基于DSP+μC／OS-Ⅱ的勵磁系統的研究

本文提出采用美國德州儀器公司(TI)的數字信號處理器芯片TMS320LF2812作為控制核心，將實(shí)時(shí)操作系統DSP+μC／OS-Ⅱ，應用于DSP的程序設計中，以次級有源鉗位開(kāi)關(guān)的零電壓零電流開(kāi)關(guān)(ZVZCS)DC／DC移相變換全橋電路為主電路，將系統的多個(gè)核心任務(wù)由DSP+μC／OS-Ⅱ進(jìn)行調度并行執行，完成3種形式勵磁電流的閉環(huán)控制，為同步機勵磁系統嵌入式設計提供一個(gè)理想的設計方案。

1 總體結構

勵磁系統總體結構框圖如1所示。包括零電壓零電流開(kāi)關(guān)(ZVZCS)DC／DC移相變換全橋電路、驅動(dòng)電路、滅磁電路、勵磁電壓、電流調理電路、DSP控制電路、鍵盤(pán)及顯示電路、跳閘保護電路等。

三相交流電源經(jīng)接觸器加到三相整流模塊變?yōu)橹绷?。直流主回路供電加?00 ms的軟啟動(dòng)，以防高的電壓沖擊，Ci為輸入濾波電容，并起到提高功率因數的作用。主電路軟啟動(dòng)接通后，DSP根據鍵盤(pán)設定的一種調節方式，在接受到起勵指令后，輸出規定勵磁電壓，通過(guò)DSP對勵磁參數測量實(shí)現勵磁電流的閉環(huán)控制。保護電路中設計輸入過(guò)壓、欠壓保護、過(guò)流保護和過(guò)熱保護。

2 主電路工作原理

圖2為ZVZCS變換器的主電路圖，并聯(lián)電容C1，C2和變壓器的漏感Lk一起實(shí)現超前臂開(kāi)關(guān)管VQ1，VQ2的ZVS。通過(guò)控制有源鉗位開(kāi)關(guān)VQC來(lái)實(shí)現滯后臂開(kāi)關(guān)管VQ3，VQ4的ZCS。

圖3為ZVZCS變換器的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的主要工作波形。VQ1和VQ2在C1，C2和Lk作用下實(shí)現ZVS。T1時(shí)刻，變壓器的初級電壓Vab下降為零，此時(shí)使VQC導通，使鉗位電容上電壓Vcc反射到初級的Lk上，與因電流減小而產(chǎn)生的電動(dòng)勢的方向正好相反，因此，使初級電流ILk迅速減小到零，而且由于串入VD1，VD2使變壓器初級續流時(shí)不會(huì )在反方向形成環(huán)流，從而使滯后臂開(kāi)關(guān)管VQ3，VQ4實(shí)現零電流導通和關(guān)斷。

3 驅動(dòng)信號的實(shí)現

驅動(dòng)信號生成可通過(guò)DSP的事件管理模塊EVA或EVB產(chǎn)生。PWM信號4路驅動(dòng)信號占空比均設置為50％；2組橋臂之間有相位差，相位超前的信號作為超前橋臂信號，相位滯后的信號作為滯后橋臂驅動(dòng)信號，利用超前橋臂和滯后橋臂的相移來(lái)調節占空比。設置定時(shí)器為連續增減計數模式，在定時(shí)器下溢中斷和周期中斷時(shí)分別設置比較寄存器的值，同時(shí)保證同一個(gè)比較寄存器在定時(shí)器下溢中斷和周期中斷設置參數之和等于周期寄存器的值T，這樣就可以使產(chǎn)生的PWM脈沖為50％的占空比。設系統調節所得移相角對應比較寄存器的值為x(整數)，周期寄存器的值為T(mén)。設置其中一個(gè)比較寄存器在下溢中斷時(shí)賦值為0，在周期中斷時(shí)賦值為T(mén)；另一個(gè)比較寄存器在下溢中斷時(shí)賦值為x，在周期中斷時(shí)賦值為T(mén)-x，如圖4所示?？梢钥闯?，第一個(gè)寄存器的相位相對超前第二個(gè)寄存器180x／T。其中一組驅動(dòng)信號在計數寄存器為0時(shí)產(chǎn)生驅動(dòng)信號，另一組驅動(dòng)信號在0～T之間相對移動(dòng)。所對應寄存器的取值范圍較大，移相范圍是0～180如圖4所示。

4 控制策略

同步電動(dòng)機正常運行時(shí)，由DSP完成對勵磁電壓和勵磁電流的采樣，在中斷程序中完成電壓和電流的雙閉環(huán)PID調節實(shí)現恒流勵磁；系統可以在起動(dòng)前通過(guò)鍵盤(pán)設定選擇系統進(jìn)入同步電動(dòng)機的功率因數調節還是恒無(wú)功功率運行，系統監視任務(wù)將調度不同的任務(wù)，控制框圖如圖5所示。

