專利名稱：基于dsp的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)同步發(fā)電機勵磁控制器數(shù)據(jù)采集技術(shù)領(lǐng)域，特別是為提高數(shù)據(jù)采集與處理的精度和速度的基于DSP的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
勵磁調(diào)節(jié)器是同步發(fā)電機系統(tǒng)的重要組成部分，在保持發(fā)電機正常運行和電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行方面起著重要作用。其主要作用體現(xiàn)在以下幾個方面(1)控制發(fā)電機機端電壓在給定水平；(2)控制無功功率的分配；(3)提高同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性，改善電力系統(tǒng)的運行條件；(4)給發(fā)電機提供限制、保護(hù)功能并提高繼電保護(hù)的靈敏性。隨著發(fā)電機單機容量及電網(wǎng)規(guī)模的日益增大，發(fā)電機組對勵磁調(diào)節(jié)裝置在快速性、可靠性、柔韌性等方面提出了越來越高的要求。
目前國內(nèi)還有大量的模擬式勵磁控制器在使用，推出的數(shù)字式勵磁控制器，絕大部分是以8位、16位或32位單片機為主處理器，構(gòu)成單通道、雙通道或者是多通道結(jié)構(gòu)的勵磁控制器，其硬件結(jié)構(gòu)形式的選擇有單片機、單板機、工控機和可編程序控制器結(jié)構(gòu)。為提高勵磁控制系統(tǒng)的性能和運行參數(shù)指標(biāo)，以滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的需要，一方面在勵磁控制裝置中添加保護(hù)和限制功能，另一方面，許多新的勵磁控制理論及其算法隨著控制理論的發(fā)展應(yīng)用到勵磁控制器中，如非線性控制理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等。這一趨勢對勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其所采用的中央處理器提出了比較高的要求。在勵磁控制器中，中央處理器完成的任務(wù)包括信息采集、數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)控制、在線檢測、故障錄波和通訊等，在運算數(shù)據(jù)量大量增加的情況下，傳統(tǒng)單片機在運算速度、實時性和精度方面滿足不了系統(tǒng)的要求。目前，無論是模擬式勵磁調(diào)節(jié)器還是以單片機為核心的數(shù)字式勵磁控制器，其數(shù)據(jù)采集及處理能力滿足不了勵磁控制器發(fā)展的需要。研究以新型DSP處理器為核心的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)是同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于DSP的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，它將高性能DSP芯片應(yīng)用在勵磁控制器中，研究開發(fā)了以DSP為核心處理器的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，用DSP對數(shù)字信號處理所做的優(yōu)化來實現(xiàn)勵磁控制器的深度數(shù)字化，提高了勵磁控制器采集數(shù)據(jù)的精度和速度，從而提高了整個勵磁控制器的性能和控制指標(biāo)。
本發(fā)明的技術(shù)方案一種基于DSP的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于它是由頻率測量電路、預(yù)處理電路、ADC與DSP的接口電路、交流數(shù)據(jù)采集電路、開關(guān)量采集電路、移相脈沖形成及功率輸出電路所組成，載有開關(guān)量與模擬量的數(shù)據(jù)信號的前端電路的輸出端與預(yù)處理電路的輸入端相連接，預(yù)處理電路的輸出端與交流數(shù)據(jù)采集電路與開關(guān)量采集電路的輸入端相連接，交流數(shù)據(jù)采集電路與開關(guān)量采集電路的輸出端與DSP的接口電路的輸入端相連接，數(shù)據(jù)處理電路的數(shù)據(jù)通過移相脈沖形成電路輸出到脈沖變壓器，脈沖變壓器的輸出信號輸入到功率輸出電路中的晶閘管。
上述所說頻率測量電路是由電壓互感器、電壓比較器、光耦隔離器、直流電源、數(shù)字信號處理器的事件管理器及相關(guān)匹配元器件所構(gòu)成，測頻電路將機端電壓信號經(jīng)電壓比較器整形成為方波，光耦隔離后接入數(shù)字信號處理器的事件管理器，由事件管理器完成頻率的測量。
