基于CompactRIO的脉冲发电机励磁控制器设计.pdf

基于 CompactRIO 的脉冲发电机励磁控制器设计2023.6基于 CompactRIO 的脉冲发电机励磁控制器设计叶 强,李华俊,李维斌,卜明南,彭建飞(核工业西南物理研究院聚变科学所,成都 610041)摘 要 为了提高 HL-2M 脉冲发电机励磁控制系统的控制效率,实现 HL-2M 高参数等离子体物理实验先进控制,基于 CompactRIO 嵌入式系统设计了一种兼具励磁调节与脉冲触发功能,可适用于不同脉冲发电机的励磁控制器。励磁调节在 RT 中执行,在 1ms 控制周期内实时调节励磁电压实现发电机输出控制,同时检测过压过流故障信号和进行灭磁处理,并可根据需求灵活设置励磁调节方式;依托 CompactRIO 的可重配FPGA实现同步信号周期检测、同步信号故障判断、双窄脉冲生成等功能;上位机具有控制命令发送/接收、数据传输与解析、数据保存与显示功能;通过 TCP/IP 协议和共享变量实现励磁控制器内部可靠通讯。搭建小型实验平台进行励磁控制器功能验证,同步信号周期测量误差小于 10s。结果表明:该控制器具有良好的可靠性,满足基本功能需求。关键词 脉冲发电机;励磁调节;脉冲触发;CompactRIO;LabVIEW FPGA中图分类号 TM301.2 文献标志码 A 文章编号 1000-3983(2023)06-0090-07Design of Excitation Controller for Pulse Generator based on CompactRIOYE Qiang,LI Huajun,LI Weibin,BU Mingnan,PENG Jianfei(Center for Fusion Science,Southwestern Institute of Physics,Chengdu 610041,China)Abstract:An excitation controller is designed to improve the efficiency of the excitation control systemfor HL-2M pulse generator based on CompactRIO.It is suitable for different pulse generator withexcitation regulation and pulse trigger.The excitation regulation part designed in RT executes real-time and deterministic tasks by 1ms period that include adjusting the excitation voltage,detecting faultsignals,removing the magnetic field and configuring PID.The excitation trigger realized by thereconfigurable FPGA of CompactRIO consists of input and output unit,synchronous signal processingand pulse generation module respectively.There are the functions of control command sending/receiving,data transmission,data analysis,data storage and data display in the upper computer.Theinternal communication of excitation controller is realized through TCP/IP protocol and sharedvariables technology.The fundamental functions of the excitation controller are verified based on asmall self-build experimental platform which the measurement error of the synchronous signal period isless than 10s.The results indicate that the controller performs reliably and meets the functionalrequirements.Key words:pulse generator;excitation regulation;pulse-triggered;CompactRIO;LabVIEW FPGA基金项目:四川省科技计划资助项目(2021JDTD0022)0 前言中国环流器 2 号 M 装置(HL-2M)是我国目前规模最大、参数最高的新一代核聚变实验研究装置,在该装置开展高参数等离子体物理实验可为核聚变和平利用和商业化运行提供强有力的理论支撑。