DSP的柴油发电机组调速系统设计

DSP的柴油发电机组调速系统设计
 

随着社会的发展 ，人们对柴油发电机组的自动化程度要求越来越高。在早期的柴油发电机组控制中，普遍采用单片机微控制器。该控制器运算处理速度较慢，内部资源和接口容量有限，已不能满足柴油发 电机组快速调速的要求 ，而导致整个系统精度受到 了影响。随着微处理器技术的快速发展 ，以高速微处理器为核心的控制系统已成为柴油发 电机组控制 系统的发展趋势 。

 

TI 公 司推出的 TM S320F28xx 系列芯片 TM S320F2812 ，可用于各 种数字伺服控 制和嵌入式 控制 系统 。为此，本文基于TM S320F2812，分析了柴油发电机组调速系统的基本原理，提出了新的柴油发电机组调速系统设计方案 ，为柴油发电机组调速系统向高可靠性、高性能和维护方便的全数字方向发展打好基础。

 

1 TMS320F2812功能及特点

TM S320F2812 是 TI公司最近推出 C2X XX 系列的新产品，是 目前国际市场上较为先进 、功能强大的32 位定点数字信号处理器(DSP)芯片。它具有数据信号处理能力 ，又具有强大 的事件管理能力和嵌入式控制功能 ，适 用于电机控制等高精度应用领域。

 

TM S320F2812 使 用高性 能静态 互补 金属 氧化物半导体 (CM O s )技术 ，时钟 周期为 6．67 ns，工作频率 150 M Hz，低功耗，核心电压 1．8 V ，I／0口电压 3．3 V 。采用哈佛总线结构 ，可实现 16 位x 16 位和32 位 x 32 位的乘累加操作 ，及 2 个 16位 x 16 位的乘累加操作。程序代码高效(用 C／C++ 或 者汇 编语 言 ) ，并 与 TM S320F24X／LF240X处理器的源代码兼容 。片内包括 8 K B x 16 位的FLASH 存储器、1 KB x 16 位的 OTP 型只读存储器、2 块4 KB x 16 位的单 口随机存储器、1 块 8KB x 16 位的单 口随机存储器、2 块 1 KB x 16 位的单 口随机存储器、1块4 KB ×16 位的根只读存储器 (Boot R O M ) ，并带有软件 的 Boot 模式和标准的数学表。外部存储器接口可实现多达1 M 存储器 的扩展 ，可编程等待状态 ，可编程读／写选通计数器 。

 

TM S320F2812 拥有完善 的时钟与控制系统 ，片内 自带振荡器 、看门狗定时器模块 ，支持动态改变锁相环的频率。丰富的外部 中断扩展 ，可支持96 个外部中断 它还拥有增强型事件管理器模块 (EV A 、EV B ) ，叮提供一整套用于运动控制和电机控制应用的功能和特性。每个事件管理模块包括通用定时器 (G P) 、比较单元 、脉宽调制(PW M )单元 、捕 获单 元以及正交编码脉 冲电路 (Q EP )。

 

强大的外 围设备包括 3 个 32 位的 C PU 定时器 ，16 通道 12 位 AD C (单个转换时间为 200 nS，单路转换时间为 60 nS)。此芯片还具有增强的串行外设接口(SPI)和两个串行通信接 口(SCI)，以及增强型的 eC AN 总线通信接 口、多通道缓冲串行接口(M cBSP)和串行外围接 口。

 

2 柴油发电机组调速系统

柴油机的速度控制对输 出电的品质有极大的影响。调速性能是决定整个发电机组电气性能的关键 ，它的好坏决定了柴油机的频率特性 、电压特性及带载能力。因此 ，必须对柴油机进行准确的速度控制。柴油机稳定运行的基本条件是 ：输出力矩与外界负荷 力矩相互平衡 ，而其输出力矩主要是通过改变供油量来加以调整的。柴油发电机组调速的基本原理是：由速度信号传感器检测出转速的变化，通过电子调速器的控制 ，使执行器带动油门拉杆调节 供油量大小 ，从 而实现转速的控制。该调速系统 主要 由转速检测单元 、电子调速器单元及执行机构等部分组成。检测部分主要是由转速电磁传感器及飞轮齿圈组成 的。电磁传感器从飞轮齿圈测得发动机的转速 ，并将其变换成与转速成正比的脉 冲信 号输人给电子调速器，电子调速器将转速与给定转速对 比，并进行相应的控制运算 ，再 由功率输 出环节驱动执行机构改变供油量大小 ，调节转速。柴油机速度控制采用带有有功电流调节内环与速度外环的从属控制系统。该控制系统更好地解决了系统的静态和动态性能的要求 。图 1 为柴油发电机组 调速系统框图。

 

基于 TM S320F28 12 的柴油发 电机组调速系统采用转速和电流双闭环控制回路 ，控 制其转速来保证柴油发电机组供电频率的稳定。柴油发电机组的数字调速器 比传统的模拟调速器可靠性更高 、适应性更强，转速调节和电流调节都采用 PID控制，动态响应快，控制精度更高，抗干扰能力也更强 ，可以获得 良好的静态和动态特性。

 

3 调速系统的硬件设计

由柴油发电机发 电质量检验特性 (电压和频率的稳态调整率、瞬态调整率 、稳定时间及波动率参数 )要求可知 ，柴油机的速度 控制对输出电的品质具有极大的意义和作用 ，因此必须进行准确的速度控制。

 

正常工作状态时，负载平衡恒速运转，输出一个与执行器输出轴转角位置(代表柴油发电机所处负载工况)成正 比的调速电压信号 (0 ～7 V )，给电磁转换器；电磁转换器 中产生一个恒定向的电磁力同该输出轴转角位置上的总弹簧力相平衡 ，此时柴油发电机组 的输出功率同电网负载相平衡 ，柴油机在所给定转速下恒速运转。若外界负载减少或增加 ，转速就会升高或下降，经过调速系统的调速，达到一个新的稳态。

 

调速系统由转速测量模块、电子调速模块和功率驱动模块等几部分组成。硬件框图如图2 所示。

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