单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用设计说明.doc

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1、 . 第一章 导言1.1论文的选题背景与意义同步发电机的励磁系统研究的容包括两个主要方面：励磁机和励磁调节器，对励磁系统的控制是对发电机运行实现控制的一项重要容，因而励磁系统是同步发电机的重要配套装备。励磁电流是同步发电机产生无功功率的重要来源，因此，在电力系统运行中，良好的励磁控制系统对改善电力系统运行有着重要的意义。广处西南，有丰富的水力资源，有着许多的中，小型水电站，在此基础上发展的相关电力系统结构也面临着新的升级与改革，其装备的同步发电机设备有的还在用可控硅静止励磁方式，采用人工手动调节，励磁系统不能按照给定电压进行自动调节，直接影响同步发电机系统的供电质量与其运行的可靠性和稳定性，因

2、此，许多电站提出了对励磁控制系统进行技术改造，随着计算机技术和半导体技术的发展，同步发电机励磁系统的微机控制就产生了，提高了电力系统的自动化水平。本文利用ATMEL公司生产的Atmega系列单片机功能强大、稳定性高、精度高、运算速度快的优点，设计出适用于中小型同步发电机的励磁系统的控制装置，实现电力系统在正常运行情况下维持发电机端电压在给定水平，实现并联运行发电机组的无功功率的合理分配以与提高同步发电机并联运行的稳定性。1.2国外同步发电机励磁技术的发展纵观同步发电机励磁装置的发展历史可知，最初的励磁调节器是以发电机的机端电压偏差()为反馈量，由于当时的机组容量不大，电网规模较小，所以基本能满

3、足安全运行的要求。调节器的执行环节是采用电动伺服马达。通过链条传动以改变威磁帆磁场回路中的磁场电阻的方案。这就带来了调节速度慢的问题。而且有一定的调节死区。磁放大器式的勋磁调节器克服了死区的问题。然而仍有较大的时间常数。随着半导体工业的发展，70年代后，执行环节大部分采用可控硅整流桥，目前国对全控桥可控硅励磁系统的研究主要集中于大型机组，并与全数字式同步励磁控制系统配套使用，这样既解决了灵敏度的同题，也大幅度地提高了反应速度。然而随着电力系统的发展，单机容量的增大，使得仅以电压偏差()为反馈量的励磁调节器不能满足对电压精度与稳定运行的要求，因此出现了PID 励磁控制方式。它是从受控对象与调节器

4、的常微分方程出发，经过拉氏变换建立各个环节的传递函数进而得到受控系统与调节器的传递函数。其调节控制算法为：,这种励磁控制方式对发电机的运行性能有了很大的改善。进入50年代后，随着自动控制理论的不断发展与成熟，电子器件，半导体技术的研制和应用也取得了长足发发展，从此打开了人们研制新型调节器的思路，70年代后，最优控制理论应用于电力系统励磁控制的研究在国外就蓬勃地展开了，这些成果进一步促进了励磁控制技术的发展。国外从70年代开始研究数字励磁调节器，从80年代中期世界上第一台数字式励磁调节器DER，问世以来，国外的德国，瑞士，英国等众多生产厂家纷纷研制并不断推出新的产品，大大推动了DER的发展和应用

5、，DER用的硬件一般自制专用控制板，分为单CPU系统和多CPU系统以与模拟数字混合系统(数字部分采用PLC)等三种，单CPU系统的特点是快速、总体集成度高，因而成本也高。多CPU系统兼有并行处理的特点，可满足快速要求，调节器功能分配给不同的CPU单元，软件编程简化，缺点也是明显的，多CPU需要一个多机并行的管理系统。但无论如何数字式励磁调节器己成为复杂的多功能励磁系统的首选，是最新励磁调节器的发展方向。随着电力电子技术和计算机工业技术的飞速发展，控制要求的不断提高和控制理论的不断发展，用常规模拟励磁控制方法实现所要达到指标愈来愈困难，并且可靠性大大降低，因此对传统的模拟式励磁调节器提出了挑战，

6、模拟式励磁调节器是以半导体元件为基础，它曾对励磁系统的发展起过积极的推动作用，但由于现代发电机组越来越大，对励磁系统的要求越来越高。使得励磁部分的电路较复杂。这就不可避免地降低了整个励磁系统的可靠性，另一方面，半导体元件参数的分散性较大，且焊接点较多，调试与检修工作量大。而用微机实现的励磁控制系统可克服上述矛盾，满足运行的要求，如采用双散机切换可据高整个系统的可性。微机控制技术的应用，使得许多在模拟式调节器中无法实现的功能得以实现，并可以用软件功能代替模拟式中用较复杂的硬件实现的功能。简化了励磁调节器的结构，降低了成本。而且对于一些特殊要求的功能，可以在硬件电路几乎不变的情况下，修改软件来达到

