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06-17
同步电机磁场采用直流励磁。
功率因数可以是超前、滞后或单位功率因数。
运行时，可向电网馈入无功功率，提高电网的功率因数。
并且具有运行稳定性好、转速不随负载变化而变化、运行效率高的特点，因此被广泛应用于煤矿等工业现场。
同步电机励磁在同步电机的运行中起着重要的作用。
传统的励磁系统采用晶闸管移相全桥电路来实现励磁。
该励磁系统需要采用同步变压器进行调相，涉及部件较多，维护复杂，影响励磁系统的安全运行。
而且传统的嵌入式设计采用单任务顺序机制进行软件管理，导致系统稳定性和实时性较差。
本文提出采用德州仪器（TI）的数字信号处理器芯片TMSLF作为控制核心，将实时操作系统DSP+μC/OS-Ⅱ应用于DSP编程，采用二次有源钳位位开关的零电压零电流开关（ZVZCS）DC/DC移相转换全桥电路为主电路。
系统的多个核心任务由DSP+μC/OS-Ⅱ并行调度执行，完成三种形式的励磁电流。
闭环控制为同步电机励磁系统的嵌入式设计提供了理想的设计解决方案。
1 总体结构 励磁系统总体结构框图如图1所示。
包括零电压零电流开关（ZVZCS）DC/DC移相变换全桥电路、驱动电路、灭励电路 三相交流电通过接触器加到三相整流模块变成直流电。
直流主电路电源增加ms软启动，防止高压冲击。
Ci为输入滤波电容，起到改善功率因数的作用。
主电路软启动开启后，DSP按照键盘设定的调节方式输出指定的励磁电压，接收励磁命令后，通过DSP测量励磁参数，实现闭环控制的励磁电流。
保护电路设计有输入过压、欠压保护、过流保护和过热保护。
2 主电路工作原理 图2是ZVZCS变换器的主电路原理图。
并联电容C1、C2和变压器漏感Lk共同实现前臂开关管VQ1、VQ2的ZVS。
滞后臂开关管VQ3和VQ4的ZCS是通过控制有源钳位开关VQC来实现的。
图3显示了ZVZCS转换器的一个开关周期的主要工作波形。
VQ1和VQ2在C1、C2和Lk的作用下实现ZVS。
在时间T1，变压器的初级电压Vab降至零。
此时VQC导通，使钳位电容上的电压Vcc反射到初级Lk上，该电压与因电流减小而产生的电动势的方向正好相反。
因此，初级电流ILk很快减小到零，并且由于VD1和VD2的串联，变压器初级续流不会形成相反方向的环流，从而使滞后臂开关管VQ3和VQ4实现零电流开启和关闭。
3 驱动信号的实现 驱动信号的产生可以通过DSP的事件管理模块EVA或EVB产生。
PWM信号的四个驱动信号的占空比均设置为50%；两组桥臂之间存在相位差，将相位超前的信号作为超前桥臂信号，将相位滞后的信号作为滞后桥臂驱动信号，使用超前桥臂以及滞后桥臂的相移来调整占空比。
将定时器设置为连续向上和向下计数模式，在定时器下溢中断和周期中断期间分别设置比较寄存器的值，并确保同一比较寄存器设置定时??器下溢中断和周期中断的参数之和相等到周期寄存器的值T允许生成的PWM脉冲具有50%的占空比。
假设系统调整的相移角对应的比较寄存器的值为x（整数），周期寄存器的值为T。
设置其中一个比较寄存器在下溢时被赋值为0中断和周期性中断期间 T 的值；另一个比较寄存器在下溢中断期间被赋值为x，在周期中断期间被赋值为T-x，如图4所示。
可以看出，第一个寄存器的相位相对领先于第二个寄存器°x /T。
一组驱动信号在计数寄存器为0时产生驱动信号，另一组驱动信号在0到T之间相对移动。
对应寄存器的取值范围比较大，相移范围为0到° ，如图4所示。
4控制策略 同步电机正常运行时，DSP完成励磁电压和励磁电流的采样，完成电压和励磁电流的双闭环PID调节。