5 系統軟件

為了將μC／OS-Ⅱ實(shí)時(shí)操作系統應用于系統，必須先移植操作系統到數字信號處理器中，移植工作主要有以下幾個(gè)部分：

(1)在OS-CPU.H中，定義數據類(lèi)型，開(kāi)關(guān)中斷函數已屏蔽編譯器和處理器；定義堆棧的增長(cháng)方向；定義任務(wù)切換函數。

(2)在OS-CPU.C中，用C嵌入匯編編寫(xiě)以下幾個(gè)函數：OStaskstkInit()，OSCtxSw()，OSStartHighRdy()，OSIntCtxSw()，OSTicksr()，OSTaskCreateHook()，OSTaskSwHook()，OSTaskDelHook()，OSTaskstatHook()，OSTimeTickHook()。任務(wù)的全部信息保存在響應的任務(wù)塊和堆棧中，因此任務(wù)的切換要處理任務(wù)控制塊和堆棧。涉及任務(wù)控制塊的工作是：保存被切換任務(wù)的堆棧指針到當前任務(wù)塊；將當前任務(wù)控制塊指向最高任務(wù)控制塊；取出當前任務(wù)塊存儲的堆棧地址。

按系統所要求實(shí)現的功能，將整個(gè)系統劃分為幾個(gè)并行存在的任務(wù)層。占先式操作系統對任務(wù)的調度是按優(yōu)先權的高低進(jìn)行，系統的幾個(gè)任務(wù)按其優(yōu)先級從高到低順序排列是：保護任務(wù)、系統監視任務(wù)、按鍵查詢(xún)任務(wù)、數據濾波運算處理任務(wù)、狀態(tài)信息顯示任務(wù)、投勵滅磁任務(wù)。系統監視任務(wù)是用來(lái)監視系統運行狀態(tài)的任務(wù)，其優(yōu)先權的設置是按照整個(gè)系統運行的時(shí)序來(lái)確定，對系統安全運行較重要和實(shí)時(shí)性要求較嚴格的任務(wù)設較高優(yōu)先級。

中斷服務(wù)程序設計：軟件中設置4種中斷；外部中斷、定時(shí)器1周期中斷、定時(shí)器1溢出中斷，功率驅動(dòng)保護PDPINTA。當電源模塊或系統發(fā)生故障，通過(guò)硬件電路產(chǎn)生外部中斷，同時(shí)將驅動(dòng)脈沖封鎖。在外部中斷程序中設置一個(gè)故障標志送入監視任務(wù)與顯示任務(wù)。周期中斷服務(wù)程序和下溢中斷服務(wù)程序用于產(chǎn)生驅動(dòng)信號和閉環(huán)PID控制，周期中斷觸發(fā)A／D轉換。下溢中斷服務(wù)程序對采樣值進(jìn)行采樣，并送到計算任務(wù)中進(jìn)行各種數字濾波及計算。系統退出中斷時(shí)、內核將重新進(jìn)行任務(wù)調度。中斷服務(wù)程序的流程圖如圖6所示。

6 實(shí)驗結果

完成系統設計后在實(shí)驗室研制了1臺22 kW勵磁系統，主開(kāi)關(guān)器件工作在ZVZCS條件下，開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz。開(kāi)關(guān)變壓器的匝數比N=40：9，Lk=13.6μH，Ce=2.2／μF；VQ1，VQ2，VQ3，VQ4為仙童公司G40N150D，輸出整流管和滯后臂串聯(lián)二極管均選用IXYS公司的DSEI2X61-12；C1，C2為1.6 kV／2 000 pF無(wú)感電容，隔直電容為2 μF極品無(wú)感電容，VQC選用IXYS公司的MOSFET管IXTH10N100，以下為主要實(shí)測波形圖。圖7(a)為變壓器初級電壓波形，圖7(b)為變壓器的初級電流波形。圖8(a)為VQ1，VQ2的ZVS開(kāi)關(guān)波形，圖8(b)為VQ3，VQ4的ZCS開(kāi)關(guān)波形。圖9(a)啟動(dòng)時(shí)電壓波形，圖9(b)為穩態(tài)時(shí)電壓波形。實(shí)驗樣機在各種負載情況下的效率較高，滿(mǎn)載時(shí)效率η=93.6％。

7 結 語(yǔ)

實(shí)驗結果表明，基于DSP+μC／OS-Ⅱ的勵磁系統的嵌入式系統設計，成功解決了一系列在單任務(wù)環(huán)境下難以解決的問(wèn)題，采用次級帶有源箝位開(kāi)關(guān)的全橋移相變換電路作為主電路，能使開(kāi)關(guān)管實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)；整個(gè)系統效率滿(mǎn)足勵磁性能的要求，優(yōu)于勵磁系統國標性能要求。