专利名称：基于dsp的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电力系统同步发电机励磁控制器数据采集技术领域，特别是为提高数据采集与处理的精度和速度的基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统。
背景技术：
励磁调节器是同步发电机系统的重要组成部分，在保持发电机正常运行和电力系统稳定运行方面起着重要作用。其主要作用体现在以下几个方面(1)控制发电机机端电压在给定水平；(2)控制无功功率的分配；(3)提高同步发电机并联运行的稳定性，改善电力系统的运行条件；(4)给发电机提供限制、保护功能并提高继电保护的灵敏性。随着发电机单机容量及电网规模的日益增大，发电机组对励磁调节装置在快速性、可靠性、柔韧性等方面提出了越来越高的要求。
目前国内还有大量的模拟式励磁控制器在使用，推出的数字式励磁控制器，绝大部分是以8位、16位或32位单片机为主处理器，构成单通道、双通道或者是多通道结构的励磁控制器，其硬件结构形式的选择有单片机、单板机、工控机和可编程序控制器结构。为提高励磁控制系统的性能和运行参数指标，以满足电力系统稳定运行的需要，一方面在励磁控制装置中添加保护和限制功能，另一方面，许多新的励磁控制理论及其算法随着控制理论的发展应用到励磁控制器中，如非线性控制理论、人工神经网络、模糊控制等。这一趋势对励磁控制器的数据采集系统及其所采用的中央处理器提出了比较高的要求。在励磁控制器中，中央处理器完成的任务包括信息采集、数据传递、数据处理、系统控制、在线检测、故障录波和通讯等，在运算数据量大量增加的情况下，传统单片机在运算速度、实时性和精度方面满足不了系统的要求。目前，无论是模拟式励磁调节器还是以单片机为核心的数字式励磁控制器，其数据采集及处理能力满足不了励磁控制器发展的需要。研究以新型DSP处理器为核心的数据采集及处理系统是同步发电机励磁系统的重要研究内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，它将高性能DSP芯片应用在励磁控制器中，研究开发了以DSP为核心处理器的数据采集和处理系统，用DSP对数字信号处理所做的优化来实现励磁控制器的深度数字化，提高了励磁控制器采集数据的精度和速度，从而提高了整个励磁控制器的性能和控制指标。
本发明的技术方案一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，其特征在于它是由频率测量电路、预处理电路、ADC与DSP的接口电路、交流数据采集电路、开关量采集电路、移相脉冲形成及功率输出电路所组成，载有开关量与模拟量的数据信号的前端电路的输出端与预处理电路的输入端相连接，预处理电路的输出端与交流数据采集电路与开关量采集电路的输入端相连接，交流数据采集电路与开关量采集电路的输出端与DSP的接口电路的输入端相连接，数据处理电路的数据通过移相脉冲形成电路输出到脉冲变压器，脉冲变压器的输出信号输入到功率输出电路中的晶闸管。
上述所说频率测量电路是由电压互感器、电压比较器、光耦隔离器、直流电源、数字信号处理器的事件管理器及相关匹配元器件所构成，测频电路将机端电压信号经电压比较器整形成为方波，光耦隔离后接入数字信号处理器的事件管理器，由事件管理器完成频率的测量。
上述所说的预处理电路包括开关量与模拟量的预处理电路，开关量预处理电路采用常规光电隔离电路，模拟量输入信号包括同步发电机励磁控制器的电压和电流两种基本信号，构成在输入A/D模块之前需进行预处理的信号调理电路；其第一级运放为提高输入阻抗以增强带负载能力的电压跟随器，第二级为对输入信号进行滤波处理的二阶低通滤波电路；第三级中的电阻网络调整电压到0-5V，构成以满足模数转换器的输入要求的差分输入方式。
上述所说的模数转换器与DSP的接口电路、交流数据采集电路、开关量采集电路是由模数转换器、运算放大器、数字信号处理器及相关的接口器件所构成，预处理后的模拟信号输入模数转换器，开关量和经模数转换器转换后的数字量输入DSP芯片，按软件所设计的交流采样算法进行处理，得出相关的控制参数，实现励磁控制器的控制规律。
上述所说的移相脉冲形成及功率输出电路是由控制脉冲形成电路、脉冲变压器及功率输出电路所构成，移相脉冲形成电路通过DSP中计数器延时来实现，得到移相触发角度，脉冲变压器将得到的脉冲信号进行功率放大，经脉冲变压器放大后的信号输出到功率输出电路中的晶闸管，以控制相应晶闸管的通断以及开关的开闭，从而控制励磁电流的大小。