HL-2M 主供电系统包括 4 台飞轮脉冲发电机组,其中 1 号和 2号机组通过变压器和不可控整流设备为环向场线圈供电;3 号和 4 号机组经变压器和可控硅变流单元为极向场线圈供电1-2。HL-2M 脉冲发电机的励磁装置由励磁控制系统和可控硅整流装置构成3-5,是等离子体物理实验大系统中的关键环节,决定所有脉冲发电机电能的输出。由于环向场线圈和极向场线圈供电系统采用的变流设备不同,极向场线圈需要励磁控制系统稳压,而环向场线圈只能由励磁控制系统控制6-7。现有励磁控制系统仍沿用 HL-2A 时期的 DOS 系统,由多个功能模块共同完成脉冲发电机励磁控制,系统复杂度高且不092023.6大 电 机 技 术易维护,同时也无法兼容日后 HL-2M 装置中央控制系统对实时数据传输、数据共享、集总式控制的要求8-9。另外,在高参数等离子体物理实验中,脉冲发电机的励磁控制系统不仅需要工作在频繁投入和退出的脉冲工作模式下,并且在每次放电时控制发电机以高电压和大电流形式向 HL-2M 装置输出巨大能量,这对励磁控制系统的可靠性、稳定性和响应时间提出了更高要求。为了更好地适应 HL-2M 托卡马克装置高参数等离子体物理实验供电需求,本文基于 CompactRIO 嵌入式系统设计一种新型的脉冲发电机励磁控制器。该控制器集励磁调节和触发控制于一体,可适用于HL-2M所有脉冲发电机的励磁控制,具备灵活性、可靠性以及高集成度。1 励磁控制器功能模块设计4 台脉冲发电机工作时为各自负载提供可靠的电力输出,其励磁控制系统在整个工作过程中扮演着至关重要的角色。HL-2M 装置的 4 台脉冲发电机励磁控制系统运行环境基本相同,如图 1 所示,if为励磁整流柜输出的励磁电流。图 1 励磁控制器运行环境 等离子体放电实验的特点使得励磁控制系统工作模式为脉冲间歇式。脉冲式工作过程为:放电间隙,励磁控制系统上位机在励磁调节开始前解析中控下达的参考波形 VEC 文件和控制参数 DPF 文件,放电结束后完成励磁控制过程数据的打包上传,微机控制器在放电间隙不断检测来自励磁 PLC 系统的强励时序信号以触发励磁调节功能;启动励磁调节后,微机控制器按时序以 1ms 的控制周期执行调节任务,在执行过程中实时输出控制电压 UK和控制信号 CTRL,并在灭磁完后收集整理励磁控制过程数据,数字触发板根据同步信号周期、UK和 CTRL 生成励磁整流单元的脉冲信号,实现对脉冲发电机励磁电流的控制。根据励磁控制器工作过程特点及运行环境,将其设计为由 3 个功能单元构成,即人机交互和监控功能单元、励磁调节功能单元和脉冲触发功能单元,各自功能如图 2 所示。人机交互和监控单元主要作用是中控文件解读和工况监视;励磁调节功能单元主要作用是在等离子体放电实验中按照中控要求和时序实时输出调节量;脉冲触发功能单元主要进行同步信号的处理和脉冲的生成。图 2 励磁控制器功能设计2 励磁控制器硬件设计根据励磁控制器的任务要求和功能设计,确定了基于 CompactRIO 嵌入式实时系统实现的基本硬件架构,如图 3 所示,励磁控制器的 PC 上位机为励磁控制器与中控的接口,实现人机交互和中控文件解析功能;CompactRIO 为励磁控制器的控制核心,提供浮点运算、实时控制和逻辑处理等功能10-11。CompactRIO 嵌入式硬件平台由实时控制器、可重配置的FPGA和工业级 I/O 模块三个部分组成12-13。搭载NI Linux操作19基于 CompactRIO 的脉冲发电机励磁控制器设计2023.6系统的实时控制器和 LabVIEW 图形化环境可实现集浮点数据处理和过程控制于一体的实时控制平台。利用机箱内嵌的现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array,FPGA)的可重配性、高速性和可靠性等特点14-15,加上实时控制器+FPGA+I/O 的硬件布局使得 CompactRIO 在高精度测量和高速逻辑处理等方面具有优势。下位机由励磁调节器与励磁触发器构成,分别实现励磁调节功能单元和脉冲触发功能单元中的功能。