专利名称：基于dsp的微型燃机发电励磁控制和保护装置及方法
技术领域：
本发明属于发电机自动控制技术领域，特别涉及一种基于DSP的微型燃机发电励磁控制 和保护装置及方法。
技术背景励磁控制是同步发电机系统中的核心部分，在整个电力系统中占相当重要的地位，良好 的励磁控制装置不仅可以保证发电机的运行的可靠性和稳定性，而且能提高电力系统运行的 经济性。励磁控制系统的提高应从两方面着手， 一是控制算法，二是中央处理器。现行通用的励 磁控制系统的算法大多为线性PID，其优点是简单方便，可以基本满足控制要求，但在控制 精度、响应速度上还有很大的提升空间。而现行的中央处理器大多是8位，16位的单片机。 在高频、高精度的场合有一定的局限性，同时也限制了一些复杂控制算法的应用。 发明内容针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于DSP的微型燃机发电励磁控制和保护装 置及方法，它结合了模糊化的控制思想与高性能的DSP控制器技术，所述DSP为数字信号处 理器的英文縮写(该项成果为国家高技术研究发展计划("863"计划)课题成果)。本发明的硬件装置包括DSP最小系统、电源模块、开关量输入光电隔离模块、开关量输 出光电隔离模块、串行接口电路、倍频电路、整形电路、电压检测变压器电路、电流互感器 电路、电位器给定电路、IGBT驱动电路、功率电路、模拟量输入通道、霍尔电流互感器、霍 尔电压互感器。其中开关量输入光电隔离模块、'开关量输出光电隔离模块分别与DSP的通用 输入输出模块相连，倍频电路与DSP的XINT2 口相连，串行接口电路与DSP的SCI 口相连， 整形电路分别与DSP的CAP1 口、倍频电路、电压检测变压器电路相连，模拟量输入通道分别 与DSP的A/D转换模块、霍尔电流互感器、霍尔电压互感器、电位器输出电压给定电路、电 压检测变压器电路、电流互感器电路相连，电压检测变压器电路、电流互感器电路都与模拟 量输入通道、主发电机三项输出相连，IGBT驱动电路分别与DSP的P匿输出接口、 DSP的过 流报警口、功率电路相连，功率电路分别与副励磁机三项输出、IGBT驱动电路、励磁机相连， 各级电源模块分别为各模块供电，如图1所示。功率电路和霍尔电流、电压互感器电路的电路原理图如图2所示，U3为RM15TA-M 二极
管整流桥模块，其输入端IN与副励磁机三项输出相连，其输出端与保险丝FUSE相连，保险 丝与IGBT驱动器Q1的集电极相连，Ql的发射极通过电感L1与霍尔电流传感器U1的脚6相 连，Ql的集电极、发射极分别与连接器JP1的1、 5针相连，Ql的门极通过电阻R4与JP1的 3针相连，JP1与DSP的PMW输出接口相连，Ul的11脚与连接器JP3的7针相连，Ul的1脚 与连接器JP2的1针相连，JP2的2针与电源地相连，霍尔电压传感器U2的脚4、 3、 5与JP3 的l、 3、 5针相连，JP2和励磁机的励磁绕组相连，JP3与模拟量输入通道中的直流采样电路 相连。DSP最小系统包括DSP、电源芯片、复位电路、晶振、外部扩展RAM存储器。系统电源的电路原理图如图3 (a)所示，连接器JP0WER1、 2针通过二选一开关、二极 管DPOWER都与电源芯片P0WER1、 P0WER2、 P0WER3的2脚相连，JP0WER3、 4针都与P0WER1、 P0WER2、 P0WER3的1脚相连，P0WER1、 P0WER2、 P0WER3的3与4、 5与4脚方分别输出各种 系统所需的电源，电源与地之间有电容滤波。DSP电源的电路原理图如图3 (b)所示，电源芯片U5的脚5、 6、 11、 12与5V电源相连， U5的脚23、24输出1.8V电源，U5的脚17、18输出3. 3V电源，U5的17、 18脚通过电阻RLED2、 二极管LED2与数字地相连，数字地与电源地之间有电感线圈。电压检测变压器的电路原理图如图3 (c)所示，主发电机的三相电压分别与连接器JP4 的2、 3、 4针相连，主发电机的三相电压的公共地与JP4的针1相连，JP4的1、 2针分别与 变压器T3的一次绕组的两端、压敏电阻RC3的两端相连，JP4的1、 3针分别与变压器T2的 一次绕组的两端、压敏电阻RC2的两端相连，JP4的1、 4针分别与变压器Tl的一次绕组的 两端、压敏电阻RC1的两端相连，Tl的二次绕组的两端分别与连接器JP5的1、 7针相连， T2的二次绕组的两端分别与连接器JP5的3、 7针相连，T3的二次绕组的两端分别与连接器 JP5的5、 7针相连，JP5的7针与模拟地相连。