7、。这榉就加快了产品的开发速度，也使得现场运行人员在掌握某种功能的微机励磁装置的前提下，不需要花大力气，就可以掌握另一种性能略有差别的装置。微机励磁调节器的参数整定灵活方便，便于在线修改、调试工作量小，受到了人们的普遍欢迎。其改善了系统的阻尼，提高了系统运行的静态与暂态性能，以单片机或微型计算机为核心的数字式励磁调节器主要分为主要有16位和32位两个类型，控制器有多种结构形式，如单板机结构、单片机结构、工控机结构以与可编程序控制器结构等，其中单片机结构和工控机结构在当今励磁控制装置市场中占了绝大部分数额。采用单片机结构的励磁控制器结构简单、体积小、成本低，除控制核心外的其它硬件部分可根据自已的需

8、要自行设计，因此这种励磁控制器的硬件功能比较容易集成，是一种很有前途的新型调节器。1.3本课题的主要工作与研究容本文的主要研究容是单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用，主要应用于中小型号发电厂和企业发电机组的励磁控制系统方面。在本次课题设计中，首先对发电机励磁原理作出分析，选择适合中小型发电机励磁控制系统的算法，适应单片机的控制要求以与硬件配置；而后设计出基于AVR微处理器的数字式励磁装置的硬件原理图，再根据原理图和该装置的硬件平台在相应的开发环境下进行实验和仿真，实现各项参数的正常要求。主要工作包括以Atmega系列超低功耗单片机为核心，辅助相应的硬件电路和外围设备，来实现对发电机励磁系统

9、的控制。设计出来的装置完成对电网电压，频率，相位等参数的检测，并进行综合判断，利用移相触发电路和整流电路来实现励磁电流调节，利用单片机的抗干扰措施实现系统的稳定运行以与同步发电机的灭磁处理。第二章 同步发电机励磁原理分析2.1励磁调节系统设计原理优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，而且可以有效的提高发电机与其相连电力系统的经济技术指标。励磁控制系统应承担电力系统电压控制、无功分配和提高同步发电机并列运行的稳定性的任务。向发电机转子输出励磁电流，而获得励磁电流的方法一般称之为励磁方式，产生励磁电流的装置则称为励磁系统。励磁系统的种类很多，但主要可分为他励系统自励系统两大类。

10、自并励方式是自励系统中最简单的一种励磁方式，它不仅结构简单、效率高、维护费用省，而且有很快的励磁电压响应速度。同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，如图2-1所示。励磁功率单元向同步发电机的转子提供直流电流，即励磁电流；励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。图2-1 励磁控制系统结构框图同步发电机励磁系统是由励磁机、发电机、滤波器、放大器、移相触发单元和测量比较单元等组成的反馈控制系统，此系统直接控制同步发电机磁场电流，从而控制同步发电机的电势、端电压、无功功率和电

11、流等参量。励磁控制系统结构如图2-2所示。图中，同步发电机是控制对象，励磁调节器是控制器。励磁机为执行环节，而校正装置是为改善系统特性而设定的。图2-2 自动励磁系统框图自动励磁控制系统中的励磁调节器在测量输入信号，并与给定值作出比较、计算后，给出控制信号作用于励磁功率单元，从而控制励磁电流，达到励磁系统应完成的功能。通用的励磁调节器均按一定控制规律来自动调节励磁，故常称自动调节励磁装置，汉语拼音简写为ZTL。由于电力系统运行的需要与自动装置元件与计算技术的进展，励磁调节器也随之发展。从装置的物理结构上可分成机电型、电磁型、半导体型与数字型。从装置的调节原理划分，有比例式、比例积分微分式、最优

12、调节器、自适应式调节器等。图2-3即为自动励磁调节器结构框图，系统的 ZTL由调差、测量比较、综合放大，同步与移相触发与可控整流环节组成。2.2励磁调节系统各环节的工作原理和数学模型2.2.1 同步发电机的传递函数同步发电机的传递函数相当复杂，本文只研究发电机空载起励的过程，因此，可对发电机的数学描述进行简化。在转速为额定转速时，同步发电机的传递函数可以用一阶滞后环节来表示。电压最大值在额定电压的附近，因此，可以在该过程中忽略饱和现象，故同步发电机的传递函数为：式中：表示其时间常数，主要为励磁绕组EW的时间常数，其数值较小，取5s，为发电机的电压放大系数，当忽略发电机的饱和影响时，可用发电机的

