应用Cortex-M0设计的励磁数字触发系统

刘 政，司磊磊，张光建

(重庆理工大学计算机科学与工程学院，重庆 400054)

当前水利发电的应用越来越广泛，但全国各地的中小型水电站存在设备陈旧、方式单一等问题，亟需转型。在发电机的同步励磁触发系统中，数字触发模块主要用来触发整流电路中的晶闸管，使控制角α能随发电机机端电压的调整而自主改变，实现自动励磁的效果，因此同步触发部分是自动励磁触发系统的关键。本文设计的触发系统在芯片选择和电路设计方面均有独到之处。从三相全控桥式晶闸管的触发原理出发，有针对性地设计了各个模块的电路，并进行了去噪、抗干扰以及故障纠错等处理。选用的Cortex-M0内核处理器为NXP公司的LPC11c14，功能强、内存大。本设计移植了μCOS-II实时操作系统内核，将所有采集与控制操作设计成优先级不同的任务，使得本控制系统具有良好的用户界面和可维护性。

1 三相晶闸管的控制原理及控制脉冲选择

自动励磁系统的主要功能是保持发电机机端输出电压恒定并有效。使用专门的软件调差模块对并行运作的发电机组间的无功功率进行合理分配［1］。

1.1 三项晶闸管控制原理

在三相可控硅全控桥整流电路(图1)中，一个周期(360°)被等分为6段，每段的跨度为60°。其中，VT1、VT3、VT5 组成共阴极组，VT4、VT6、VT2组成共阳极组。具体划分如下:

VT1与VT6被触发并导通;VT1与VT2被触发并导通;VT3与VT2被触发并导通;VT3与VT4被触发并导通;VT5与VT4被触发并导通;VT5与VT6被触发并导通。每个完整周期结束后，再次重复以上步骤［2］。

图1 三相全控桥

1.2 控制脉冲的选择

为确保三相可控硅全控桥能形成稳定的电流通路，并在电流断断续续的情况下一直导通，必须同时对共阴极组和共阳极两组中应导通的一组晶闸管施加触发脉冲［3］。

发送触发脉冲一般有2种方法:

1)宽脉冲触发法:使每个脉冲的宽度大于60°，但必须小于 120°，一般取80°～100°。

2)双窄脉冲触发法:在触发某一号晶闸管时，同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，使共阴极组和共阳极组的2个应导通的晶闸管上都有触发脉冲，相当于2个窄脉冲等效地代替大于60°的宽脉冲。

宽脉冲法要求触发电路输出功率高，因此采用双窄触发脉冲法。双窄脉冲有两重意义:一是对两组中应导通的2个晶闸管同时施加触发脉冲;二是在同一个360°周期内，每一个晶闸管会被触发 2 次，且间隔为1/6 周期(60°)［4］。

2 系统主电路主要模块的设计

本文所设计的数字励磁触发系统主要包括以下模块:电源系统模块、同步电路及去噪模块、移相控制模块以及脉冲分配隔离和放大电路模块。图2为该触发控制系统的硬件组成结构。

图2 基于Cortex-M0的励磁数字触发系统的硬件组成结构

2.1 电源系统设计

高压大电流可控硅触发系统往往采用脉冲变压器隔离放大触发脉冲。由于脉冲变压器脉宽有限，对于宽脉冲无法隔离，在低压系统中可以采用DC/DC隔离为触发脉冲提供功率源［5］，故采用2 500 V隔离电压24V/9V的DC/DC，脉冲采用光电隔离放大。电源系统模块设计如图3所示。

图3 电源系统模块

2.2 同步电路及去噪

同步的原理是将变压器原边输入的同步电压经过变换，得到一个同步脉冲信号作为计算输出脉冲的基准。使用比较广泛的同步触发电路一般都需要通过同步变压器来获取同步信号。在三相全控桥式整流电路中，采用LPC11c14触发的晶闸管，其线电压的过零点与触发脉冲的自然换相点必须保持同步［6］。图4为设计的同步电路。

图4 同步电路

由于在同一个同步点会产生很多噪声，即所谓的毛刺，因此同步点选择方法是在10 us内连续获取脉冲，然后取中间时刻的脉冲作为标准同步点。

若采用传统同步变压器，会有很多弱点和不足，主要体现在线路设计接法复杂，非专业人员难以调试。本文设计并采用3个如图4所示的同步电路，每个分电路单独采集一个相同步信号，通过分步操作可较大限度地减小误差，更好地提高精度。这3个相同的电路分别接入LPC11c14的CAP引脚。同步电路主要由两部分组成:过零检测器LM211和光耦隔离［7］。具体步骤为:

1)利用具有简单结构、便于使用的LM211直接从可控硅阳极获得线电压然后转换为方波;

2)光耦隔离后形成同步信号提供给触发电路。在每个电源周期的过零点处发出2个同步脉冲(如图4所示)。这样，在一个周期内会发出6个同步脉冲信号，它们在相位上相差60°。

3)同步信号经过整形分别送至LPC11c14的3个输入端口，它们负责采集同步输入信号与相位信号。利用CAP捕捉同步信号的上升沿，经过软件滤波，消除正弦信号的畸变等，得到真实过零点作为可控硅的同步信号。同时检测各反馈量，计算反馈值，由控制算法得到控制角，并据此算出控制量。各步骤的对应关系如图5所示。

