單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 第一章 導(dǎo)言1.1論文的選題背景及意義同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)研究的內(nèi)容包括兩個(gè)主要方面：勵(lì)磁機(jī)和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制是對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)控制的一項(xiàng)重要內(nèi)容，因而勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要配套裝備。勵(lì)磁電流是同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生無(wú)功功率的重要來(lái)源，因此，在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，良好的勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)改善電力系統(tǒng)運(yùn)行有著重要的意義。廣西地處西南，有豐富的水力資源，有著許多的中，小型水電站，在此基礎(chǔ)上發(fā)展的相關(guān)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也面臨著新的升級(jí)與改革，其裝備的同步發(fā)電機(jī)設(shè)備有的還在用可控硅靜止勵(lì)磁方式，采用人工手動(dòng)調(diào)節(jié)，勵(lì)磁系統(tǒng)不能按照給定電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，

2、直接影響同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的供電質(zhì)量及其運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，因此，許多電站提出了對(duì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的微機(jī)控制就產(chǎn)生了，提高了電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。本文利用atmel公司生產(chǎn)的atmega系列單片機(jī)功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性高、精度高、運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適用于中小型同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)的控制裝置，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行情況下維持發(fā)電機(jī)端電壓在給定水平，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的無(wú)功功率的合理分配以及提高同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性。1.2國(guó)內(nèi)外同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁技術(shù)的發(fā)展縱觀同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置的發(fā)展歷史可知，最初的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是以發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓偏差(

3、)為反饋量，由于當(dāng)時(shí)的機(jī)組容量不大，電網(wǎng)規(guī)模較小，所以基本能滿(mǎn)足安全運(yùn)行的要求。調(diào)節(jié)器的執(zhí)行環(huán)節(jié)是采用電動(dòng)伺服馬達(dá)。通過(guò)鏈條傳動(dòng)以改變威磁帆磁場(chǎng)回路中的磁場(chǎng)電阻的方案。這就帶來(lái)了調(diào)節(jié)速度慢的問(wèn)題。而且有一定的調(diào)節(jié)死區(qū)。磁放大器式的勛磁調(diào)節(jié)器克服了死區(qū)的問(wèn)題。然而仍有較大的時(shí)間常數(shù)。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，70年代后，執(zhí)行環(huán)節(jié)大部分采用可控硅整流橋，目前國(guó)內(nèi)對(duì)全控橋可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)的研究主要集中于大型機(jī)組，并與全數(shù)字式同步勵(lì)磁控制系統(tǒng)配套使用，這樣既解決了靈敏度的同題，也大幅度地提高了反應(yīng)速度。然而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，單機(jī)容量的增大，使得僅以電壓偏差()為反饋量的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不能滿(mǎn)足對(duì)電壓精度及穩(wěn)定運(yùn)

4、行的要求，因此出現(xiàn)了pid 勵(lì)磁控制方式。它是從受控對(duì)象及調(diào)節(jié)器的常微分方程出發(fā)，經(jīng)過(guò)拉氏變換建立各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)進(jìn)而得到受控系統(tǒng)及調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。其調(diào)節(jié)控制算法為：,這種勵(lì)磁控制方式對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能有了很大的改善。進(jìn)入50年代后，隨著自動(dòng)控制理論的不斷發(fā)展與成熟，電子器件，半導(dǎo)體技術(shù)的研制和應(yīng)用也取得了長(zhǎng)足發(fā)發(fā)展，從此打開(kāi)了人們研制新型調(diào)節(jié)器的思路，70年代后，最優(yōu)控制理論應(yīng)用于電力系統(tǒng)勵(lì)磁控制的研究在國(guó)外就蓬勃地展開(kāi)了，這些成果進(jìn)一步促進(jìn)了勵(lì)磁控制技術(shù)的發(fā)展。國(guó)外從70年代開(kāi)始研究數(shù)字勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，從80年代中期世界上第一臺(tái)數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器der，問(wèn)世以來(lái)，國(guó)外的德國(guó)，瑞士，英國(guó)等眾多

5、生產(chǎn)廠(chǎng)家紛紛研制并不斷推出新的產(chǎn)品，大大推動(dòng)了der的發(fā)展和應(yīng)用，der用的硬件一般自制專(zhuān)用控制板，分為單cpu系統(tǒng)和多cpu系統(tǒng)以及模擬數(shù)字混合系統(tǒng)(數(shù)字部分采用plc)等三種，單cpu系統(tǒng)的特點(diǎn)是快速、總體集成度高，因而成本也高。多cpu系統(tǒng)兼有并行處理的特點(diǎn)，可滿(mǎn)足快速要求，調(diào)節(jié)器功能分配給不同的cpu單元，軟件編程簡(jiǎn)化，缺點(diǎn)也是明顯的，多cpu需要一個(gè)多機(jī)并行的管理系統(tǒng)。但無(wú)論如何數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器己成為復(fù)雜的多功能勵(lì)磁系統(tǒng)的首選，是最新勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展方向。隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，控制要求的不斷提高和控制理論的不斷發(fā)展，用常規(guī)模擬勵(lì)磁控制方法實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到指標(biāo)愈來(lái)愈困