实现上述励磁控制规律的软件包括数字滤波子程序、机端电压电流计算子程序、励磁电压电流计算子程序，根据运算处理结果判断励磁控制器的参数状态，并向系统输出处理信号，以控制相应晶闸管的通断以及开关的开闭，从而控制励磁电流的大小。
本发明的工作原理为同步发电机励磁控制器的电压、电流信号分别取自发电机机端PT、CT，PT的输出为0-100V，CT的输出为0-5A的交流信号，用高精度电压互感器和电流互感器对励磁系统的电压和电流进行比例变换，使其在适合处理的范围之内。再由预处理电路将待采集的信号进行预处理，使采集信号变换到ADC输入范围之内，对干扰信号进行滤波处理。这部分电路对于保证数据采集的精度有重要影响。模拟量经过预处理之后可以输入ADC芯片。开关量经光电隔离后直接输入DSP芯片。通过外部硬件设备及软件编程实现对励磁系统电压和电流信号的实时采集和处理。在交流采样过程中，充分利用DSP的片内资源，每周期采样40点。每次转换完成时，将产生ADC转换完成中断，在中断服务程序中对A/D采样的数据进行读取、处理。对采集到的电压、电流进行计算，得出机端电压、机端电流、励磁电压、励磁电流以及电网电压的有效值、有功功率和无功功率。移相脉冲形成通过计数器延时来实现。励磁控制器根据交流采样所得到的机端电压和无功功率以及各种保护限制计算得到移相触发角度，利用DSP的片上资源，实现移相脉冲。移相触发模块的任务是产生相位可调的脉冲，经脉冲变压器放大，用来触发整流桥中的晶闸管，使其控制角控制电压的大小而改变，从而达到自动调节发电机励磁电流的目的。
本发明的优越性和技术效果在于①本装置与相关DSP软件编程相结合，简化了硬件装置设计；②使用了针对电机和运动控制领域的DSP芯片，芯片上集成了多种先进的外设，使硬件电路的设计得以简化，提高了系统可靠性和响应的实时性；③在数据采集单元中采用交流采样，省去励磁控制器中的电量变送器，将使励磁系统的响应能力得到提高，简化了硬件开销，减少了系统维护的工作量；④利用DSP高速的数据计算和数据处理能力，提高了该数据采集系统的速度和精度，提高了励磁控制器的实时性。
附图1为本发明所涉基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统的总体结构示意图。
附图2为本发明所涉基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统的数据预处理部分的电路结构图。
附图3为本发明所涉基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统中的频率测量电路结构示意图。
附图4为本发明所涉基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统中的ADC与DSP的接口电路、交流数据采集电路、开关量采集电路结构示意图。
附图5本发明所涉基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统中的移相脉冲形成及功率输出电路结构示意图。
具体实施例方式实施例一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，其特征在于它是由频率测量电路、预处理电路、模数转换器ADS8364与DSP TMS320F2812的接口电路、交流数据采集电路、开关量采集电路、移相脉冲形成及功率输出电路所组成，载有开关量与模拟量的数据信号的前端电路的输出端与预处理电路的输入端相连接，预处理电路的输出端与交流数据采集电路与开关量采集电路的输入端相连接，交流数据采集电路与开关量采集电路的输出端与DSPTMS320F2812的接口电路的输入端相连接，数据处理电路的数据通过移相脉冲形成及功率输出电路输出。
上述所说频率测量电路是由电压互感器、电压比较器、光耦隔离器、直流电源、数字信号处理器TMS320F2812的事件管理器及相关匹配元器件所构成，测频电路将机端电压信号经电压比较器整形成为方波，光耦隔离后接入数字信号处理器TMS320F2812的事件管理器，由事件管理器完成频率的测量。
上述所说的预处理电路包括开关量与模拟量的预处理电路，开关量预处理电路采用常规光电隔离电路，模拟量输入信号包括同步发电机励磁控制器的电压和电流两种基本信号，在输入A/D模块ADS8364之前需进行预处理，构成信号的调理电路。其第一级运放为电压跟随器，提高输入阻抗，以增强带负载能力；第二级为二阶低通滤波电路对输入信号进行滤波处理；第三级中的电阻网络R16、R17、R18、R19将电压调整到0-5V，构成差分输入方式，以满足模数转换器ADS8364的输入要求。