JP5与交流采样电路的输入端相连。模拟量输入通道包括6路交流采样电路和3路直流采样信号。一路交流采样电路的电路原理图如图3 (d)所示，电压检测变压器的一路输出与运算放 大器AMP1A的同相输入端相连，AMP1A的反相输入端与其输出端相连，細P1A的输出端通过电 阻R1与运算放大器AMP1B的反向输入端相连，AMP1B的输出端通过电阻R7与运算放大器雇P1C 的反向输入端相连，AMP1C的输出端通过电阻R10与DSP的AD转换模块相连。一路直流采样电路的电路原理图如图3 (e)所示，直流采样电压通过电阻RA97与运算放大器AMP7C的同相输入端相连，層P7C反相输入端与其输出端相连，AMP7C的输出端通过RA98
与运算放大器AMP7D的反相输入端相连，AMP7D的同相输入端与输出端之间有电容、可调电 阻的并联电路，AMP7D的输出端通过电阻RA101输出信号。整形电路的电路原理图如图3 (f)所示，电压测量变压器电路的输出端与整形电路中的 运算放大器AMP2A的同相输入端相连，AMP2A的反相输入端与其输出端相连，AMP2A的输出端 通过电阻RA1与运算放大器AMP2B的反相输入端相连，同时層P2A的输出端通过电阻RA1、 二极管整流模块与运算放大器AMP2B的同相输入端相连，AMP2B的输出端通过电阻RA4、 二极 管DA3与光电耦合器件TLP521的脚1相连，脚3输出信号分别输入倍频电路和DSP的CAP1 □。倍频电路的电路原理图如图3 (g)所示，整形电路的输出端与锁相环芯片U1的14脚相 连，Ul的3、 4脚分别与分频器U2的2、 10脚相连，Ul的脚4输出信号与DSP的XINT2 口 相连。开关量输入电路的电路原理图如图3(h)所示，信号通过电阻RDINl与光电隔离器TLPINlA 的输入端脚2相连，由光电隔离器TLPIN1A的输出端脚16输出信号与DSP的通用输入输出模 块相连。开关量输出电路的电路原理图如图3 (i)所示，DSP输出信号通过电阻RD0UT1与高速光 电隔离器UD1A的输入端脚3相连，由光电隔离器UD1A的输出端脚14向外输出控制信号。IGBT驱动电路的电路原理图如图3 (j)所示，P丽信号输入反相驱动器U7的脚1、 2、 4， U7的脚18与驱动器EXB1的脚15相连，U7的脚16与驱动器EXB2的脚15相连，EXB1的脚1、 3与接插件JPIGBT1的脚3、 2相连，EXB1的脚6通过二极管DPMW1与接插件JPIGBT1的 脚1相连，EXB2的脚1、 3与接插件JPIGBT2的脚3、 2相连，EXB2的脚6通过二极管DPMW2 与接插件JP丽2的脚1相连，JPIGBT1、 JPIGBT2与功率电路中的JP2相连，EXB1的脚5与 光电隔离器EXCU1A的脚2相连，EXB1的脚2通过电阻RP丽4与光电隔离器EXCU1A的脚1相 连，EXB2的脚2通过电阻RPWM6与光电隔离器EXCU1B的脚3相连。绝缘电阻检测电路的电路原理图如图3 (k)所示，发电机绝缘电阻与电阻Rs3、 Rs4与 运放UslA的反相输入端脚2相连，UslA的l、 2脚与二极管Dsl、 Ds2并联；UslA的输出端 脚1通过电阻Rs6分别与二极管Ds3、电容Csl相连，Ds3与光电耦合器Us2A的输入端相连； Us2A的输出端输出信号，并作为一路开关量输入信号与DSP的通用输入输出模块相连。串口通信电路的电路原理图如图3(1)所示，外来信号输入RS-232通讯芯片Ul的脚9， Ul的脚7、 8与插口DB9的2、 3针相连，DB9与上位机串口相连。 电位器给定电路为5V电源与地之间连一可调电阻，可调电阻的输出电压与直流采样电路 相连。本发明的软件工作流程采用C语言编写，可分为下位机软件主流程、发电机励磁控制器的正常工作流程、上位机软件设计流程、下位机串口通信流程等几个流程。