6、難，并且可靠性大大降低，因此對(duì)傳統(tǒng)的模擬式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器提出了挑戰(zhàn)，模擬式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是以半導(dǎo)體元件為基礎(chǔ)，它曾對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)展起過(guò)積極的推動(dòng)作用，但由于現(xiàn)代發(fā)電機(jī)組越來(lái)越大，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求越來(lái)越高。使得勵(lì)磁部分的電路較復(fù)雜。這就不可避免地降低了整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性，另一方面，半導(dǎo)體元件參數(shù)的分散性較大，且焊接點(diǎn)較多，調(diào)試及檢修工作量大。而用微機(jī)實(shí)現(xiàn)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)可克服上述矛盾，滿(mǎn)足運(yùn)行的要求，如采用雙散機(jī)切換可據(jù)高整個(gè)系統(tǒng)的可性。微機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，使得許多在模擬式調(diào)節(jié)器中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能得以實(shí)現(xiàn)，并可以用軟件功能代替模擬式中用較復(fù)雜的硬件實(shí)現(xiàn)的功能。簡(jiǎn)化了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，降低了成本。而且對(duì)于一

7、些特殊要求的功能，可以在硬件電路幾乎不變的情況下，修改軟件來(lái)達(dá)到。這櫸就加快了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度，也使得現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員在掌握某種功能的微機(jī)勵(lì)磁裝置的前提下，不需要花大力氣，就可以掌握另一種性能略有差別的裝置。微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定靈活方便，便于在線(xiàn)修改、調(diào)試工作量小，受到了人們的普遍歡迎。其改善了系統(tǒng)的阻尼，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的靜態(tài)與暫態(tài)性能，以單片機(jī)或微型計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主要分為主要有16位和32位兩個(gè)類(lèi)型，控制器有多種結(jié)構(gòu)形式，如單板機(jī)結(jié)構(gòu)、單片機(jī)結(jié)構(gòu)、工控機(jī)結(jié)構(gòu)以及可編程序控制器結(jié)構(gòu)等，其中單片機(jī)結(jié)構(gòu)和工控機(jī)結(jié)構(gòu)在當(dāng)今勵(lì)磁控制裝置市場(chǎng)中占了絕大部分?jǐn)?shù)額。采用單片機(jī)結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁控制器結(jié)

8、構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低，除控制核心外的其它硬件部分可根據(jù)自已的需要自行設(shè)計(jì)，因此這種勵(lì)磁控制器的硬件功能比較容易集成，是一種很有前途的新型調(diào)節(jié)器。1.3本課題的主要工作及研究?jī)?nèi)容本文的主要研究?jī)?nèi)容是單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要應(yīng)用于中小型號(hào)發(fā)電廠(chǎng)和企業(yè)發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制系統(tǒng)方面。在本次課題設(shè)計(jì)中，首先對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁原理作出分析，選擇適合中小型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的算法，適應(yīng)單片機(jī)的控制要求以及硬件配置；而后設(shè)計(jì)出基于avr微處理器的數(shù)字式勵(lì)磁裝置的硬件原理圖，再根據(jù)原理圖和該裝置的硬件平臺(tái)在相應(yīng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)的正常要求。主要工作包括以atmega系列超低功

9、耗單片機(jī)為核心，輔助相應(yīng)的硬件電路和外圍設(shè)備，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制。設(shè)計(jì)出來(lái)的裝置完成對(duì)電網(wǎng)電壓，頻率，相位等參數(shù)的檢測(cè)，并進(jìn)行綜合判斷，利用移相觸發(fā)電路和整流電路來(lái)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)，利用單片機(jī)的抗干擾措施實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及同步發(fā)電機(jī)的滅磁處理。第二章 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁原理分析2.1勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理優(yōu)良的勵(lì)磁控制系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，而且可以有效的提高發(fā)電機(jī)及其相連電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。勵(lì)磁控制系統(tǒng)應(yīng)承擔(dān)電力系統(tǒng)電壓控制、無(wú)功分配和提高同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性的任務(wù)。向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出勵(lì)磁電流，而獲得勵(lì)磁電流的方法一般稱(chēng)之為勵(lì)磁方式，產(chǎn)生勵(lì)磁電流的裝置則稱(chēng)

10、為勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì)磁系統(tǒng)的種類(lèi)很多，但主要可分為他勵(lì)系統(tǒng)自勵(lì)系統(tǒng)兩大類(lèi)。自并勵(lì)方式是自勵(lì)系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的一種勵(lì)磁方式，它不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、維護(hù)費(fèi)用省，而且有很快的勵(lì)磁電壓響應(yīng)速度。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)一般由勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩個(gè)部分組成，如圖2-1所示。勵(lì)磁功率單元向同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子提供直流電流，即勵(lì)磁電流；勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入信號(hào)和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元的輸出。整個(gè)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)是由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁功率單元和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。圖2-1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是由勵(lì)磁機(jī)、發(fā)電機(jī)、濾波器、放大器、移相觸發(fā)單元和測(cè)量比較單元等組成的反饋控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)直接控

