柴油发电机组全数字控制系统硬件设计
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摘要
近些年来，随着自动控制理论、微电子技术以及电力电子技术的迅速发展，许多与柴油发电机组相关的理论与技术已经应用到工程实践中，传统的模拟式控制器已逐步被性能更为优越，结构更为简单的数字式控制器所代替。
由于海洋、沙漠和陆地石油钻机全部使用柴油发电机组提供原动力，并且机组控制系统的技术提升改造成为热点工程。在此背景下，本课题主要研究对象为基于DSP芯片的柴油发电机组全数字控制系统的原理，以及控制系统硬件的设计过程和整体结构。其中主要芯片采用TI公司的16位定点DSP TMS320LF2407A，整个DSP系统具有高速的运算能力和丰富的片内外资源，能够满足柴油发电机组实时控制以及性能指标的要求，并将柴油机速度控制系统、发电机电压控制系统以及相应的装置等原先分离的系统整合为性能更为优越、更为可靠的单一系统。本课题完成了柴油发电机组控制器的硬件系统选型和电路设计，相关可编程逻辑器件的译码程序编写、验证以及基于DSP的控制器的半实物仿真实验。
With the development of the theory of Automatic Control, Micro Electric technology, special integrated chips and Power Electronics technology, the application of Generator Sets control theory is widely extended in practice. Generator Sets controller is improved into Digital Controller with optimal capacity and simple structure, instead of the traditional analog controller.
For there are lots of Generator Sets, which power electrically-driven rigs, used on oil platform in the country, the modification of the control system of Generator Sets is more and more. On the background, the principles of Generator Sets digitalized control system based on DSP, the whole process of design and system structure from the view of hardware design are presented in this paper. The main chip is 16-bit fixed-point DSP TMS320LF2407A specially designed for control system by TI Inc. The controller has high-performance processing capabilities, abundance on-chip and outside-chip peripherals, so that it can meet the need of Generator Sets' real-time control and performance requirements. Integrated digital voltage regulation, digital governing, and generator set protective functions into one single control system provide enhanced reliability and performance compared to conventional control systems. The selection of the control system and its hardware design, the programming of the functions of GALs and va
lidation of the controller based on DSP by Hardware-in-the-Loop system are accomplished in this paper.
由于海洋、沙漠和陆地石油钻机全部使用柴油发电机组提供原动力，并且机组控制系统的技术提升改造成为热点工程。在此背景下，本课题主要研究对象为基于DSP芯片的柴油发电机组全数字控制系统的原理，以及控制系统硬件的设计过程和整体结构。其中主要芯片采用TI公司的16位定点DSP TMS320LF2407A，整个DSP系统具有高速的运算能力和丰富的片内外资源，能够满足柴油发电机组实时控制以及性能指标的要求，并将柴油机速度控制系统、发电机电压控制系统以及相应的装置等原先分离的系统整合为性能更为优越、更为可靠的单一系统。本课题完成了柴油发电机组控制器的硬件系统选型和电路设计，相关可编程逻辑器件的译码程序编写、验证以及基于DSP的控制器的半实物仿真实验。
With the development of the theory of Automatic Control, Micro Electric technology, special integrated chips and Power Electronics technology, the application of Generator Sets control theory is widely extended in practice. Generator Sets controller is improved into Digital Controller with optimal capacity and simple structure, instead of the traditional analog controller.
For there are lots of Generator Sets, which power electrically-driven rigs, used on oil platform in the country, the modification of the control system of Generator Sets is more and more. On the background, the principles of Generator Sets digitalized control system based on DSP, the whole process of design and system structure from the view of hardware design are presented in this paper. The main chip is 16-bit fixed-point DSP TMS320LF2407A specially designed for control system by TI Inc. The controller has high-performance processing capabilities, abundance on-chip and outside-chip peripherals, so that it can meet the need of Generator Sets' real-time control and performance requirements. Integrated digital voltage regulation, digital governing, and generator set protective functions into one single control system provide enhanced reliability and performance compared to conventional control systems. The selection of the control system and its hardware design, the programming of the functions of GALs and va
lidation of the controller based on DSP by Hardware-in-the-Loop system are accomplished in this paper.
引文
[1] 曹耀峰．电动钻机电气控制技术[m]．北京：石油大学出版社，2001．
[2] 刘金琨．先进PID控制及其MATLAB仿真[M]．北京：电子工业出版社．2003
[3] 李永东．交流电机数字控制系统[M]．北京：机械工业出版社，2003．
[4] 王念旭．DSP基础与应用系统设计[M]．北京：北京航天航空大学出版社，2001．
[5] 刘和平，王维俊，江渝，邓力等．TMS320LF240x DSP C语言开发应用[M]．北京：北京航天航空大学出版社，2003．1．
[6] 张雄伟，曹铁勇．DSP芯片的原理与开发应用[M]．电子工业出版社，2000．
[7] 李景华，杜玉远．可编程逻辑器件与EDA技术[M]．沈阳：东北大学出版社，2000．
[8] 苏涛等．DSP接口电路设计与编程[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2003．
[9] 褚振勇，翁木云．FPGA设计与应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2002．
[10] 李基成．现代同步发电机励磁系统设计与应用[M]．北京：中国电力出版社，2002．
[11] 周双喜，李丹．同步发电机数字式励磁调节器[M]．北京：中国电力出版社，1998．
[12] 林树滋，张绍煌．小型同步发电机的可控硅励磁[M]．北京：水利电力出版社，1984．
[13] Jim Ledin. Embedded Control Systems in C/C++: An Introduction for Software Developers Using MATLAB[M].U.S: CMP Books, 2004.