本发明的下位机软件主流程设计如图4所示，发电机励磁控制器的启动过程是按以下步骤执行的步骤一开始；步骤二 DSP处理器初始化；步骤三初始化中断向量、定时器、，同时初始化并使能事件管理器的A/D ， CAP、 P丽；步骤四等待开始励磁指令；步骤五进入启动过程，启动定时器计时；步骤六利用FFT快速傅立叶变换处理A/D采样结果，将采样结果与给定值比较的差值 送到模糊PID控制器；步骤七用模糊PID控制器处理的结果来调整P丽的输出；步骤八根据FFT快速傅立叶变换处理的结果判断电压、电流、频率、相序、相位差；步骤九如果0.5S内电压、电流、频率、电流相序、相位差均达到要求，则输出发电机 准备好信号；步骤十当接到接通负载指令后启动过程结束； 发电机励磁控制器的正常工作过程如图5所示，是按以下步骤执行的步骤一FFT快速傅立叶变换处理采样结果，将采样结果与给定值比较的差值送到模糊PID 控制器；步骤二用模糊PID控制器处理的结果来调整PWM的输出；步骤三根据FFT快速傅立叶变换处理的结果判断电压、电流、频率、相序、相位差， 当某一项指标超出设定值时，进行相应的延时报警；步骤四若发生电压、电流、相序报警，励磁控制器发出停机指令，同时取消发电机准备好信号；步骤五判断励磁指令是否取消，若指令仍然存在则返回到正常工作过程步骤一，若指 令取消则返回到启动过程的步骤四；本发明的上位机软件设计流程图如图6所示，把上位机设置为二进制接收模式，当上位机收到下位机发送来的数据的时候，执行如下步骤步骤一串行通信控件出现接收事件的时候，首先判断接收缓冲区里是否有35个数据， 如果有的话就把数据一次性读出来，放在一个变体变量里，否则继续等待下次接收事件；
步骤二把变体变量里传输开始码和传输结束码之间的有效数据部分转移到BYTE型数
组里；
步骤三把BYTE型数组里相邻的下标为奇数(数据的高8位)和下标为偶数(数据的 低8位)的数合成一个双精度数据，然后除以16还原为原来的数据；
步骤四把各个数据显示在各自的文本框里，保留一位有效数字，如果超出标准值，字 体颜色会变成红色；
步骤五处理故障码，分析系统出现的故障，如果出现故障，相应的指示灯闪烁并有蜂 鸣声报警；
步骤六如果要求绘制电压、电流动态曲线，则在图5 (b)的界面上显示曲线； 步骤七在下位机上传下次数据之前，把本次各种数据、当前日期和时间、电机运行情
况以及出现的故障保存在ACCESS数据库文件里，以备以后査询或者绘制历史曲线。 本发明下位机串口通信流程图如图7所示，是按以下步骤执行的-
步骤一DSP执行串行中断子程序，读取命令值；
步骤二根据不同的命令值进行不同的响应
命令值为"A"时，DSP向上位机发送35个字节的参数值和故障码；
命令值为"G"时，DSP从上位机接收新的给定值并修改发电机输出给定值;
命令值为"w"时，发电机开始联网运行；
命令值为"M"时，发电机开始单机运行；
命令值为"P"时，DSP从上位机接收新的PID控制器比例参数；
命令值为"I"时，DSP从上位机接收新的PID控制器积分参数；
命令值为"D"时，DSP从上位机接收新的PID控制器微分参数；
命令值为"R"时，发电机故障码复位，系统不报警；
命令值为"s"时，开始励磁，发电机开始发电；
命令值为"T"时，停止励磁，发电机停止发电。
本发明的优越性及技术效果-
(1) 本系统采用整流斩波控制方式，取代了以前的六个晶闸管整流控制方式，减少了功
率器件的应用，简化了控制电路和控制方法，降低了成本，提高了系统可靠性；
(2) 选用高速DSP控制器，可以应用比较复杂的控制方法，使得系统有很高的控制精度;
(3) 采用交流采样技术，结合快速傅立叶变换算法可以实时测量发电机的输出电压、电 流、频率、功率等参数，为精确控制打下了基础；
(4) 采样整形电路和倍频电路，对发电机输出频率进行快速跟随和同步，提高了交流采 样的精度。
(5) 用串行方式和上位机通信，用VB 6.0设计了人机界面，实现了上位机对控制系统
的监视和控制。
图l为本发明的硬件结构框图2为本发明的功率电路和霍尔电压、电流互感器原理图； 图3 (a)为系统电源原理图； 图3 (b)为DSP电源原理图3 (C)电压检测变压器原理图； 图3 (d)交流采样通道原理图； 图3 (e)直流采样通道原理图3 (O整形电路原理图； 图3 (g)倍频电路原理图； 图3 (h)开关量输入电路原理图； 图3 (i)开关量输出电路原理图； 图3 (j) IGBT驱动电路原理图3 (k)绝缘电阻检测电路原理图； 图3 (1)串口通信电路原理图； 图4控制系统软件流程图； 图5上位机控制界面，