13、定子电压和发电机空载额定转子电压之比表示。图2-3 自动励磁调节器结构框图2.2.2电压测量比较单元的传递函数电压测量比较单元由调节器的测量变压器、整流滤波电路、比较器和调差环节、电压互感器组成，作用是把发电机机端电压变成与之成正比的直流电压，在正常情况下，TV和测量变压器均不会饱和，可近似用一个一阶滞后环节来描述：总的效应可以用一阶惯性环节近似表示其动态特性。 （2-1）式中 其时间常数约为几十毫秒，为电压比例系数，为对应时测量单元的输出电压。该环节的作用是将发电机电压转变为与之成比例的直流电压，再将该直流电压与给定基准电压作比较，得出电压偏差值号，在实际的装置中，测量比较环节测量的是调差环

14、节的输出，对测量比较环节的要，对被测量电压应有高灵敏度时滞小，能与时反应发电机电压的变化；给定的基准电压稳定精确，并有足够调节围，输入电压与输出电压之间为线性关系，输出电压的纹波小，整个环节不受系统频率变化影响。该测量比较环节由正序电压滤过器、多相整流、滤波与检测桥等电路组成，如图2-4所给框图所示。图2-4 测量比较环节框图（1）正序电压滤过器： 滤过器的输入是调差环节的输出，是已修正过的发电机电压。采用正序滤过器的原因是在系统存在三相电压不平衡时；滤过器只输出一个反应电压水平的正序电压，能提高检测的灵敏度，并使接于其后的测量变压器始终处于对称三相电压下工作。正序电压滤过器接线如图2-5（a

15、）所示，为便于说明，将接线图改画成图2-5（b）所示电路。图中，各臂对称位置的电阻、电容相等，且参数间关系为： （2-2）即，于是 、三条支路上的电流超前相应线电压 且上压降为的两倍，据此，可画出当负序电压与正序电压分别作用于滤过器时的矢量图。 图2-5（a）为输入负序电压的矢量。由图可见，滤过器输出为零。图2-5（b）为输入正序电压，滤过器有三相对称电压，与输出。因此，当输入为不对称电压时，负序分量被滤去，只有正序电压输出。图2-5 正序电压滤过器原理接线图(a)原理接线 （b）原理接线的另一种表示(2)多相整流：由测量变压器与多相整流电路组成多相整流单元。其作用是将发电机电压变换成能与基准

16、电压作比较的平滑的直流电压。因为整流相数越多，整流电压中所含纹波的最低频率越高，且其幅值越小，因而直流电压越平滑，所以一般均采用多相整流电路；由于整流电压平稳，其后的滤波单元可以采用较小的滤波电容而获得满意的直流电压。滤波电容的减小则可提高整个测量回路的响应速度。(3)滤波电路：滤波电路如图2-6所示，1、2为输入端，接至整流电路，3、4为输出端，接至检测电路。滤波电路由两节组成，第一节是由，和，和组成的桥式滤波电路，a,b是输出端。该电路利用电桥原理使电桥具有选频滤波特性，即频率为选频的波形时，滤波电桥无输出。对于六相全波整流，选频为600Hz桥式滤波电路选频特性好，对直流电压衰减小。第二节

17、是由，和，组成的两级RC滤波器，其作用是滤去残余的高次谐波分量。图2-6 滤波电路(4)检测电路：检测电路是测量比较环节的核心部分。其作用是将整流滤波输出的电压与比较电路中的基准电压进行比较，得到一个反映发电机电压偏差的直流电压信号输出到综合放大环节。通过调节检测电路中的整定电位器，能改变电压的给定值。因此，检测电路起到比较与整定电压的作用，故又称比较整定电路。图27为检测电路，电位器w用于调整电压定值；两个稳压值一样的稳压管WY1，WY2与两个阻值相等的电阻组成对称比较电路，又称检测桥，m，n为电路的输出端, 输出电压偏差信号，图中右边部分为检测桥的特性。2.2.3 综合放大环节(1)任务与