电流在中断程序中实现恒流励磁；系统启动前可通过键盘设置选择系统进入同步电机功率因数调节或恒无功运行。
系统监控任务会调度不同的任务。
控制框图如图5所示。
5系统软件 为了将μC/OS-Ⅱ实时操作系统应用到系统中，必须先将操作系统移植到数字信号处理器上。
移植工作主要包括以下几个部分： (1)在OS-CPU.H中，定义数据类型、切换中断函数，屏蔽了编译器和处理器；定义堆栈的增长方向；定义任务切换函数。
(2) 在 OS-CPU.C 中，使用 C 嵌入式汇编编写以下函数： OStaskstkInit()、OSCtxSw()、OSStartHighRdy()、OSIntCtxSw()、OSTicksr()、OSTaskCreateHook()、OSTaskSwHook( ) 、OSTaskDelHook()、OSTaskstatHook()、OSTeTickHook()。
任务的所有信息都存储在相应的任务块和堆栈中，因此任务切换需要对任务控制块和堆栈进行处理。
涉及任务控制块的工作是：将切换任务的堆栈指针保存到当前任务块；将当前任务控制块指向最高任务控制块；取出当前任务块中存储的堆栈地址。
根据系统所需的功能将整个系统划分为若干个并行的任务层。
抢占式操作系统根据优先级来调度任务。
系统的几个任务优先级从高到低排列为：保护任务、系统监控任务、关键查询任务、数据过滤运算处理任务、状态信息显示任务、励磁和退磁任务。
系统监控任务是用于监控系统运行状态的任务。
它的优先级设置是根据整个系统运行的时序来确定的。
对系统安全运行比较重要、实时性要求严格的任务优先考虑。
中断服务程序设计：软件中设置了4种中断类型；外部中断、定时器1周期中断、定时器1溢出中断和电源驱动器保护PDPINTA。
当电源模块或系统出现故障时，通过硬件电路产生外部中断，并阻断驱动脉冲。
在外部中断程序中设置故障标志并发送给监控任务和显示任务。
周期性中断服务程序和下溢中断服务程序用于产生驱动信号和闭环PID控制，周期性中断触发A/D转换。
下溢中断服务程序对采样值进行采样，并发送给计算任务进行各种数字滤波和计算。
当系统退出中断时，内核会重新调度任务。
中断服务程序流程图如图6所示。
6 实验结果 完成系统设计后，在实验室开发了22kW励磁系统。
主开关器件工作在ZVZCS条件下，开关频率为20 kHz。
开关变压器匝数比N=40:9，Lk=13.6μH，Ce=2.2/μF； VQ1、VQ2、VQ3、VQ4为Fairchild G40ND，输出整流器和滞后臂串联二极管均为IXYS公司的DSEI2X61。
-12； C1、C2为1.6kV/2pF无感电容，隔直流电容为2μF优质无感电容。
VQC采用IXYS公司的MOSFET IXTH10N。
以下是主要实测波形图。
图7(a)是变压器初级电压波形，图7(b)是变压器初级电流波形。
图8(a)显示了VQ1和VQ2的ZVS开关波形，图8(b)显示了VQ3和VQ4的ZCS开关波形。
图9(a)为启动时的电压波形，图9(b)为稳态时的电压波形。
实验样机在各种负载条件下均具有较高的效率，满负载时效率为eta=93.6%。
7结论 实验结果表明，基于DSP+μC/OS-Ⅱ的励磁系统嵌入式系统设计成功解决了一系列单任务环境下难以解决的问题。
钳位开关全桥移相变换电路作为主电路，使开关管实现零电压开关和零电流开关；整个系统效率满足励磁性能要求，优于国标励磁系统性能要求。
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