上述所说的模数转换器ADS8364与DSPF2812的接口电路、交流数据采集电路、开关量采集电路是由模数转换器ADS8364、数字信号处理器TMS320F2812、运算放大器及相关的接口器件所构成，预处理后的模拟信号输入模数转换器ADS8364，开关量和经模数转换器转换后的数字量输入DSP TMS320F2812芯片，按软件所设计的交流采样算法进行处理，得出相关的控制参数，实现励磁控制器的控制规律。
上述所说的移相脉冲形成及功率输出电路是由控制脉冲形成电路、脉冲变压器及功率输出电路所构成，移相脉冲形成电路通过DSPTMS320F2812中计数器延时来实现，得到移相触发角度，脉冲变压器将得到的脉冲信号进行功率放大，经脉冲变压器放大后的信号输出到功率输出电路中的晶闸管，以控制相应晶闸管的通断以及开关的开闭，从而控制励磁电流的大小。
实现上述励磁控制规律的软件包括数字滤波子程序、机端电压电流计算子程序、励磁电压电流计算子程序，根据运算处理结果判断励磁控制器的参数状态，并向系统输出处理信号，以控制相应晶闸管的通断以及开关的开闭，从而控制励磁电流的大小。
权利要求
1.一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，其特征在于它是由频率测量电路、预处理电路、ADC与DSP的接口电路、交流数据采集电路、开关量采集电路、移相脉冲形成及功率输出电路所组成，载有开关量与模拟量的数据信号的前端电路的输出端与预处理电路的输入端相连接，预处理电路的输出端与交流数据采集电路与开关量采集电路的输入端相连接，交流数据采集电路与开关量采集电路的输出端与DSP的接口电路的输入端相连接，数据处理电路的数据通过移相脉冲形成电路输出到脉冲变压器，脉冲变压器的输出信号输入到功率输出电路中的晶闸管。
2.根据权利要求1所说的一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，其特征在于所说频率测量电路是由电压互感器、电压比较器、光耦隔离器、直流电源、数字信号处理器的事件管理器及相关匹配元器件所构成，测频电路将机端电压信号经电压比较器整形成为方波，光耦隔离后接入数字信号处理器的事件管理器，由事件管理器完成频率的测量。
3.根据权利要求1所说的一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，其特征在于所说的预处理电路包括开关量与模拟量的预处理电路，开关量预处理电路采用常规光电隔离电路，模拟量输入信号包括同步发电机励磁控制器的电压和电流两种基本信号，构成在输入A/D模块之前需进行预处理的信号调理电路；其第一级运放为提高输入阻抗以增强带负载能力的电压跟随器，第二级为对输入信号进行滤波处理的二阶低通滤波电路；第三级中的电阻网络调整电压到0-5V，构成以满足模数转换器的输入要求的差分输入方式。
4.根据权利要求1所说的一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，其特征在于所说的模数转换器与DSP的接口电路、交流数据采集电路、开关量采集电路是由模数转换器、运算放大器、数字信号处理器及相关的接口器件所构成，预处理后的模拟信号输入模数转换器，开关量和经模数转换器转换后的数字量输入DSP芯片，按软件所设计的交流采样算法进行处理，得出相关的控制参数，实现励磁控制器的控制规律。
5.根据权利要求1所说的一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，其特征在于所说的移相脉冲形成及功率输出电路是由控制脉冲形成电路、脉冲变压器及功率输出电路所构成，移相脉冲形成电路通过DSP中计数器延时来实现，得到移相触发角度，脉冲变压器将得到的脉冲信号进行功率放大，经脉冲变压器放大后的信号输出到功率输出电路中的晶闸管，以控制相应晶闸管的通断以及开关的开闭，从而控制励磁电流的大小。
全文摘要
一种基于DSP的数字式励磁控制器的数据采集与处理系统，它是由频率测量电路、预处理电路、ADC与F2812的接口电路、交流数据采集电路、开关量采集电路、移相脉冲形成及功率输出电路所组成。本发明的优越性①本装置与相关DSP软件编程相结合，简化了硬件装置设计；②使用了针对电机和运动控制领域的DSP芯片；③在数据采集单元中采用交流采样，省去励磁控制器中的电量变送器，简化了硬件开销，减少了系统维护的工作量；④利用DSP的数据计算和处理能力，提高了数据采集的速度、精度，提高了励磁控制器响应的实时性。
文档编号H02J3/00GK1777019SQ20051012230
公开日2006年5月24日 申请日期2005年12月12日 优先权日2005年12月12日
发明者周雪松, 马幼捷, 吴平安, 张跃均, 邵宝福, 康文广, 安晓东 申请人:天津理工大学