18、对环节的要求：该环节的任务是，将偏差电压与其他辅助信号电压进行线形综合放大，以提高整个装置的灵敏度，并给出适合移相触发环节需要的控制电压，其他辅助信号包括反馈，限制以与可以反映发电机运行的各种参数变量。图2-7 检测电路接线与特性（a）检测桥电路 （b）检测桥的特性。 (2)工作原理：综合放大环节一般均采用直流运算放大器来构成。运算放大器原理接线如图28所示。图2-8 运算放大器原理接线图运算放大器的开环（无反馈电阻时）放大系数很大（K），加入后，输入端相加点的电位总是接近零电位，即，输入到放大器的电流 于是有： 式中 可推得输出电压为： （23） 式（23）说明，运算放大器能对多个输入信号进

19、行按不同比例相加，其比例仅与反馈电阻与各输入电阻有关，与运算放大器本身参数无关。各比例系数可以分别进行整定。由运算放大器构成的综合放大环节电路如图29所示。电路中加上了限幅与功率放大。图2-9 综合放大电路在输人端，组成双向限幅电路，保护集成放大电路。，与，组成输出端的双向限幅电路，使输出电压的幅值限制在移相触发电路允许围。为增加运算放大器带负荷的能力，在限福电路之后，增加一级互补射极跟随器，作功率放大。放大器上接入电位器是用来调零，当输入为零时，调节，使为零。与构成消除高频自激振荡电路。图2-10示出与主信号的关系特性（此时设其他信号均为0）改变与的比值，可以改变特性斜率；当|大于一定值后，

20、输出不再变，呈饱和状态，这是移相电路的要求而设定的。图210 综合放大电路工作特性功率放大单元的输入为Uk，包括触发电路在，功率放大单元也认为是一阶惯性环节，其传递函数如下： （2-4）式中Kp为功率放大系数，Tp为功率放大单元的时间常数, IZTL为励磁调节器单元部分的电流。一般情况下，Tp很小，所以把综合放大单元和功率放大单元看作是一个一阶惯性环节。2.2.4移相触发环节(1)任务与对环节的要求：将控制信号转换成触发脉冲，以触发对应相的晶闸管，达到调节励磁的目的。受控制的是三相整流桥，故应有3套触发电路。若整流桥是三相全控，则晶闸管导通顺序为A、C、B、A、C、B，则三相触发电路按相每隔向

21、对应相发一个触发脉冲；若是三相半控桥，则每隔发一个触发脉冲。为保证触发电路对整流主电路在给定的角时发出触发脉冲，触发电路与同相主电路应在相位上严格保持同步。触发电路的移相围应足够宽，移相平稳，线性度好；触发脉冲应有足够的功率，使晶闸管可靠导通；脉冲应有一定宽度，尤其是对于励磁系统这样的大电感电路，只有当脉冲有足够宽度，刚导通的晶闸管中电流逐渐上升时，触发脉冲仍未消失，保证晶闸管不会重新熄灭；触发脉冲的前沿要陡；整个触发电路应有较强的抗干扰能力。(2)移相触发电路工作原理：移相触发电路包括同步电路、触发电路与其脉冲输出电路，图 211为其工作示意图。同步变压器为Y11接线，使同名相的同步电压超前

22、主电路电压，图中未单独画出同步电路。移相触发电路中的触发器可以由单稳态触发器或单结晶体管触发器等电路来实现。现以单稳态触发器构成的移相触发电路进行讨论。图 2-11 三相移相触发电路工作示意图2.2.5励磁机的传递函数励磁机可以是直流的也可以是交流的，直流又分为自励式和他励式。这里只介绍自励式直流励磁机的传递函数。励磁机的输入为励磁调节器的输出电流，输出为励磁机的端电压Uf ，该单元也是一个一阶惯性环节，传递函数为：(2-5)式中Kf为励磁机放大系数，Tf为励磁机的时间常数。为一个非线性函数，在这里将不做介绍。2.2.6励磁控制系统的传递函数将已知单元的传递函数按图2-2组成整个励磁控制系统框

23、图，如图2-12所示。图中将综合放大和功率放大合并为一个单元，并认为未加校正装置。图2-12 励磁控制系统的传递函数框图作为简单分析，略去励磁机的饱和特性和放大器的限幅，则直接可以写出系统的传递函数如下： (2-6)2.3 励磁控制系统的基本任务2.3.1 系统电压的控制电力系统正常运行时，负荷是经常变动的，同步发电机的功率也随之相应变化，而励磁系统最基本的任务是要求与时调节励磁电流，以维持发电机端或系统某一点电压在给定水平。要保持励磁电流不变，发电机端电压随着无功电流的增大而减小，因此维持发电机端一定的电压是不可能的。要维持发电机端电压，必须增大励磁电流，使发电机的外特性向上移。所以，要保证