图5中:①为同步正弦信号;②为整形生成的方波;③为LPC11c14比较输出口的脉冲波形，输出脉冲分别向6个可控硅提供控制脉冲;④、⑤为分配到6个晶闸管的双窄脉冲［8］。

图5 同步移相

图5 中:1，3，5，4，6，2 分别表示各对应晶闸管的主脉冲;1＇，3＇，5＇，4＇，6＇，2＇分别表示其补脉冲。

以定时器CT32B0为时基，它是32位定时计数器，计数频率采用8 MHz，因此同步触发脉冲的最大分辨率为0.125 μs。CAP为硬件捕获，MAT为硬件输出，以确保同步与脉冲的精确性不会受到软件运行的影响。机段频率为50 Hz时，测频和脉冲输出的理论误差为:0.125 μs/20 ms×100%=0.000 625%。

2.3 移相控制

移相电路是三相全控桥式数字触发电路中的另一个重要部分。经过过零比较器后，同步正弦信号变为相位与周期都一致的方波，用ARM定时器的CAP功能检测同步方波的上升、下降沿，由此生成的2个时刻分别对应于同步信号正半周和负半周的2个的同步信号［9］。

移相脉冲的形成:被同步信号触发之后，由Cortex-M0来进行控制角α的计算、数字移相以及脉冲的形成与分配;使用LPC11c14的硬件定时匹配输出完成精确移相，通过测量前一周波的频率来实现频率的自适应，以此达到与电网的严格同步移相。这种方法充分利用了CPU的时间，硬件工作量少［10］。

系统使用LPC11c14内部定时/计数器，CPU主频48 MHz，定时器工作频率为8 MHz。允许滞后时间最大值为

从机端接入的220 V交流电压经同步信号电路转换后形成6个同步脉冲，每个脉冲在相位上相差60°。LPC11c14接收同步信号并得到α角，然后由控制角α产生脉冲延时。这样就可以控制三相全控桥式整流电路的门级，从而实现对输出电流大小的控制。

由于定时器采用了LPC11c14的自动计数功能，不必采用传统单片机需要外接定时芯片的方法，因此设计电路更加简化。晶振为12 MHz，经LPC11c14的PLL倍频到48 MHz，定时器选用6分频，即8 MHz，因此时钟周期为

同步信号的时钟周期为

即一个360°时钟周期时长为20 ms。因此，定时器的满值为

即定时计数器的最大初值可设置为160 000，跨度对应同步脉冲信号的电角度(360°)［11-12］。

2.4 脉冲分配隔离及放大电路

六路脉冲控制信号在送入晶闸管控制级之前，必须对其进行脉冲分配与隔离放大，因为从LPC11c14输出的脉冲信号首先必须经光电耦与外部强电隔离。其次，驱动能力也必须由晶闸管驱动放大，满足晶闸管所需的触发要求。这种方法虽然隔离电压不高，但是摒弃了体积较大的脉冲变压器，电路的结构更加简化。本电路采用高电压隔离的光电耦合器，隔离电压为6 kV，将数字逻辑与高压可控硅回路隔离开，提高系统的可靠性、安全性。图6为脉冲的隔离及分配电路，可产生触发脉冲串或宽脉冲、双窄脉冲，适用于各种可控硅的可靠触发。

图6 脉冲隔离及分配电路

3 软件实现

本励磁触发系统选择目前广泛应用的Real-View MDK的μVision 4作为编译平台，使用嵌入式C语言和部分汇编语言编程。主程序包括系统初始化子程序，控制角的输入及计算，同步输入信号的检测，脉冲信号的输出，系统启动、复位或停机的控制等各模块。运行过程中可灵活选用电位器给定、RS485串口通讯给定、CAN通讯给定、数字电位器给定等多控制方式，既可以恒定发电机电压，也可以恒定励磁电流;控制器可以自成励磁控制系统，也可以作为独立触发器受控于PLC等其他系统，灵活方便且可以主动判断工作模式，提高了系统的可靠性、灵活性。主程序处理流程如图7所示。

图7 主程序处理流程

4 实验及现场结果

图8为水电站现场数字示波器所测波形图。由图8可知:发电机励磁电流、发电机输出电压平滑、稳定。同时，机端电压控制精度高于2‰，能长期可靠运行，稳定性、可靠性、精度均达到预期目标。从现场长期运行结果看，该触发系统适用面广，可触发各种电流、电压等级可控硅。同时，该系统既可单独用于励磁控制，也可与各种PC、PLC、DSP、MCV协同工作，共同完成冗余控制和水电站各种控制功能。

图8 励磁电压输出波形

5 结束语

实验研究及水电站实地测试表明:本文设计的数字励磁触发系统的硬件电路设计巧妙、可靠性高，便于运行和维护，具备较强的抗干扰能力，具有适应多种气候及水文环境等诸多优点。另外，该数字触发系统基于功能强大的Cortex-M0，运算速度快，处理能力高，且电路设计具有针对性，具备完善的控制算法与功能模块程序。经过多次测试表明:系统运行稳定，达到了预期的控制效果。目前该系统已成功应用于重庆汇能达电子有限公司生产的HNDSPZ1水电站励磁设备，并广泛投入使用。该系统以其精度高、功能完善、可靠性高、成本低等优势获得用户的好评。

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