(a) 数字显示界面， '
(b) 曲线绘制界面； 图6上位机软件设计流程图7下位机串口通信程序流程具体实施例方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明，
系统的结构框图如图1所示，右半部分是同轴运行的副励磁机、励磁机和主发电机以及
励磁控制主电路，左半部分是基于DSP的励磁控制系统。副励磁机发出的三相交流电经整流
和斩波后，给励磁机提供励磁电流，励磁机发出三相交流电经旋转整流器整流后给主发电机
提供励磁电流，于是主发电机发出三相交流电。通过控制IGBT的占空比，可以控制励磁机的 励磁电流，从而控制主发电机的励磁电流，并最终控制主发电机的输出电压。通过霍尔电压 电流互感器检测励磁电压和励磁电流、通过变压器和电流互感器检测主发电机输出的交流电 压和电流。这些信号经过交流采样通道反馈到DSP控制器，经内部AD转换器转换为数字信号。 DSP控制PWM信号占空比，从而实现同步发电机的励磁控制。
功率电路和霍尔电流、电压互感器电路的电路原理图如图2所示，U3为RM15TA-M 二极 管整流桥模块，其输入端IN与副励磁机三相输出相连，其输出端与保险丝FUSE相连，保险 丝与IGBT驱动器Ql的集电极相连，Ql的发射极通过电感Ll与霍尔电流互感器Ul的脚6相 连，Ql的集电极、发射极分别与连接器JP1的1、 5针相连，Ql的门极通过电阻R4与JP1的 3针相连，JP1与DSP的PMW输出接口相连，Ul的11脚与连接器JP3的7针相连，Ul的l脚 与连接器JP2的1针相连，JP2的2针与电源地相连，霍尔电压互感器U2的脚4、 3、 5与JP3 的l、 3、 5针相连，JP2、 JP3与模拟量输入通道中的直流采样电路相连。其中U3把交流电 变成直流电，Ul用于检测励磁电流，U2用于检测励磁电压。整流斩波电路是由二极管整流模 块、单管IGBT及其吸收回路、二极管、电感和电容构成的BUCK电路，在一定频率下通过控 制IGBT的占空比，达到控制励磁电压、电流的效果。整流斩波电路是整个控制器的最重要部 分，它将副励磁机的三相交流电先不控整流，然后进行斩波控制，从而控制励磁机励磁电流， 最终控制主发电机的输出电压或无功功率分配。
系统电源的电路原理图如图3 (a)所示，连接器JP0WER通过二选一开关与电源芯片 P0WER1、 P0WER2、 P(WER3的1、 2脚相连，P0WER1、 P0WER2、 P0WER3的3、 5脚输出各种系统 所需的电源，电源与地之间有电容滤波。电源模块为整个控制电路提供各种等级的电源。
DSP电源的电路原理图如图3 (b)所示，电源芯片U5的脚5、 6、 11、 12与5V电源相连， U5的脚23、 24输出1. 8V电源，U5的脚17、 18输出3. 3V电源。DSP电源把系统电源转换3. 3V 和1.8V电源，给DSP供电，并且具有上电复位功能。
电压检测变压器的电路原理图如图3 (c)所示，主发电机的三相电压分别与连接器JP4 的2、 3、 4针相连，主发电机的三相电压的公共地与JP4的针1相连，JP4的1、 2针分别与 变压器T3的一次绕组的两端、压敏电阻RC3的两端相连，JP4的1、 3针分别与变压器T2的 一次绕组的两端、压敏电阻RC2的两端相连，JP4的1、 4针分别与变压器Tl的一次绕组的 两端、压敏电阻RC1的两端相连，Tl的二次绕组的两端分别与连接器JP5的1、 7针相连， T2的二次绕组的两端分别与连接器JP5的3、 7针相连，T3的二次绕组的两端分别与连接器
JP5的5、 7针相连，JP5的7针与数字地相连。JP5与交流采样电路的输入端相连。电压检 测变压器是用于检测发电机输出电压的变压器，它把电压变到运算放大器能够容许的范围， 并实现了与电网的隔离，其信号送到交流采样电路的输入端。
交流采样电路的电路原理图如图3 (d)所示，电压检测变压器的或电流互感器(电流互 感器电路选用的型号为TA1905-04)中的一路输出与运算放大器AMP1A的同相输入端相连， AMP1A的反相输入端与其输出端相连，AMP1A的输出端通过电阻Rl与运算放大器AMP1B的反 向输入端相连，AMP1B的输出端通过电阻R7与运算放大器AMP1C的反向输入端相连，AMP1C 的输出端通过电阻R10与DSP的AD转换模块相连。交流采样电路把有极性的交流信号变为 0-3V内的交流信号，然后送到DSP的AD转换引脚进行交流采样。它采用交流采样技术，结 合快速傅立叶变换算法可以实时测量发电机的输出电压、电流、频率、功率等参数，为精确 控制打下了基础。
