一個同步信號的產(chǎn)生。此種處理方式好處：脈沖觸發(fā)只與同步中斷信號相關(guān)，中斷消失時，脈沖觸發(fā)也停止；脈沖觸發(fā)采用PWM方式，不會進入中斷嵌套，保證輸出中斷可靠；脈沖中斷輸出采用硬件、軟件相結(jié)合的方式，保證了脈沖輸出的實時性，也確保不會出現(xiàn)掉脈沖的現(xiàn)象。
三、以ARM核心的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口及高速通訊
由于是新型CPU，且CPU的RAM容量有限，不能照搬現(xiàn)有的驅(qū)動和協(xié)議，需按照本CPU的特點重新編寫硬件驅(qū)動程序和TCP/IP協(xié)議棧程序，以及應(yīng)用層協(xié)議軟件。采用精簡的TCP/IP協(xié)議棧將需要的TCP/IP協(xié)議解碼功能裝載在8K左右的內(nèi)存中，使RAM還有12K左右的容量可供其他程序使用。
如果上/下位機采用普通的主從方式(一問一答方式)顯然滿足不了勵磁設(shè)備的錄波采樣頻率，現(xiàn)使用在內(nèi)存中開辟兩個數(shù)據(jù)緩沖池輪流注入數(shù)據(jù)，并采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，在CPU空閑時將數(shù)據(jù)緩沖池中的數(shù)據(jù)主動發(fā)往上位機，大大提高了采樣頻率。
以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征及本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。