[14] Cummins/Onan Gensets Service Manual[Z].Cummins Inc.,2001.
[15] Implementation of PID and Deadbeat Controllers with the TMS320 Family [R]. Texas Instruments Incorporated, 1997.
[16] Implementation of a Speed Controlled Brushless DC Drive Using TMS320F240 [R]. Texas Instruments Incorporated, 1997.
[17] Getting Started in C and Assembly Code with the TMS320LF240x DSP[R]. Texas Instruments Incorporated, 2002.
[18] 3.3V DSP for Digital Motor Control[R]. Texas Instruments Incorporated, 2002.
[19] Visual Solutions Inc. VisSim/ECD User Guide[Z].Visual Solutions Inc.,2003.
[20] O. Ustun et al. Simulation of power electronic circuits using VisSim~(TM) software: a study on toolbox development[C].Computers in Power Electronics, 2000:183-187.
[21] M. A. Rahman et al. Modelling and Controller Design of an Isolated Diesel Engine Permanent Magnet Synchronous Generator[J].IEEE Transactions on Energy Conversion, 1996(11):324-330.
[22] 蔡复青等．柴油发电机组监控系统研究[J]．数采与监控，2003：41-43．
[23] 陈涵 柴油发电机组控制系统电源电路设计[J]．移动电源与车辆，2001(3)：1-5．
[24] 张小勇，谷俊杰．基于不同性能指标的励磁控制系统的分析与比较[J]．河北电力技术，2003(2)：31-33．
[25] 徐波等．TMS320F240器件中断系统在电机控制中的应用[J]．湖北工学院学报，2002 (6) ：39-41．
[26] 武晓光等．利用Matlab和Simulink对DSP进行系统级的设计方法[J]．电子设计应用，2003，(3)：53-54．
[27] 胡晓东，乔刚．DSE555发电机组专业控制器简介[J]．移动电源与车辆，2002(3)：20-23．
[28] 杨冠鲁．无刷柴油发电机神经元双PSD控制[J]．计算机测量与控制，2003．11(5)：354-358．
[29] 张继刚．柴油发电机组的交流发电机和励磁系统[J]．通信电源，2000(10)：21-25．
[30] 陈新华．柴油发电机组——稳压调速控制系统研究[J]．山东矿业学院学报，1999(3)：45-47．
[31] 纪少华．无刷交流同步发电机励磁系统的DSP控制[J]．电子产品世界，2002(2)：48-50．
[32] 何伟，陈钢．柴油发电机组速度控制系统的仿真研究[J]．移动电源与车辆，2002(1)17-20．
[33] 韩英铎，谢小荣．同步发电机励磁控制研究的现状与走向[J]．清华大学学报，2001(4)：142-146．
[34] 蒋耘农．国外柴油机微机电控系统发展概况[J]．拖拉机与农用运输车，2001(3)：37-40．
[35] 周双喜，张恒．一种新型自校正PID励磁调节器的研究[J]．清华大学学报，1997(1)：31-34．
[36] 孙亚平．EGCP21发电机组控制器的应用[J]．移动电源与车辆，2002(2)：17-19．
[37] 吕滨．柴油机数字式调速系统控制算法的对比分析[J]．柴油机，1999(3)：35-39．
[38] 朱辉等．硬件在环仿真在汽车控制系统开发中的应用[J]．汽车技术，1998(12)：5-9．
[39] 朱辉等．ECU硬件在环仿真系统的构成技术[J]．车用发动机，1998(5)：27-34．
[40] 马增禄，吴世林．同步发电机励磁智能控制器[J]．四川联合大学学报，1998(7)：76-79．
[41] 谢小荣，崔文进．一种非线性自适应最优励磁控制器的设计[J]．电力系统自动化，2001(2)．
[42] 邵淼杰．船用柴油发电机组及其调速系统的动、静态仿真[J]．船舶工程，2003(2)：34-36．
[43] 王宗国．复杂可编程逻辑器件(CPLD)在DSP交流电机控制系统中的应用[J]．电机与控制学报，2001(5)：40-43．
[44] 秦娟英，陆家珍．基于DSP的交流采样及其实现[J]．自动化与仪器仪表，2003(3)：54-56．
[2] 刘金琨．先进PID控制及其MATLAB仿真[M]．北京：电子工业出版社．2003
[3] 李永东．交流电机数字控制系统[M]．北京：机械工业出版社，2003．
[4] 王念旭．DSP基础与应用系统设计[M]．北京：北京航天航空大学出版社，2001．
[5] 刘和平，王维俊，江渝，邓力等．TMS320LF240x DSP C语言开发应用[M]．北京：北京航天航空大学出版社，2003．1．
[6] 张雄伟，曹铁勇．DSP芯片的原理与开发应用[M]．电子工业出版社，2000．
[7] 李景华，杜玉远．可编程逻辑器件与EDA技术[M]．沈阳：东北大学出版社，2000．
[8] 苏涛等．DSP接口电路设计与编程[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2003．
[9] 褚振勇，翁木云．FPGA设计与应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2002．
[10] 李基成．现代同步发电机励磁系统设计与应用[M]．北京：中国电力出版社，2002．
[11] 周双喜，李丹．同步发电机数字式励磁调节器[M]．北京：中国电力出版社，1998．
[12] 林树滋，张绍煌．小型同步发电机的可控硅励磁[M]．北京：水利电力出版社，1984．
[13] Jim Ledin. Embedded Control Systems in C/C++: An Introduction for Software Developers Using MATLAB[M].U.S: CMP Books, 2004.