直流采样电路的电路原理图如图3 (e)所示，直流采样电压通过电阻RA97与运算放大器 AMP7C的同相输入端相连，AMP7C反相输入端与其输出端相连，AMP7C的输出端通过RA98与 与运算放大器AMP7D的反相输入端相连，AMP7D的同相输入端与输出端之间有电容、可调电 阻的并联电路，AMP7D的输出端通过电阻RA101输出信号。霍尔电压、电流互感器的输出信 号送到电压跟随器的输入端，然后经比例放大后送到DSP的AD转换模块。
整形电路的电路原理图如图3 (f)所示，电压测量变压器电路的输出端与整形电路中的 运算放大器AMP2A的同相输入端相连，AMP2A的反相输入端与其输出端相连，AMP2A的输出端 通过电阻RA1与运算放大器AMP2B的反相输入端相连，同时AMP2A的输出端通过电阻RA1、 二极管整流模块与运算放大器AMP2B的同相输入端相连，AMP2B的输出端通过电阻RA4、 二极 管DA3与光电耦合器件TLP521的脚1相连，脚3输出信号分别输入倍频电路、DSP的CAP1 口。整形电路把交流信号经过过零比较器变为方波，送到DSP的CAP1引脚测量信号频率，同 时为倍频电路提供信号源。
倍频电路的电路原理图如图3 (g)所示,锁相环芯片Ul的3、 4脚分别与分频器U2的2、 IO脚相连，外来信号输入U1的14脚，Ul的脚4输出信号，与数字信号处理器的高速串口、 面访端口相连，倍频电路的输入端与整形电路的输出端相连。把整形电路送来的方波信号倍 频64倍后，送到DSP的XINT2引脚，触发AD采样。
开关量输入电路的电路原理图如图3(h)所示，信号通过电阻RDINl与光电隔离器TLPINlA
的输入端脚2相连，由光电隔离器TLPIN1A的输出端脚16输出信号与数字信号处理器的通用
输入输出模块相连。
开关量输出电路的电路原理图如图3 (i)所示，信号通过电阻RD0UT1与高速光电隔离 器UD1A的输入端脚3相连，由光电隔离器UD1A的输出端脚14输出控制信号。开关量输入、 输出电路是用光电隔离器搭建的开关量输入输出电路，它实现了 27V电平信号和3. 3V电平信 号的相互转换，并实现了电气上的完全隔离。
IGBT驱动电路的电路原理图如图3 (j)所示，PMW信号输入反相驱动器U7的脚1、 2、 4， U7的脚18与驱动器EXB1的脚15相连，U7的脚16与驱动器EXB2的脚15相连，EXB1的脚1、 3与接插件JPIGBT1的脚3、 2相连，EXB1的脚6通过二极管DPMW1与接插件JPIGBT1的 脚1相连，EXB2的脚1、 3与接插件JPIGBT2的脚3、 2相连，EXB2的脚6通过二极管DPMW2 与接插件JPIGBT2的脚1相连，JPIGBT1、 JPIGBT2与功率电路中的JP2相连，EXB1的脚5与 光电隔离器EXCU1A的脚2相连，EXB1的脚2通过电阻RPWM4与光电隔离器EXCU1A的脚1相 连，EXB2的脚2通过电阻RPWM6与光电隔离器EXCU1B的脚3相连。反相驱动器74LS240和 EXB841构成IGBT驱动电路，当IGBT过流的时候，过流信号可以经过光电隔离器送回DSP， DSP会马上采取相应的措施，如封锁脉冲输出等。为了提高系统可靠性，此驱动电路设计了 一套完全一样的冗余备份电路。
绝缘电阻检测电路的电路原理图如图3 (k)所示，用来检测发电机电枢星点和机壳之间 的绝缘电阻是否大于标准值。发电机绝缘电阻与电阻Rs3、 Rs4与运放UslA的反相输入端脚 2相连，UslA的l、 2脚与二极管Dsl、 Ds2并联；UslA的输出端脚1通过电阻Rs6分别与二 极管Ds3、电容Csl相连，Ds3与光电耦合器Us2A的输入端相连；Us2A的输出端输出信号，， 并作为一路开关量输入信号与DSP的通用输入输出模块相连。
串口通信电路的电路原'理图如图3(1)所示，外来信号输入RS-232通讯芯片Ul的脚9， Ul的脚7、 8与插口DB9的2、 3针相连，DB9与上位机串口相连。 '