24、供电质量，同步发电机必须随着无功负荷的变化不断调节励磁电流。在变化时，测量件测得的发电机端电压与设定的额定基准电压进行比较，结果是电压偏差。通过励磁调节器的作用，依电压偏差来调节三相半控桥晶闸管的导通角，调整励磁电流，以保持发电机端电压在额定给定水平，导通角与电压偏差值有以下关系：U=-，当U大于零时，系统减小导通角，励磁电流升高，也随升高，直到，电压偏差等于零。当U小于零时，系统将增大导通角，励磁电流减小，随之降低，直到，偏差等于零为止。U对的控制调节规律：同步发电机励磁控制系统主要作用是通过给定控制电压控制三相半桥整流电路的导通角，从而调控励磁电流，达到控制端电压的目的。而同步发电机控制端

25、电压的波动主要体现为电网的无功功率Q的不断变化。因此，励磁控制系统总的控制调节规律是依据电压偏差U，不断的改变励磁控制系统给定控制电压，使之跟随电网的无功功率Q的变化。2.3.2系统无功功率的分配几台发电机在同一母线上并联运行时，改变任何一台机组的励磁电流不仅影响该机组的无功电流，而且还影响同一母线上并联运行其它机组的无功电流，与此同时也引起母线电压的变化。这些变化与机组的无功调节特性有关，为了合理而稳定地分配组间的无功负荷，机组的无功调节特性应有适当的调差系数。调差系数可由下式表示%=100% （27）为发电机额定电压，、分别是发电机空载电压、额定无功电流时的电压。当正调差系数为0，其调节特

26、性下倾，发电机电压随着无功电流增大而降低。在带有正调差单元的自动调节励磁装置中，当无功电流增大，励磁调节器将感受到发电机电压虚假地提高，于是调节装置将减小发电机的励磁电流，致使发电机电压降低，所以得到下倾的外特性。当0时为负调差，调节特性上翘，发电机端电压随着无功电流增大而上升。在带有负调差单元的自动调节励磁装置中，当无功电流增大时，励磁调节器将感受到发电机电压虚假地降低，有相反的调节过程，致使发电机电压升高，于是得到上翘的外特性。=0为无差特性，这时发电机电压为恒定值。2.3.3 同步发电机并联运行的稳定性电力系统在运行时随时会受到各种干扰，这就需要同步发电机具有维持或恢复同步运行的能力，即

27、保持同步发电机并联运行时的稳定性。第三章 发电机励磁控制系统的硬件设计3.1硬件系统的总体设计单片机励磁调节器的主要任务是：将输入的电气信号，经各自的信号处理与变换电路对信号滤波、隔离放大适配到A/D转换的量程。再通过软件计算得到发电机的运行工况、励磁系统参数、调节器输出参数等全部信息。最后，将调节参数输出并控制移相触发电路,使得励磁电源主回路的晶闸管导通角改变,从而控制发电机的励磁。本装置硬件系统总体可分为6个部分：数据采集单元，微机处理单元，开关量输入/输出接口单元，人机接口单元，通信系统、电源系统。数据采集单元的功能是采集由被保护设备的电流电压互感器输入的模拟信号，经过预处理后转化为所需

28、数字量；微机处理单元以ATmega16微处理器为核心，ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，同时具有16K字节的系统可编程Flash(具有同时读写的能力)；512字节EEPROM；1K字节SRAM；32个通用I/O口线；开关量输入/输出回路由并行口、光电耦合电路与光电隔离开关等组成；人机接口部分主要包括显示、键盘、各种面板开关等，通信系统可以完成机间通信与远动的要求；电源系统提供了整个装置所需的直流稳压电源，保证整个系统的可靠供电。总体设计如图3-1所示：图3-1 励磁调节装置总体硬件框图3.2 单片机

29、励磁控制系统主回路励磁电源主回路：该系统的励磁电源部分即为控制主回路，是一个由可控硅和二极管组成的三相半控，经这一回路整流后的电压就是励磁机的励磁绕组可变的电源电压。如图3-2所示。整流二极管是共阳极接法，晶闸管是共阴极接法，D为续流二极管。在电路中仅在桥的一侧用可控的晶闸管，故称为半控桥整流。三相半桥中，三个晶闸管的导通顺序与三相电源的顺序一样,从左到右依次导通。因为是三相电源，所以触发脉冲间相位也依次相差120，励磁控制回路可以根据机端电压偏差和其他反馈信号自动调节可控硅的导通角，从而达到自动改变励磁电流的目的。图3-2 励磁电源主回路3.3系统参数测量电路参数测量系统的参数测量都是由单片