上述所說的預(yù)處理電路包括開關(guān)量與模擬量的預(yù)處理電路，開關(guān)量預(yù)處理電路采用常規(guī)光電隔離電路，模擬量輸入信號包括同步發(fā)電機勵磁控制器的電壓和電流兩種基本信號，構(gòu)成在輸入A/D模塊之前需進(jìn)行預(yù)處理的信號調(diào)理電路；其第一級運放為提高輸入阻抗以增強帶負(fù)載能力的電壓跟隨器，第二級為對輸入信號進(jìn)行濾波處理的二階低通濾波電路；第三級中的電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)整電壓到0-5V，構(gòu)成以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入要求的差分輸入方式。
上述所說的模數(shù)轉(zhuǎn)換器與DSP的接口電路、交流數(shù)據(jù)采集電路、開關(guān)量采集電路是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器、運算放大器、數(shù)字信號處理器及相關(guān)的接口器件所構(gòu)成，預(yù)處理后的模擬信號輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，開關(guān)量和經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸入DSP芯片，按軟件所設(shè)計的交流采樣算法進(jìn)行處理，得出相關(guān)的控制參數(shù)，實現(xiàn)勵磁控制器的控制規(guī)律。
上述所說的移相脈沖形成及功率輸出電路是由控制脈沖形成電路、脈沖變壓器及功率輸出電路所構(gòu)成，移相脈沖形成電路通過DSP中計數(shù)器延時來實現(xiàn)，得到移相觸發(fā)角度，脈沖變壓器將得到的脈沖信號進(jìn)行功率放大，經(jīng)脈沖變壓器放大后的信號輸出到功率輸出電路中的晶閘管，以控制相應(yīng)晶閘管的通斷以及開關(guān)的開閉，從而控制勵磁電流的大小。
實現(xiàn)上述勵磁控制規(guī)律的軟件包括數(shù)字濾波子程序、機端電壓電流計算子程序、勵磁電壓電流計算子程序，根據(jù)運算處理結(jié)果判斷勵磁控制器的參數(shù)狀態(tài)，并向系統(tǒng)輸出處理信號，以控制相應(yīng)晶閘管的通斷以及開關(guān)的開閉，從而控制勵磁電流的大小。
本發(fā)明的工作原理為同步發(fā)電機勵磁控制器的電壓、電流信號分別取自發(fā)電機機端PT、CT，PT的輸出為0-100V，CT的輸出為0-5A的交流信號，用高精度電壓互感器和電流互感器對勵磁系統(tǒng)的電壓和電流進(jìn)行比例變換，使其在適合處理的范圍之內(nèi)。再由預(yù)處理電路將待采集的信號進(jìn)行預(yù)處理，使采集信號變換到ADC輸入范圍之內(nèi)，對干擾信號進(jìn)行濾波處理。這部分電路對于保證數(shù)據(jù)采集的精度有重要影響。模擬量經(jīng)過預(yù)處理之后可以輸入ADC芯片。開關(guān)量經(jīng)光電隔離后直接輸入DSP芯片。通過外部硬件設(shè)備及軟件編程實現(xiàn)對勵磁系統(tǒng)電壓和電流信號的實時采集和處理。在交流采樣過程中，充分利用DSP的片內(nèi)資源，每周期采樣40點。每次轉(zhuǎn)換完成時，將產(chǎn)生ADC轉(zhuǎn)換完成中斷，在中斷服務(wù)程序中對A/D采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、處理。對采集到的電壓、電流進(jìn)行計算，得出機端電壓、機端電流、勵磁電壓、勵磁電流以及電網(wǎng)電壓的有效值、有功功率和無功功率。移相脈沖形成通過計數(shù)器延時來實現(xiàn)。勵磁控制器根據(jù)交流采樣所得到的機端電壓和無功功率以及各種保護(hù)限制計算得到移相觸發(fā)角度，利用DSP的片上資源，實現(xiàn)移相脈沖。移相觸發(fā)模塊的任務(wù)是產(chǎn)生相位可調(diào)的脈沖，經(jīng)脈沖變壓器放大，用來觸發(fā)整流橋中的晶閘管，使其控制角控制電壓的大小而改變，從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的目的。
本發(fā)明的優(yōu)越性和技術(shù)效果在于①本裝置與相關(guān)DSP軟件編程相結(jié)合，簡化了硬件裝置設(shè)計；②使用了針對電機和運動控制領(lǐng)域的DSP芯片，芯片上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，使硬件電路的設(shè)計得以簡化，提高了系統(tǒng)可靠性和響應(yīng)的實時性；③在數(shù)據(jù)采集單元中采用交流采樣，省去勵磁控制器中的電量變送器，將使勵磁系統(tǒng)的響應(yīng)能力得到提高，簡化了硬件開銷，減少了系統(tǒng)維護(hù)的工作量；④利用DSP高速的數(shù)據(jù)計算和數(shù)據(jù)處理能力，提高了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度和精度，提高了勵磁控制器的實時性。


附圖1為本發(fā)明所涉基于DSP的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2為本發(fā)明所涉基于DSP的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理部分的電路結(jié)構(gòu)圖。