本发明的下位机软件主流程设计如图4所示，发电机励磁控制器的启动流程是按以下步 骤执行的，如图4 (a)所示
步骤一开始；
步骤二 DSP处理器初始化；
步骤三初始化中断向量、定时器、，同时初始化并使能事件管理器的A/D ， CAP、 PWM;
步骤四等待开始励磁指令；
步骤五进入启动过程，启动定时器计时；
步骤六利用FFT快速傅立叶变换处理A/D采样结果，将采样结果与给定值比较的差值
送到模糊PID控制器；
步骤七用模糊PID控制器处理的结果来调整PWM的输出；
步骤八根据FFT快速傅立叶变换处理的结果判断电压、电流、频率、相序、相位差；
步骤九如果0.5S内电压、电流、频率、电流相序、相位差均达到要求，则输出发电机 准备好信号；
步骤十当接到接通负载指令后启动过程结束； 发电机励磁控制器的正常工作流程是按以下步骤执行的，如图4 (b)所示
步骤一FFT快速傅立叶变换处理采样结果，将采样结果与给定值比较的差值送到模糊PID 控制器；
步骤二用模糊PID控制器处理的结果来调整PWM的输出；
步骤三根据FFT快速傅立叶变换处理的结果判断电压、电流、频率、相序、相位差， 当某一项指标超出设定值时，进行相应的延时报警；
步骤四若发生电压、电流、相序报警，励磁控制器发出停机指令，同时取消发电机准 备好信号；
步骤五判断励磁指令是否取消，若指令仍然存在则返回到正常工作过程步骤一，若指 令取消则返回到启动过程的步骤四；
本发明的上位机控制界面如图5所示。图5 (a)是用VB 6.0设计的上位机数字显示界 面，它把下位机发送过来的电压、电流、功率、频率、功率因数、系统状态等通过文本框显 示出来。如果系统出现故障，上位机相应故障的灯光会闪烁，并且主板发出蜂鸣。右侧是各 种命令按钮，其上面的文字说明了各自按钮的功能。另外，当鼠标在界面上移动的时候，下 面状态栏里会有对应区域的详细功能介绍。图5 (b)是VB 6. 0调用第三方绘图控件GMS Strip 完成的发电机电压和电流的实时曲线显示页面。使用菜单或者鼠标右键可以更改背景、格线、 曲线、鼠标线的颜色以及文字大小。"打印"按钮可以把当前的曲线输出到打印机，"停止" 按钮可以让曲线停止更新，以方便工程人员观察。在图像显示区域点击鼠标左键，系统会在 鼠标处画一根竖线，并以文字方式显示当时的时间、电压值和电流值。
本发明的上位机软件设计流程图如图6所示。点击图5 (a)里的"开始通信"按钮，上 位机向下位机发送命令字符"A"。下位机接到命令后先往上位机发送一个表示传输开始的16 进制字符OxEE，然后开始发送发三相电压值(A、 B、 C)、三相电流值(A、 B、 C)、三相相位 差(AB、 BC、 CA)、发电机有功功率、发电机无功功率、频率值、发电机功率因数、励磁电压 值、励磁电流值、励磁功率值等各2个字节，系统故障码l个字节，总共33个字节的有效数
据。然后传送一个表示传输结束的16进制字符0xDD。包括头尾共35个字节。上位机第一次 收到传输开始字符OxEE后，启动定时器，然后每0.5秒向下位机发送一次命令字符"A"，即 索取一次数据，从而实现电机状态的动态显示。如果一直没有收到传输开始字符OxEE，表示 串口不通。
由于DSP串口通信只能发送整型数据，而且上位机显示数据只要求保留一位小数，所以 要把浮点型数据左移4位之后强制转换变为整数，在上位机里再把数据还原回来。这里把数 据左移4位而不是乘以10，是为了减少DSP的乘法运算，减少DSP的计算量。把上位机设置 为二进制接收模式，当上位机收到下位机发送来的数据的时候，执行如下步骤，如图(6)所
示
步骤一串行通信控件出现接收事件的时候，首先判断接收缓冲区里是否有35个数据， 如果有的话就把数据一次性读出来，放在一个变体变量里，否则继续等待下次接收事件；
步骤二把变体变量里传输开始码和传输结束码之间的有效数据部分转移到BYTE型数
组里；
步骤三把BYTE型数组里相邻的下标为奇数(数据的高8位)和下标为偶数(数据的 低8位)的数合成一个双精度数据，然后除以16还原为原来的数据；
步骤四把各个数据显示在各自的文本框里，保留一位有效数字，如果超出标准值，字 体颜色会变成红色；
步骤五处理故障码，分析系统出现的故障，如果出现故障，相应的指示灯闪烁并有蜂 鸣声报警；
