基于dSPACE的雙繞組感應發(fā)電機實(shí)時(shí)控制系統研究

1 引言

　　新型雙繞組感應發(fā)電機定子嵌有兩套極數相同的繞組，一套為功率繞組，輸出端接勵磁電容、整流器負載；另一套為控制繞組，接勵磁變換器，可為發(fā)電系統連續調節勵磁，保持功率繞組輸出電壓不變。雙繞組感應發(fā)電機系統的數學(xué)仿真包括發(fā)電機、功率半導體、控制器、測量裝置等多個(gè)數學(xué)模型。連續系統的數學(xué)仿真保證積分誤差處于規定范圍內，常采用動(dòng)態(tài)調節仿真步長(cháng)的方法提高仿真速度。在該發(fā)電系統的實(shí)時(shí)控制中，控制程序通常運行在DSP等嵌入式器件上，在同定的時(shí)鐘周期內完成控制程序，并對執行元件一功率半導體發(fā)出控制信號，這樣就存在諸如中斷延時(shí)、執行時(shí)間、硬件接口、測量誤差等瓶頸問(wèn)題。解決上述問(wèn)題的方法是將雙繞組感應發(fā)電機、功率半導體、傳感器等接人仿真回路，仿真系統按照實(shí)際時(shí)間工作，即可滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。這種半實(shí)物仿真形式也稱(chēng)為快速控制原型。

　　本文提出一種基于dSPACE單板系統DS1104試驗平臺的離散事件勵磁變換器系統與連續時(shí)間雙繞組發(fā)電機系統解耦的實(shí)時(shí)仿真方法，建立相應的試驗模型，并對一臺雙繞組感應發(fā)電機系統進(jìn)行試驗研究。

2勵磁系統的控制策略

　　當雙繞組感應發(fā)電機轉速或負載發(fā)生變化時(shí)，應保持輸出電壓恒定，需要調節電機的勵磁無(wú)功，同時(shí)調節控制繞組側勵磁變換器直流側電容的有功功率。本文采用控制繞組定子磁場(chǎng)定向控制策略。雙繞組發(fā)電系統勵磁控制原理圖如圖1所示。

 
　　整個(gè)系統控制分為兩個(gè)閉環(huán)，其中將功率繞組整流橋輸出端檢測的輸出電壓Upd與所給參考電壓Updref相比較得到誤差信號，經(jīng)PI調節器控制后得到參考無(wú)功電流分量給定值i*sd，來(lái)補償控制電機所需勵磁無(wú)功：根據控制繞組勵磁變換器直流側電容的電壓檢測值Ucd與所給參考電壓給定值Ucdref相比較所得的誤差信號，經(jīng)PI調節器控制后乘以系數-1可得到參考有功電流分量給定值i*sq，來(lái)補償控制電容CC所需有功功率，其中系數-1表示有功是從電機流向勵磁變換器。

3實(shí)時(shí)系統硬件設計

　　dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統是基于Matlab／Simulink的控制系統開(kāi)發(fā)及測試平臺。與Matlab／Simulink完全無(wú)縫連接。本文采用的單板系統DS1104是由主處理器、輔助DSP、中斷控制器、儲存器、計時(shí)器以及主機接口等部分組成。DS1104控制器板使用PowerPC處理器進(jìn)行浮點(diǎn)運算，其主頻為250 MHz，運算能力強。DS1104控制器板還集成了TMS320F240DSP為核心的I／O子系統，滿(mǎn)足特殊的I／O要求。

　　dSPACE軟件系統由算法開(kāi)發(fā)模塊、實(shí)時(shí)運行模塊以及實(shí)時(shí)測試監控模塊3部分組成?；赿SPACE的雙繞組發(fā)電機控制系統開(kāi)發(fā)包括：

　　(1)LAB／Simulink模型建立及離線(xiàn)仿真。利用Matlab／Simulink建立雙繞組感應發(fā)電機仿真對象的數學(xué)模型，設計控制方案，并對系統離線(xiàn)仿真。

　　(2)I／O的接入。Matlab／Simulink中保留需要下載至SPACE的模塊，利用硬件接口關(guān)系代替原邏輯連接關(guān)系，配置I／O，設置軟硬件中斷優(yōu)先級。