附圖3為本發(fā)明所涉基于DSP的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中的頻率測量電路結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖4為本發(fā)明所涉基于DSP的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中的ADC與DSP的接口電路、交流數(shù)據(jù)采集電路、開關(guān)量采集電路結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖5本發(fā)明所涉基于DSP的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中的移相脈沖形成及功率輸出電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式實施例一種基于DSP的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于它是由頻率測量電路、預(yù)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364與DSP TMS320F2812的接口電路、交流數(shù)據(jù)采集電路、開關(guān)量采集電路、移相脈沖形成及功率輸出電路所組成，載有開關(guān)量與模擬量的數(shù)據(jù)信號的前端電路的輸出端與預(yù)處理電路的輸入端相連接，預(yù)處理電路的輸出端與交流數(shù)據(jù)采集電路與開關(guān)量采集電路的輸入端相連接，交流數(shù)據(jù)采集電路與開關(guān)量采集電路的輸出端與DSPTMS320F2812的接口電路的輸入端相連接，數(shù)據(jù)處理電路的數(shù)據(jù)通過移相脈沖形成及功率輸出電路輸出。
上述所說頻率測量電路是由電壓互感器、電壓比較器、光耦隔離器、直流電源、數(shù)字信號處理器TMS320F2812的事件管理器及相關(guān)匹配元器件所構(gòu)成，測頻電路將機端電壓信號經(jīng)電壓比較器整形成為方波，光耦隔離后接入數(shù)字信號處理器TMS320F2812的事件管理器，由事件管理器完成頻率的測量。
上述所說的預(yù)處理電路包括開關(guān)量與模擬量的預(yù)處理電路，開關(guān)量預(yù)處理電路采用常規(guī)光電隔離電路，模擬量輸入信號包括同步發(fā)電機勵磁控制器的電壓和電流兩種基本信號，在輸入A/D模塊ADS8364之前需進(jìn)行預(yù)處理，構(gòu)成信號的調(diào)理電路。其第一級運放為電壓跟隨器，提高輸入阻抗，以增強帶負(fù)載能力；第二級為二階低通濾波電路對輸入信號進(jìn)行濾波處理；第三級中的電阻網(wǎng)絡(luò)R16、R17、R18、R19將電壓調(diào)整到0-5V，構(gòu)成差分輸入方式，以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364的輸入要求。
上述所說的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364與DSPF2812的接口電路、交流數(shù)據(jù)采集電路、開關(guān)量采集電路是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364、數(shù)字信號處理器TMS320F2812、運算放大器及相關(guān)的接口器件所構(gòu)成，預(yù)處理后的模擬信號輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364，開關(guān)量和經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸入DSP TMS320F2812芯片，按軟件所設(shè)計的交流采樣算法進(jìn)行處理，得出相關(guān)的控制參數(shù)，實現(xiàn)勵磁控制器的控制規(guī)律。
上述所說的移相脈沖形成及功率輸出電路是由控制脈沖形成電路、脈沖變壓器及功率輸出電路所構(gòu)成，移相脈沖形成電路通過DSPTMS320F2812中計數(shù)器延時來實現(xiàn)，得到移相觸發(fā)角度，脈沖變壓器將得到的脈沖信號進(jìn)行功率放大，經(jīng)脈沖變壓器放大后的信號輸出到功率輸出電路中的晶閘管，以控制相應(yīng)晶閘管的通斷以及開關(guān)的開閉，從而控制勵磁電流的大小。
實現(xiàn)上述勵磁控制規(guī)律的軟件包括數(shù)字濾波子程序、機端電壓電流計算子程序、勵磁電壓電流計算子程序，根據(jù)運算處理結(jié)果判斷勵磁控制器的參數(shù)狀態(tài)，并向系統(tǒng)輸出處理信號，以控制相應(yīng)晶閘管的通斷以及開關(guān)的開閉，從而控制勵磁電流的大小。
權(quán)利要求