根据 CompactRIO 各部分的特点和优势并结合励磁调节器和励磁触发器的需求,确定了下位机布局,即在实时控制器(Redl Time,RT)层面实现励磁调节器以及基于 LabVIEW FPGA 实现励磁触发器。4台大型脉冲发电机分别为环向场线圈和极向场线圈供电,为了确保同一负载励磁控制系统调节的一致性,以及不同负载励磁控制系统独立调节的可靠性,采用一台机箱控制一种负载的硬件架构方式,即相同负载的脉冲发电机位于同一台机箱。根据控制目标和信号的类型和数量确定 C 系列 I/O 模块型号。最终选用的硬件平台如图 4 所示。图 3 控制器硬件架构图 4 励磁控制器硬件资源选型结果3 励磁控制器程序设计基于硬件设计和功能设计,分别对上位机、励磁调节器和励磁触发器进行软件编程设计。程序设计采用 LabVIEW 工具集开发。HMI 运行在有 LabVIEW 软件环境的 PC 上,由炮号显示、励磁控制器工作状态显示、路径设置、波形显示、故障显示和控制参数设置等功能区构成;除了人机交互和监控功能,上位机还要完成文件处理非实时任务,根据中控设定的文件格式,设计了中控文件下载解析程序以及励磁调节过程数据文件生成程序;作为中控系统与 CompactRIO 的桥梁,上位机与中控通过 TCP/IP 协议通讯,采用共享变量方式与 CompactRIO进行数据交互。为保证励磁调节时放电参数不刷新,设计一个表征励磁控制状态的布尔变量ExWork实现上位机 文 件 解 读 与 下 位 机 励 磁 调 节 互 锁,只 在ExWork=False 时执行放电文件的下载和解读,工作过程如图 5 所示。依据中控所设参考波形,将励磁调节过程划分为4 个阶段:延时阶段、通电阶段、反馈阶段和灭磁阶段,控制时序如图 6 所示,tfe为强励时刻,tp为通电时刻,tf为反馈时刻,tde为灭磁时刻,te为退出时刻。图 5 上位机工作过程292023.6大 电 机 技 术图 6 控制时序 延时阶段下励磁调节器不工作,仅用于计时;通电阶段要求励磁调节器依照励磁参考波形输出 UK,其目的是为了保证在反馈时刻达到反馈设定的范围,进而提高反馈控制效率;反馈阶段的作用是基于 PID算法调节目标波形,以按照中控设置的参考波形变化;最后是灭磁阶段,目的是为了减小在励磁功率柜上的冲击。根据控制的任务和特点,在 RT VI 中设计时间变量 t 和控制阶段划分程序使调节器可靠地按控制时序和 1ms 的控制步长工作;设计分阶段执行程序以实现调节器基本功能;为了完善励磁调节器,还设计了初始化程序、故障保护程序以及励磁调节数据整理收集程序,调节器执行流程如图 7 所示,W 为励磁电压参考波形。图 7 调节器控制流程图励磁触发器要求控制精度高、实时性好、对称度高、稳定性强、触发安全可靠16。在励磁触发器软件开发中采用了模块化、集成化和多线程的先进算法结构,使得未来对于系统的升级和扩展变得容易,开发周期和成本均降低17。励磁触发器包括同步信号处理模块、脉冲信号生成模块和数据交互模块。同步信号处理模块是触发器中关键一环,同步信号发生相序错误或缺相将可能导致整流失败。实时准确地测量出当前的主回路交流量频率是实现跟踪控制、产生可控硅触发脉冲的基础18。为获取高精度测量结果和提高同步信号故障检测的能力,在 FPGAVI 中,采用 3 个高速循环结构并行执行采样、测量和诊断等任务。采样循环中以高达 1Sample/10s 速率对同步信号进行采样,并完成正、负零点的判定;测量模块利用内嵌 SCTL 定时循环结构以一个硬件时钟的循环步长测量同步信号周期;根据三相排列的特点19-20和缺相特征,在诊断循环中设计了相序错误和缺相的判断程序。同步信号处理模块的运行过程如图 8所示,T 为同步信号周期。图 8 同步信号处理模块流程图39基于 CompactRIO 的脉冲发电机励磁控制器设计2023.6考虑到脉冲生成与同步信号处理应为独立执行,运用循环结构在 FPGA 建立与同步信号处理真正并行的脉冲生成模块,实现脉冲生成与控制功能;采用平铺式顺序结构用于固定脉冲施加的时间基准点,确保脉冲施加的有效性,提高系统可靠性。设计的脉冲信号频率由同步信号处理模块所测周期决定,相位受数据交互模块计算的触发角 控制。脉冲生成模块执行过程如图 9 所示。图 9 脉冲信号生成模块流程图数据交互模块主要完成励磁触发器和励磁调节器的通信以及脉冲信息数据处理。由于数据类型主要为浮点型,程序设计在 RT 层面,并基于逐点数据处理要求,采用主机接口的通信方式,程序过程图如图 10所示。图 10 励磁调节器与励磁触发器数据交互程序流程图4 实验验证利用函数发生器和示波器等仪器设备构成的小型实验平台对中控文件下载与解读、励磁调节器按阶段工作、同步信号周期测量、同步信号故障判断、脉冲信号生成控制和系统内部通讯等基本功能进行了验证。