　　(3)利用RTW和dSPACE提供的工具自動(dòng)生成代碼并下載，將模型轉換為實(shí)時(shí)仿真機可運行的程序。

　　(4)dSPACE綜合實(shí)驗和調試。利用ControlDesk獲取實(shí)時(shí)仿真數據。

　　功能強大的實(shí)時(shí)代碼能實(shí)現軟件RTI與界面友好的試驗軟件ControlD-esk，可快速建立雙繞組感應發(fā)電機實(shí)時(shí)控制系統平臺。系統硬件連接原理圖如圖2所示。硬件電路包括由勵磁變換器、發(fā)電機、整流型負載組成的主回路，而以DS1104為核心的控制回路包含定子雙繞組電壓、電流檢測，直流母線(xiàn)電壓的檢測電路和保護電路等。

 
　　本系統設計含有10路A／D采樣電路，該A／D采樣電路用于采樣控制側母線(xiàn)電流電壓、控制側兩相電流(三相中只有兩相電流是獨立的)、功率側兩相電流電壓以及功率側母線(xiàn)電流電壓等。選擇其中所需的采樣通過(guò)同軸電纜分別與DS1104的8個(gè)ADC單元相連，主要包括：控制側電流檢測、功率側電流檢測、控制側電壓檢測、功率側電壓檢測。

　　另外，采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)綜合處理故障信號。本系統設計含有16個(gè)保護信號輸人，經(jīng)過(guò)"相與"后產(chǎn)生一個(gè)FAULT信號輸入至DS1104控制器板的主處理器，主處理器產(chǎn)生硬件中斷信號，使程序在Matlab軟件中停止運行，同時(shí)，還輸出一個(gè)BRAKE信號在控制平臺硬件上直接關(guān)閉PWM信號，實(shí)現實(shí)驗平臺的雙重保護。這16個(gè)保護信號經(jīng)過(guò)處理后輸出14個(gè)低電平有效的顯示信號，使對應的LED發(fā)光報警。

　　該控制方案在一臺由三相感應電動(dòng)機自行改制的1 500 rpm,900 W的小樣機全數字控制平臺上進(jìn)行驗證，設計PI可調的實(shí)時(shí)仿真界面?？刂破飨到y周期為80μs，數字滯環(huán)的寬為0.5 A。

4試驗研究

4.1系統自勵建壓

　　采用105 μF的自勵電容自勵建壓，當功率側直流電壓達到120 V時(shí)即轉入控制繞組磁場(chǎng)定向矢量控制，在額定轉速空載下的自勵建壓試驗波形如圖3所示。

 
　　由于整流橋直流輸出側采用較大的濾波電容，圖3所示的功率側直流電壓在建壓穩定后始終是平直光滑的，幾乎沒(méi)有較大波動(dòng)。
4.2勵磁電容C=105 μF額定負載時(shí)的變速過(guò)程

　　系統帶額定負載時(shí)，轉速從1 500 rpm快速增加至2 000 rpm，此過(guò)程采用控制繞組的電壓定向控制策略，功率側直流電壓上升至9 V，約為5.6％，如圖4所示。

 
　　額定負載時(shí)變速的控制繞組電壓電流的波形如圖5所示。額定負載運行時(shí)，控制繞組線(xiàn)電流滯后于線(xiàn)電壓約120°(相電流滯后于相電壓約90°)，由于電壓電流參考方向是按照電動(dòng)機慣例。此時(shí)控制繞組勵磁變換器具有電容作用，向發(fā)電機提供所需無(wú)功，滿(mǎn)載運行時(shí)，由于去磁效應，勵磁電容不能提供發(fā)電機所需的無(wú)功，此時(shí)需要控制繞組補償，且隨著(zhù)轉速的升高，發(fā)電機所需無(wú)功下降，控制繞組的電流越來(lái)越小，符合電機轉速升高弱磁原理。


 
5 結束語(yǔ)

　　本文采用dSPACE單板系統DS1104試驗平臺的離散事件逆變器系統與連續時(shí)間發(fā)機系統解耦的實(shí)時(shí)仿真方法，將雙繞組感應發(fā)電機-逆變器-傳感器取代數學(xué)模型，直接置人仿真回路，進(jìn)行半實(shí)物仿真研究，內容包括：系統建壓、額定負載的變速運行等，研究結果表明，將dSPACE應用于雙繞組感應發(fā)電系統中，有利于縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，提高系統運行的可靠性。