[14] Cummins/Onan Gensets Service Manual[Z].Cummins Inc.,2001.
[15] Implementation of PID and Deadbeat Controllers with the TMS320 Family [R]. Texas Instruments Incorporated, 1997.
[16] Implementation of a Speed Controlled Brushless DC Drive Using TMS320F240 [R]. Texas Instruments Incorporated, 1997.
[17] Getting Started in C and Assembly Code with the TMS320LF240x DSP[R]. Texas Instruments Incorporated, 2002.
[18] 3.3V DSP for Digital Motor Control[R]. Texas Instruments Incorporated, 2002.
[19] Visual Solutions Inc. VisSim/ECD User Guide[Z].Visual Solutions Inc.,2003.
[20] O. Ustun et al. Simulation of power electronic circuits using VisSim~(TM) software: a study on toolbox development[C].Computers in Power Electronics, 2000:183-187.
[21] M. A. Rahman et al. Modelling and Controller Design of an Isolated Diesel Engine Permanent Magnet Synchronous Generator[J].IEEE Transactions on Energy Conversion, 1996(11):324-330.
[22] 蔡复青等．柴油发电机组监控系统研究[J]．数采与监控，2003：41-43．
[23] 陈涵 柴油发电机组控制系统电源电路设计[J]．移动电源与车辆，2001(3)：1-5．
[24] 张小勇，谷俊杰．基于不同性能指标的励磁控制系统的分析与比较[J]．河北电力技术，2003(2)：31-33．
[25] 徐波等．TMS320F240器件中断系统在电机控制中的应用[J]．湖北工学院学报，2002 (6) ：39-41．
[26] 武晓光等．利用Matlab和Simulink对DSP进行系统级的设计方法[J]．电子设计应用，2003，(3)：53-54．
[27] 胡晓东，乔刚．DSE555发电机组专业控制器简介[J]．移动电源与车辆，2002(3)：20-23．
[28] 杨冠鲁．无刷柴油发电机神经元双PSD控制[J]．计算机测量与控制，2003．11(5)：354-358．
[29] 张继刚．柴油发电机组的交流发电机和励磁系统[J]．通信电源，2000(10)：21-25．
[30] 陈新华．柴油发电机组——稳压调速控制系统研究[J]．山东矿业学院学报，1999(3)：45-47．
[31] 纪少华．无刷交流同步发电机励磁系统的DSP控制[J]．电子产品世界，2002(2)：48-50．
[32] 何伟，陈钢．柴油发电机组速度控制系统的仿真研究[J]．移动电源与车辆，2002(1)17-20．
[33] 韩英铎，谢小荣．同步发电机励磁控制研究的现状与走向[J]．清华大学学报，2001(4)：142-146．
[34] 蒋耘农．国外柴油机微机电控系统发展概况[J]．拖拉机与农用运输车，2001(3)：37-40．
[35] 周双喜，张恒．一种新型自校正PID励磁调节器的研究[J]．清华大学学报，1997(1)：31-34．
[36] 孙亚平．EGCP21发电机组控制器的应用[J]．移动电源与车辆，2002(2)：17-19．
[37] 吕滨．柴油机数字式调速系统控制算法的对比分析[J]．柴油机，1999(3)：35-39．
[38] 朱辉等．硬件在环仿真在汽车控制系统开发中的应用[J]．汽车技术，1998(12)：5-9．
[39] 朱辉等．ECU硬件在环仿真系统的构成技术[J]．车用发动机，1998(5)：27-34．
[40] 马增禄，吴世林．同步发电机励磁智能控制器[J]．四川联合大学学报，1998(7)：76-79．
[41] 谢小荣，崔文进．一种非线性自适应最优励磁控制器的设计[J]．电力系统自动化，2001(2)．
[42] 邵淼杰．船用柴油发电机组及其调速系统的动、静态仿真[J]．船舶工程，2003(2)：34-36．
[43] 王宗国．复杂可编程逻辑器件(CPLD)在DSP交流电机控制系统中的应用[J]．电机与控制学报，2001(5)：40-43．
[44] 秦娟英，陆家珍．基于DSP的交流采样及其实现[J]．自动化与仪器仪表，2003(3)：54-56．