步骤六如果要求绘制电压、电流动态曲线，则在图5 (b)的界面上显示曲线； 步骤七在下位机上传下次数据之前，把本次各种数据、当前日期和时间、电机运行情
况以及出现的故障保存在ACCESS数据库文件里，以备以后査询或者绘制历史曲线。
系统故障码是8位二进制码，在下位机里就是一个8位的字符变量，初始化为0，如果 系统检测到故障，就在此变量上加上对应的故障值。第一位表示相序是否正确，如果是就加
1;第二位表示是否缺相，如果是就加2;第三位表示是否过压，如果是就加4;第四位表示 是否过流，如果是就加8;第五位表示是否频率过低，如果是就加16;第六位表示是否频率 过高，如果是就加32;第七位表示是否绝缘电阻小，如果是就加64;第八位表示是否控制保
护组合故障，如果是就加128。上位机接收到故障码，就可以根据协议中的定义，判断是出
现了什么故障。
本发明下位机串口通信流程图如图7所示。上位机向下位机发送数据时，DSP触发串口 通信中断，开始读取上位机发送过来的命令值，根据预定协议，不同的命令值进行不同的响
应。其主要步骤如下步骤一DSP执行串行中断子程序，读取命令值；步骤二根据不同的命令值进行不同的响应命令值为"A"时，DSP向上位机发送35个字节的参数值和故障码； 命令值为"G"时，DSP从上位机接收新的给定值并修改发电机输出给定值;命令值为"w"时，发电机开始联网运行；命令值为"M"时，发电机开始单机运行；命令值为"P"时，DSP从上位机接收新的PID控制器比例参数;命令值为"I"时，DSP从上位机接收新的PID控制器积分参数;命令值为"D"时，DSP从上位机接收新的PID控制器微分参数;命令值为"R"时，发电机故障码复位，系统不报警；命令值为"s"时，开始励磁，发电机开始发电；命令值为"T"时，停止励磁，发电机停止发电。
权利要求
1、基于DSP的微型燃机发电励磁控制和保护装置，其特征在该装置包括DSP最小系统、电源模块、开关量输入光电隔离模块、开关量输出光电隔离模块、串行接口电路、倍频电路、整形电路、电压检测变压器电路、电流互感器电路、电位器给定电路、IGBT驱动电路、功率电路、模拟量输入通道、霍尔电流互感器、霍尔电压互感器。其中开关量输入光电隔离模块、开关量输出光电隔离模块分别与DSP的通用输入输出模块相连，倍频电路与DSP的XINT2口相连，串行接口电路与DSP的SCI口相连，整形电路分别与DSP的CAP1口、倍频电路、电压检测变压器电路相连，模拟量输入通道分别与DSP的A/D转换模块、霍尔电流互感器、霍尔电压互感器、电位器输出电压给定电路、电压检测变压器电路、电流互感器电路相连，电压检测变压器电路、电流互感器电路都与模拟量输入通道、主发电机三项输出相连，IGBT驱动电路分别与DSP的PMW输出接口、DSP的过流报警口、功率电路相连，功率电路分别与副励磁机三项输出、IGBT驱动电路、励磁机相连，各级电源模块分别为各模块供电。
2、 根据权利要求1所述的基于DSP的微型燃机发电励磁控制和保护装置，其特征在于所述 的功率电路中U3为RM15TA-M 二极管整流桥模块，其输入端IN与副励磁机三项输出相连， 其输出端保险丝Fuse2相连，保险丝与IGBT驱动器Ql的集电极相连，Ql的发射极通过 电感L1与电流传感器U1的脚6相连，Ql的集电极、发射极分别与连接器JP1的1、 5针 相连，Ql的门极通过电阻R4与JP1的3针相连，JP1与DSP的P匿输出接口相连，Ul的 11脚与连接器JP3的7针相连，Ul的1脚与连接器JP2的1针相连，JP2的2针与电源 地相连，电压传感器U2的脚4、 3、 5与JP3的1、 3、 5针相连，JP2、 JP3与模拟量输入 通道中的直流采样电路相连。
3、 权利要求1所述的基于DSP的微型燃机发电励磁控制和保护装置的方法，其特征在控制 软件工作流程采用C语言编写，可分为下位机软件主流程、上位机软件设计流程、下位机 串口通信流程几个流程。
4、 根据权利要求3所述的基于DSP的微型燃机发电励磁控制和保护装置的方法，其特征在 于所述的下位机软件主流程是由发电机励磁控制器的启动流程、发电机励磁控制器的正常 工作流程组成的。