30、机系统来完成,检测同步发电机端电压和励磁电流，将它们经过整流变送后输入单片机的A/D口；同时将测得的端电压和励磁电流通过比较器、光电隔离器等环节得到频率和相位角的脉冲方波信号，并且取得系统的同步信号。系统测量环节的总体框图如图3-3所示。发电机的机端电压Ud经电压互感器后，经三相整流滤波电路后经过ATmega16的一路A/D送入单片机，与对应的给定值进行比较。经过程序运算，把电压偏差输出到D/A（PWM），经过触发电路，控制晶闸管导通角。励磁电流If经电流互感器将电流信号转换成电压信号，经放大电路得到0-5V电压信号输入单片机进行处理。图3-3 系统参数测量电路结构框图3.3.1电压和电流参数

31、采集同步发电机输出电压经过电压互感器取样后，由测量变压器降压得到5V按正弦波变化的电压，再送入精密整流电路整流便可以得到整形后的电压。整流后的电压信号经电容滤波后便可以通过ATmega16的一路A/D送入单片机，经过程序运算，便可以得到我们所要显示的电压值。另外，还可以由程序将其与对应的给定值进行比较，得到我们想要的电压偏差，把电压偏差送至D/A，通过触发电路可以控制晶闸管导通角，从而控制励磁电流。由于普通桥式整流电路存在两个二极管PN结的门槛电压(二极管有0.7V左右的电压降),输出电压的有效值并不是Vm。这是一个非线性整流电路，存在两个二极管PN结的门槛电压，整流后的电压有损失，不利于发电

32、机的起励控制。故我们采用精密整流滤波电路，以克服普通桥式整流电路的不足,克服二极管死区电压现象，从而提高了测量精度。全波精密整流电路如图3-4所示。图3-4 全波精密整流电路图3-4中为半波精密整流电路，为反相加法器电路。，对，当0的时候，放大器输出为负，导通，截止，则，当0时有 0时有 (3-2)所以 (3-3)由此可以看到经过精密整流电路后，经过调整的交流电压、电流变成A/D转换可以接受的单向脉动电，且幅值为正，从波形上无法分辨哪个半波为原波形的正半周，因此，需附加判断翻转之后的正负半周，可通过增加一个比较器来判定，该比较器输出的上升沿对应着原波形的正半周。同时，该比较器的输出的上升沿也为

33、AD转换开始提供依据。图3-5 精密整流后的波形图电流采样与电压采样类似。只需在电流互感器的二次侧加一个电阻就可以变为电压。3.3.2发电机频率的检测通过AVR单片机软件设计可以准确求得频率。其软件实现原理为：将前面测量电压时采集到的正弦信号通过过零比较电路，将其转换为只有正值和负值的方波，将方波通过反相光电隔离芯片，可以屏蔽外部干扰，还可以滤除方波中的低电平，得到系统的频率信号接入到AVR单片机的一个外部中断引脚INT0，ICP1端口。信号转换电路如图3-6所示。 图3-6 频率测量信号转换电路AVR单片机设定为上升沿触发，当第一个上升沿到来时，定时器开始计时，一直到第二个上升沿到来，此时读

34、取定时器数值，再用这两次的数值差乘以定时器单次计数间隔时间，即可得到交流电压或电流的周期：，其倒数即为频率f，如图3-7所示。图3-7 频率的计算3.3.3功率因数角与功率因数的计算要计算功率因数，首先要获取功率因数角。在本文中，利用AVR单片机的硬件特性，通过一次采集获得频率与相位角（功率因数角），并可判断电压和电流在时间上的超前滞后关系，仅占用单片机的一个外部中断，一个输入捕获引脚ICP和一个定时器/计数器，实现起来较为方便。ICP引脚的功能为捕捉边沿信号，当该引脚有信号边沿触发时，可以将此时的定时器值放入寄存器。将整形后的电压信号输入AVR的外部中断引脚INT0，上升沿触发中断。单片机接

35、收到上升沿触发中断后，将定时器/计数器1清零并开始计数，直到下一个上升沿中断的到来，该时间间隔即为一个周期T，其倒数即为频率f。将整形后的电流信号输入AVR单片机的ICP引脚，当外部中断引脚INT0触发的同时也将ICP引脚设置为上升沿触发，当电流信号的上升沿到来时，定时器1的数值t保存到单片机部的寄存器, 这样就测得了电压和电流的过零时间差，即可求得功率因数角，并推断出电压和电流之间的时间关系如下： (3-4) （3-5）当小于即时，可判断电流滞后于电压；当大于即时，则判断电流超前于电压，如图3-8所示。图3-8 功率因数角采集与判断计算出功率因数角后，就可以得到功率因数 。设计方法可以在一个