同步信号周期测量误差在 10s 内,部分周期测量结果见表 1。表 1 部分周期测量结果理论值/Hz测量值/Hz30.000030.004150.000050.004280.000080.0883追踪检测到 50Hz 同步信号输入下,设置不同触发角对励磁整流柜的桥臂 1、3、5 脉冲信号进行移相控制,控制精度在微秒级,且可靠的与同步信号保持步调一致,脉冲控制结果如图 11 所示。在一次脉冲发电机带载调试中的机端电压波形如 12 所示。其中492023.6大 电 机 技 术MGSet 是发电机的机端电压参考波形,MG 为发电机带假负载运行的实际电压波形,可以看出在负载变化期间(-1316 427ms)发电机机端电压在 2890 2979V之间波动,电压波动小于 5%,满足电压要求。图 11 脉冲移相控制图 12 脉冲发电机端电压波形5 结论为了满足 HL-2M 高参数物理实验对励磁控制系统的要求,基于 CompactRIO 实时嵌入式系统设计了一种集成度高、兼容性好的新型励磁控制器。该控制器打破了原有算法调节与触发控制空间分离的励磁控制架构局限,提高了励磁控制的可靠性和响应速度。对该控制系统分别做了基本功能性验证和发电机带载调试,同步信号频率测量结果和脉冲信号移相控制结果均在微秒级,脉冲信号与同步信号可靠的同步,机端电压控制结果满足要求。验证结果表明励磁控制器达到励磁触发对于高速性和可靠性的严格要求,满足设计要求。参 考 文 献1 李维斌,王雅丽,任青华,等.托卡马克脉冲电源实时控制系统设计J.强激光与粒子束,2019,31(9):117-122.2 李维斌,等.HL-2A 装置脉冲发电机励磁控制系统J.核聚变与等离子体物理,2014,34(1):40-46.3 李素玲.基于 DSP 的新型励磁控制系统的研制D.天津:河北工业大学,2007.4 王振春.基于 DSP 的励磁系统设计D.哈尔滨:哈尔滨理工大学,2009.5 吴涛,梁浩,谢欢,等.励磁系统控制关键技术与未来展望J.发电技术,2021,42(2):160-170.6 李华俊,徐丽荣,刘学梅,等.HL-2A 装置环向59基于 CompactRIO 的脉冲发电机励磁控制器设计2023.6场电源系统及其控制J.兵工自动化,2004(1):55-572.7 李华俊,等.HL-2A 装置 125MVA 发电机组励磁系统设计J.中国核科技报告,2002:536-538.8夏凡,等.HL-2M 装置控制系统的概念设计J.核聚变与等离子体物理,2009,29(4):341-347.9 张国辉,等.HL-2M 装置反馈控制系统的设计J.核聚变与等离子体物理,2011,31(4):332-338.10 王丁丁,武杰,张杰,等.基于 CompactRIO 的数据采集模块设计J.核技术,2012,35(7):539-542.11F Yusivar,R J Sembiring.Implementation ofSpaceVectorPulseWidthModulationusingCompactRIO C /2013JointInternationalConference on Rural Information&CommunicationTechnology and Electric-Vehicle Technology(rICT&ICeV-T),2013:1-6.12 S Mohd,et al.Electric vehicle energy managementsystem using National Instruments CompactRIOand LabVIEW C /2013IEEEInternationalConference on Smart Instrumentation,Measurementand Applications(ICSIMA),2013:1-6.13 W Chen,J Su.Comparison of several communicationmethods between host computer and compactRIOC/Proceedings of the 10th World Congress onIntelligent Control and Automation,2012:3962-3965.14 陈李猛,金世俊.基于 CompactRIO 的应变采集系统的设计和实现J.国外电子测量技术,2007(6):29-31,55.15 吴菲菲.基于 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