5、 根据权利要求4所述的基于DSP的微型燃机发电励磁控制和保护装置的方法，其特征在于发电机励磁控制器的启动流程是按以下步骤执行的 步骤一开始；步骤二 DSP处理器初始化；步骤三初始化中断向量、定时器、，同时初始化并使能事件管理器的A/D ， CAP、 PWM; 步骤四等待开始励磁指令； 步骤五进入启动过程，启动定时器计时；歩骤六利用FFT快速傅立叶变换处理A/D采样结果，将采样结果与给定值比较的差值送到模糊PID控制器； 步骤七用模糊PID控制器处理的结果来调整PWM的输出；步骤八根据FFT快速傅立叶变换处理的结果判断电压、电流、频率、相序、相位差； 步骤九如果0.5S内电压、电流、频率、电流相序、相位差均达到要求，则输出发电机准备好信号； 步骤十当接到接通负载指令后启动过程结束。
6、根据权利要求4所述的基于DSP的微型燃机发电励磁控制和保护装置的方法，其特征在所述的发电机励磁控制器的正常工作流程是按以下步骤执行的步骤一FFT快速傅立叶变换处理采样结果，将采样结果与给定值比较的差值送到模糊PID 控制器；步骤二用模糊PID控制器处理的结果来调整PWM的输出；歩骤三根据FFT快速傅立叶变换处理的结果判断电压、电流、频率、相序、相位差，当某一项指标超出设定值时，进行相应的延时报警； 步骤四若发生电压、电流、相序报警，励磁控制器发出停机指令，同时取消发电机准备好信号；步骤五判断励磁指令是否取消，若指令仍然存在则返回到正常工作过程步骤一，若指 令取消则返回到启动过程的步骤四。
7、根据权利要求3所述的基于DSP的微型燃机发电励磁控制和保护装置的方法，其特征在 于所述的上位机软件设计流程是按以下步骤执行的-步骤一串行通信控件出现接收事件的时候，首先判断接收缓冲区里是否有35个数据，如果有的话就把数据一次性读出来，放在一个变体变量里，否则继续等待下次接收事件；步骤二把变体变量里传输开始码和传输结束码之间的有效数据部分转移到BYTE型数 组里；步骤三把BYTE型数组里相邻的下标为奇数和下标为偶数的数合成一个双精度数据，然后除以16还原为原来的数据； 步骤四把各个数据显示在各自的文本框里，保留一位有效数字，如果超出标准值，字 体颜色会变成红色；步骤五处理故障码，分析系统出现的故障，如果出现故障，相应的指示灯闪烁并有蜂 鸣声报警；步骤六如果要求绘制电压、电流动态曲线，则在图5 (b)的界面上显示曲线； 步骤七在下位机上传下次数据之前，把本次各种数据、当前日期和时间、电机运行情况以及出现的故障保存在ACCESS数据库文件里，以备以后查询或者绘制历史曲线。
8、根据权利要求3所述的基于DSP的微型燃机发电励磁控制和保护装置的方法，其特征在于所述的下位机串口通信流程是按以下步骤执行的 步骤一DSP执行串行中断子程序，读取命令值； 步骤二根据不同的命令值进行不同的响应命令值为"A"时，DSP向上位机发送35个字节的参数值和故障码；命令值为"G"时，DSP从上位机接收新的给定值并修改发电机输出给定值;命令值为"w"时，发电机开始联网运行；命令值为"M"时，发电机开始单机运行；命令值为"P"时，DSP从上位机接收新的PID控制器比例参数；命令值为"I"时，DSP从上位机接收新的PID控制器积分参数；命令值为"D"时，DSP从上位机接收新的PID控制器微分参数；命令值为"R"时，发电机故障码复位，系统不报警；命令值为"s"时，开始励磁，发电机开始发电；命令值为"T"时，停止励磁，发电机停止发电。
全文摘要
基于DSP的微型燃机发电励磁控制和保护装置及方法，该装置包括DSP最小系统、电源模块、开关量输入输出光电隔离模块、模拟量输入通道、串行接口电路、倍频电路、整形电路、电压检测变压器电路、电流互感器电路、电位器给定电路、IGBT驱动电路、功率电路、霍尔电流互感器、霍尔电压互感器；其中开关量输入输出光电隔离模块、倍频电路、串行接口电路与DSP相连，整形电路分别与DSP、倍频电路、电压检测变压器电路相连，模拟量输入通道分别与DSP、霍尔电流互感器、霍尔电压互感器、电压检测变压器电路、电流互感器电路相连，霍尔电流互感器、霍尔电压互感器与功率电路相连。它的优点是控制简单、系统可靠、精度高、成本低。
文档编号G05B15/02GK101127503SQ20071001200
公开日2008年2月20日 申请日期2007年7月9日 优先权日2007年7月9日
发明者博 刘, 华光辉, 孙秋野, 张化光, 李爱平, 杨东升, 王占山 申请人:东北大学