36、周期便计算出功率因数角，并可判断出电流和电压之间的相互关系，具有较好的实时性和准确性，同时避免了对单片机引入过多中断，使程序的跳转更加清晰。3.3.4移相触发电路同步发电机励磁控制系统主要作用是通过给定控制电压控制三相半桥整流电路的导通角，从而调控励磁电流，达到控制端电压的目的。由晶闸管构成的三相全桥半控整流是励磁系统的功率单元，为使半控桥正常工作，需要使晶闸管元件按照一定的次序导通，这就需要按照一定的次序对晶闸管的门极施加触发脉冲。励磁系统移相触发电路原理图见图3-9。图3-9 移相触发电路原理移相触发单元产生可调相位的脉冲，由来触发晶闸管，使其触发角能够随着主控制器单元输出的控制数据而改变

37、，以控制晶闸管整流电路的输出，从而调节发电机励磁电流。触发电路的调制波是由如图3-9左边部分所示，由NE555芯片构成的多谐振荡器，其可控制端5脚电压的高低，改变其振荡频率和占空比，使5脚输出方波。此方波与UA进入的信号相与，得到电压、电流三相参数的相位值，并送入推挽电路，进行放大，最后通过两个二级管整流得到正向触发脉冲。触发电路的同步信号取自晶闸管整流装置的主回路，保证触发脉冲在晶闸管阳极电压为正半周时发出，使触发脉冲与主回路同步。同步信号和触发信号图如图3-10示。图3-10 同步信号和触发信号3.4 外围电路设计3.4.1开关量输入电路微机励磁调节装置的开关量输入指的是触点状态（接通或断

38、开）的输入，可以分为两类：(1)安装在装置面板上的触点，例如键盘上的按键、复位按钮等。这类开关量输入与CPU主系统使用共同电源，无需电气隔离，可直接接CPU端口，如图3-11所示。图3-11 装置部触点开关回路(2)从装置外部经过端子排引入装置的触点，例如在运行中可切换的各种压板、转换开关、断路器等。这类开关量输入与CPU主系统使用不同电源，需要电气隔离。在本微机装置中一般采用光电隔离措施，通用的原理电路如图3-12所示。图3-12装置外部触点开关回路3.4.2开关量输出电路开关量输出除了CPU主系统的端口输出、信号线、晶闸管驱动等低压输出外，还包括保护的跳闸出口、合闸出口、中央信号继电器驱动

39、等与强电有关的电路。为提高抗干扰能力，本设计采用了光电隔离电路，图中CPU主系统发出动作信号后，同一回路的LED指示灯立即点亮，表示光电隔离芯片的出口端已经导通，此时继电器便发生动作，使装置的COM端子和OUTJ1端子导通，完成励磁系统的相应输出动作进行调控。如图3-13所示。图3-13装置开关量输出回路3.4.3键盘显示电路在键盘程序的设计中，扫描键盘要有合适的去抖动时间。去抖动时间短，会造成连续按键；去抖动时间长，会使按键迟钝。在实际设计中，去抖动时间选为45 ms。键盘扫描电路如图3-14所示。图 3-14 键盘扫描电路本装置的显示模块使用数码管进行显示，采用动态扫描方式。在短时间逐个扫

40、描数码管，使目测起来数码管总是为点亮状态。该方式的功耗较之静态扫描要小。由于一个数码管组需要8个段码以与4个位码总共12个引脚进行控制。如果直接与单片机连接，要占用12个管脚，造成引脚资源的浪费，并且单片机的驱动能力也有限。所以本装置使用2个8位移位寄存器74HC595组成的串连转换为并联的电路来驱动2个4位8段数码管组，其电路图如图3-15所示。图 3-15液晶显示电路原理图3.4.4 电源电路该励磁系统中单片机与其它芯片需+5V直流稳定电压供电。电源设计原理图如3-16所示：可先用变压器对220V的交流电降压，然后通过对变压器次级输出9V的交流电压由整流桥作全波整流，经电容滤波以与稳压78

