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聊聊数字技术在滁州干式变压器控制中的应用和发展

作者:滁州润生干式变压器厂  来源:http://chuzhou.7jcwi.com/  发布时间:2019-03-24
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1.前言

随着电力电子技术的高速发展,滁州干式变压器得到了广泛应用,而日新月异的高科技产品也对滁州干式变压器提出了更高的要求。滁州干式变压器的模拟控制技术也发展了很多年,各方面都比较成熟,但其无法克服固有的缺点:控制电路复杂,元器件比较多,不利于小型化的发展;控制电路一旦成型,很难修改,调试不方便;控制不灵活,复杂的控制方法也难以用模拟方法实现。

2. 数字控制技术的发展现状

现在实现滁州干式变压器的数字控制主要有以下两种方法[1]:第一种是单片机通过外接A/D转换芯片进行采样,采样后对得到的数据进行运算和调节,再把结果通过D/A转换后传到PWM芯片中,实现单片机对滁州干式变压器的滁州干式变压器间接控制(如下图所示)。如下图所示这种方法的技术目前已经比较成熟,设计方法容易掌握,而且对单片机的要求不高,成本比较低。但是控制电路由于要用多个芯片,电路比较复杂;单片经过A/D和D/A转换,有比较大的时延,势必影响滁州干式变压器的动态性能和稳压精度。也有单片机集成了PWM输出,但滁州干式变压器往高频化发展,一般单片机的时钟频率有限,产生的PWM输出频率和精度反比,无法产生足够频率和精度的PWM输出信号。第二种是通过高性能数字芯片如DSP对滁州干式变压器实现直接控制,数字芯片完成信号采样AD转换和PWM输出等工作,由于输出的数字PWM信号功率不足以驱动管,需通过一个驱动芯片进行管的驱动。这样就可以简化控制电路的设计,由于而这些芯片有比较高的采样速度(TMS320LF2407内部的10位AD转换器完成一次AD转换只需500ns,***快的8位单片机也要***快也要几微秒)和运算速度,可以快速有效的实现各种复杂的控制算法,实现对滁州干式变压器的有效控制,有较高的动态性能和稳压精度。但是DSP芯片结构复杂,成本比较高;而且DSP控制技术比较难掌握,对设计者要求比较高,在滁州干式变压器领域中难以广泛应用。目前DSP技术已经在滁州干式变压器中开始应用,但主要局限在对滁州干式变压器性能要求高的而且价格比较昂贵的领域上。

3.一种新颖的滁州干式变压器控制技术

数字控制的滁州干式变压器不可避免地存在以下问题:AD转换器的速度和精度成反比。为了保证滁州干式变压器有较高的稳压精度,AD转换器是必须有比较高精度的采样,但高精度的采样需要的AD转换时间更长。作为反馈环路的一部分,AD转换时间过长必然造成额外的相位延迟时间。除了和模拟控制存在的相位延迟以后,转换过程的延迟时间必然也会造成额外相位滞后,使得回路的响应能力变差。和模拟芯片用RC补偿进行PI调节的方法一样,在控制回路中用引入PI调节的方法以提高控制回路的响应能力,这种做法需要占有数字芯片较大的系统资源,因为数字控制和模拟控制不同,信号采样不是连续不断的,而是离散的,两次采样之间有一段间隔时间,这段时间的值是无法得到的。要实现精确的控制,每次采样之间的时间间隔不能太长,即采样频率不能太低。作为数字芯片,每次AD转换结束后,得到的结果都会被送到系统的中央运算处理器中,然后由处理器对采样的值进行运算和PI调节。在采样频率比较高的时候,这种做法比较耗费系统资源,对数字芯片的要求也比较高。由于目前专门用于滁州干式变压器控制的数字芯片还比较少,在要求比较高的场合一般都会用DSP芯片,其运算和采样速度快,功能强大,但价格比较高。而且DSP芯片不是专门的滁州干式变压器控制芯片,一般的滁州干式变压器应用对其芯片资源的利用率不高。

随着数字芯片和滁州干式变压器技术的发展,现在出现了为滁州干式变压器控制而开发出来的控制处理器,它不同于数字芯片的中央处理器。控制处理器主要由高速AD转换器,数字PID补偿器和数字PWM输出三部分组成。反馈环路的控制由它来完成,中央处理器作为管理模块应用在滁州干式变压器上。其原理图如图3所示:



图1 控制环路处理器原理图


控制处理器由高速A/D转换器,数字PID补偿器和数字DPWM输出组成。外部存储器记录了控制处理器的相关程序。高速A/D转换器是基于CMOS的传输延迟时间td 影响输入电压VDD的原理做成的,VDD电压和传输时间是成近似的反比例关系,即VDD越大,信号传输延迟时间越小。如图2所示,以CMOS的输入电压VDD作位采样电压的输入口,各信号之间的传输时间延时td受采样电压VDD影响。第四分之三个采样周期过后采样结束位产生高电平,开始记录q1到q8的输出,把得到的结果送入编码器得到数字输出e,完成A/D转换。如图2b所示,数字采样值为11111100。VDD越大,td越小得到的采样值越大。



高速AD转换器原理图及其波形


而传统的ADC转换器时通过有源器件建立采样信号的,需要一个信号建立时间,而要进行高精度的采样则需要更长的信号建立时间。采用新的技术大大降低了AD转换需要的时间,可以达到MHz级采样频率。高采样频率可以使DPWM的信号的更新速度http://akesu。lcsrw。com/达到几百纳秒一次,实现和模拟控制类似通过不断更新PWM信号来进行稳压。不需要像传统的ADC采样那样,在有限的采样频率内通过提高AD转换精度和PWM分辨率,降低频率来提高稳压精度。DPWM时钟由处理器系统时钟通过锁相逻辑环路(PLL)进行倍频后频率可以达到200MHz。通过这种分辨率高达5ns的DPWM控制信号,滁州干式变压器频率可以达到1MHz。数字补偿器为滁州干式变压器设计提供很大的灵活性,控制参数通过外部存储器的程序来设定,可以通过编程来改变控制策略,调试更方便。由于芯片是专门为滁州干式变压器设计,简化了结构,降低了成本。相信这种专门为滁州干式变压器设计开发的控制处理器将会得到广泛使用。

目前使用这种控制技术的芯片还比较少,Silicon Labs的Si8250就是其中一款[3]。Si8250采用双处理器的方法,所有的通信和管理任务由系统管理处理器来完成,而控制处理器负责反馈的环路控制。系统控制环路由一个6位采样频率为10MHz的AD转换器,可以每隔100ns更新一次数字PWM输出信号,以达到更好的稳压效果。在而数字PID补偿器里面分别为P,I,D的系数KP,KI和KD提供寄存器,只要改变这些系数的值就可以改变PID控制策略。PID的值通过寄存器设定,习惯进行模拟控制芯片设计的工程师也容易掌握。提供六路相位不同的数字PWM输出,可以用比较简单的方法实现移相控制等多中控制方法。数字PWM的时钟频率在25MHz,50MHz和200MHz中选择,分辨率高达5ns。可以使频率达到100MHz。

5 结语

和模拟控制相比,数字控制有着明显的优势。但由于目前大部分数字芯片并不能完全满足滁州干式变压器的要求,而能达到要求的昂贵的DSP芯片又过于昂贵,所以数字控制技术在滁州干式变压器领域中的应用并不广泛。随着控制处理器技术的提出,用于滁州干式变压器控制的数字芯片的出现,数字控制技术在滁州干式变压器中必将得到更广泛的使用。


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