1.一種基于DSP的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于它是由頻率測量電路、預(yù)處理電路、ADC與DSP的接口電路、交流數(shù)據(jù)采集電路、開關(guān)量采集電路、移相脈沖形成及功率輸出電路所組成，載有開關(guān)量與模擬量的數(shù)據(jù)信號的前端電路的輸出端與預(yù)處理電路的輸入端相連接，預(yù)處理電路的輸出端與交流數(shù)據(jù)采集電路與開關(guān)量采集電路的輸入端相連接，交流數(shù)據(jù)采集電路與開關(guān)量采集電路的輸出端與DSP的接口電路的輸入端相連接，數(shù)據(jù)處理電路的數(shù)據(jù)通過移相脈沖形成電路輸出到脈沖變壓器，脈沖變壓器的輸出信號輸入到功率輸出電路中的晶閘管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種基于DSP的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于所說頻率測量電路是由電壓互感器、電壓比較器、光耦隔離器、直流電源、數(shù)字信號處理器的事件管理器及相關(guān)匹配元器件所構(gòu)成，測頻電路將機端電壓信號經(jīng)電壓比較器整形成為方波，光耦隔離后接入數(shù)字信號處理器的事件管理器，由事件管理器完成頻率的測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種基于DSP的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于所說的預(yù)處理電路包括開關(guān)量與模擬量的預(yù)處理電路，開關(guān)量預(yù)處理電路采用常規(guī)光電隔離電路，模擬量輸入信號包括同步發(fā)電機勵磁控制器的電壓和電流兩種基本信號，構(gòu)成在輸入A/D模塊之前需進(jìn)行預(yù)處理的信號調(diào)理電路；其第一級運放為提高輸入阻抗以增強帶負(fù)載能力的電壓跟隨器，第二級為對輸入信號進(jìn)行濾波處理的二階低通濾波電路；第三級中的電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)整電壓到0-5V，構(gòu)成以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入要求的差分輸入方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種基于DSP的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于所說的模數(shù)轉(zhuǎn)換器與DSP的接口電路、交流數(shù)據(jù)采集電路、開關(guān)量采集電路是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器、運算放大器、數(shù)字信號處理器及相關(guān)的接口器件所構(gòu)成，預(yù)處理后的模擬信號輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，開關(guān)量和經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸入DSP芯片，按軟件所設(shè)計的交流采樣算法進(jìn)行處理，得出相關(guān)的控制參數(shù)，實現(xiàn)勵磁控制器的控制規(guī)律。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種基于DSP的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于所說的移相脈沖形成及功率輸出電路是由控制脈沖形成電路、脈沖變壓器及功率輸出電路所構(gòu)成，移相脈沖形成電路通過DSP中計數(shù)器延時來實現(xiàn)，得到移相觸發(fā)角度，脈沖變壓器將得到的脈沖信號進(jìn)行功率放大，經(jīng)脈沖變壓器放大后的信號輸出到功率輸出電路中的晶閘管，以控制相應(yīng)晶閘管的通斷以及開關(guān)的開閉，從而控制勵磁電流的大小。
全文摘要
一種基于DSP的數(shù)字式勵磁控制器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，它是由頻率測量電路、預(yù)處理電路、ADC與F2812的接口電路、交流數(shù)據(jù)采集電路、開關(guān)量采集電路、移相脈沖形成及功率輸出電路所組成。本發(fā)明的優(yōu)越性①本裝置與相關(guān)DSP軟件編程相結(jié)合，簡化了硬件裝置設(shè)計；②使用了針對電機和運動控制領(lǐng)域的DSP芯片；③在數(shù)據(jù)采集單元中采用交流采樣，省去勵磁控制器中的電量變送器，簡化了硬件開銷，減少了系統(tǒng)維護(hù)的工作量；④利用DSP的數(shù)據(jù)計算和處理能力，提高了數(shù)據(jù)采集的速度、精度，提高了勵磁控制器響應(yīng)的實時性。
文檔編號H02J3/00GK1777019SQ20051012230
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月12日
發(fā)明者周雪松, 馬幼捷, 吳平安, 張躍均, 邵寶福, 康文廣, 安曉東 申請人:天津理工大學(xué)