41、05芯片得到所需的电压。图 3-16电源设计原理图3.4.5 通讯接口电路设计为了实现与上位机的通信，本系统采用了电平转换芯片MAX232。其接线图如下图所示。MAX232芯片是用来进行RS232通信，通信距离通常不大于15米，它抗干扰能力强，适用于近距离通讯。由于计算机上也装有RS232通信接口，励磁调节装置即能与上位机进行直接接口通信。图 3-17 通讯电路原理图第四章 系统控制算法的研究微机励磁调节装置的软件以硬件为基础，通过算法处理与程序设计实现系统功能。控制算法是励磁控制系统中的一个重要环节，控制算法的选择关系到整个控制系统的控制效果。由于本励磁调节系统采用了单片机为核心的微机控制器

42、，因此在控制算法的选择上有很大的灵活性，只需要通过对软件的修改就可以使控制的效果得到改善。在目前控制系统设计中，大多采用微机控制技术，此时使用的是数字PID控制器，它是将模拟PID控制算法离散化，通过程序实现，不需要像模拟控制系统那样用硬件电路来实现，因此使系统设计更灵活、方便，由于PID控制算法具有直观的物理解释，并且能满足大多数系统的要求，特别在工业过程中，由于对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模型辨识，往往不能得到预期的效果，所以PID调节器常被人们采用，并根据经验进行在线整定；因此至今PID控制仍然是常规控制系统设计应用最普

43、遍的控制算法。因此，在本单片机励磁调节器中采用了数字PID控制算法。本节将着重介绍数字PID算法以与其在本励磁调节器中的具体实现，PID参数可由运行调试人员通过键盘输入并保存。4.1 PID调节器设计PID调节器是一种线性调节器，它是将设定值w与实际输出值y进行比较，构成控制偏差e =w-y (4-1)图4-1 PID调节器框图 并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量（如图4-1所示），所以简称为P（比例）、I（积分）、D(微分)调节器。在实际应用中，根据对象的特性和控制要求，也可以灵活地改变其结构，取其中一部分环节构成控制规律。例如，比例(P)调节器、比例积分(PI)调节器、比例微分(

44、PD)调节器等。比例积分微分调节PID调节器的如下规律：(4-2)式中：Td微分时间。比例控制能迅速的反映偏差，其控制作用的大小与偏差成比例。只要偏差不为零，它将通过积分作用影响控制量u，并减小偏差，直至偏差为零，控制作用不再变化，系统才能达到稳态。但是如果积分时间Ti太小，则积分控制作用太强，会使控制器系统输出的超调量加大，甚至产生震荡。微分控制能迅速的反映偏差的变化率，因而能使控制器具有“超前”控制功能；同时根据自动控制理论可知，适当的应用微分控制可以减少控制系统输出的超调量，并且有利于系统稳定性的提高，正是因为如此，通过综合的应用以上控制，可以使控制器具有相当高的“智能”。4.2数字PI

45、D算法的实现由于计算机控制系统只能处理数字信号，因此与模拟控制系统相比，微机控制系统的主要特点是离散化和数字化；一般控制系统的控制量和反馈量都是连续的模拟信号，为了把它们输入计算机，必须首先在具有一定周期的采样时刻对它们进行实时采样，形成一连串的脉冲信号；采样后得到的离散模拟信号本质上还是模拟信号，不能直接输入计算机，还必须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号，这就是数字化。4.2.1位置型PID控制算法理想PID控制器输出信号与输入信号的关系如下：（4-3）将上式两边同时求拉氏变换后，写出控制器传递函数形式为： （4-4） 式中 称为比例系数，

46、的倒数在过程控制中称为比例带。为了能在计算机中进行，必须将（4-5）用一个差分方程来近似。根据数值积分原理：（4-5） 误差函数的微分则可以进行如下近似： （4-6）综合（4-3），（4-4），（4-6）可以得到如下的差分方程：U(n)= （4-7）在以上三个式子中，T为采样时间间隔，分别为，的简写，=0，1，2，n。只要采样间隔时间T与，相比足够小，式（4-7）就与（4-3）足够近似。因此，利用式（4-7）计算出来的u(n)序列就能与按（4-3）产生的u(t)功能相近。将一个微分方程用差分方程近似离散化。但是分析（4-7）可以发现有不少缺陷，首先是计算工作量大，每计算一次u(n)要完成n+3次加法和至少3次乘法，而且计算量随着时间的推移逐渐增加；其次要保存e(t)所有采样时刻的值，这就要占用比较大的存空间。42 .2 增量型PID控制算法由于位置型控制算法存在诸多的问题，人们对其进行了改进，提出了以下增量型控制算法。