11、制同步發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)電流，從而控制同步發(fā)電機(jī)的電勢(shì)、端電壓、無(wú)功功率和電流等參量。勵(lì)磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖中，同步發(fā)電機(jī)是控制對(duì)象，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是控制器。勵(lì)磁機(jī)為執(zhí)行環(huán)節(jié)，而校正裝置是為改善系統(tǒng)特性而設(shè)定的。圖2-2 自動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)框圖自動(dòng)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在測(cè)量輸入信號(hào)，并與給定值作出比較、計(jì)算后，給出控制信號(hào)作用于勵(lì)磁功率單元，從而控制勵(lì)磁電流，達(dá)到勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)完成的功能。通用的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器均按一定控制規(guī)律來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁，故常稱(chēng)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置，漢語(yǔ)拼音簡(jiǎn)寫(xiě)為ztl。由于電力系統(tǒng)運(yùn)行的需要及自動(dòng)裝置元件與計(jì)算技術(shù)的進(jìn)展，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器也隨之發(fā)展。從裝置的物理結(jié)構(gòu)上可分成機(jī)電型、電磁型、半

12、導(dǎo)體型與數(shù)字型。從裝置的調(diào)節(jié)原理劃分，有比例式、比例積分微分式、最優(yōu)調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)式調(diào)節(jié)器等。圖2-3即為自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)的 ztl由調(diào)差、測(cè)量比較、綜合放大，同步與移相觸發(fā)及可控整流環(huán)節(jié)組成。2.2勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的工作原理和數(shù)學(xué)模型2.2.1 同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)相當(dāng)復(fù)雜，本文只研究發(fā)電機(jī)空載起勵(lì)的過(guò)程， 因此，可對(duì)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)描述進(jìn)行簡(jiǎn)化。在轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)可以用一階滯后環(huán)節(jié)來(lái)表示。電壓最大值在額定電壓的附近， 因此，可以在該過(guò)程中忽略飽和現(xiàn)象，故同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)為：式中：表示其時(shí)間常數(shù)，主要為勵(lì)磁繞組ew的時(shí)間常數(shù)，其數(shù)值較小

13、，取5s，為發(fā)電機(jī)的電壓放大系數(shù)，當(dāng)忽略發(fā)電機(jī)的飽和影響時(shí) ，可用發(fā)電機(jī)的定子電壓和發(fā)電機(jī)空載額定轉(zhuǎn)子電壓之比表示。圖2-3 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖2.2.2電壓測(cè)量比較單元的傳遞函數(shù)電壓測(cè)量比較單元由調(diào)節(jié)器的測(cè)量變壓器、整流濾波電路、比較器和調(diào)差環(huán)節(jié)、電壓互感器組成，作用是把發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓變成與之成正比的直流電壓，在正常情況下，tv和測(cè)量變壓器均不會(huì)飽和，可近似用一個(gè)一階滯后環(huán)節(jié)來(lái)描述：總的效應(yīng)可以用一階慣性環(huán)節(jié)近似表示其動(dòng)態(tài)特性。 （2-1）式中 其時(shí)間常數(shù)約為幾十毫秒，為電壓比例系數(shù)，為對(duì)應(yīng)時(shí)測(cè)量單元的輸出電壓。該環(huán)節(jié)的作用是將發(fā)電機(jī)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成比例的直流電壓，再將該直流電壓與給定基

14、準(zhǔn)電壓作比較，得出電壓偏差值號(hào)，在實(shí)際的裝置中，測(cè)量比較環(huán)節(jié)測(cè)量的是調(diào)差環(huán)節(jié)的輸出，對(duì)測(cè)量比較環(huán)節(jié)的要求是，對(duì)被測(cè)量電壓應(yīng)有高靈敏度時(shí)滯小，能及時(shí)反應(yīng)發(fā)電機(jī)電壓的變化；給定的基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定精確，并有足夠調(diào)節(jié)范圍，輸入電壓與輸出電壓之間為線(xiàn)性關(guān)系，輸出電壓的紋波小，整個(gè)環(huán)節(jié)不受系統(tǒng)頻率變化影響。該測(cè)量比較環(huán)節(jié)由正序電壓濾過(guò)器、多相整流、濾波及檢測(cè)橋等電路組成，如圖2-4所給框圖所示。圖2-4 測(cè)量比較環(huán)節(jié)框圖（1）正序電壓濾過(guò)器： 濾過(guò)器的輸入是調(diào)差環(huán)節(jié)的輸出，是已修正過(guò)的發(fā)電機(jī)電壓。采用正序?yàn)V過(guò)器的原因是在系統(tǒng)存在三相電壓不平衡時(shí)；濾過(guò)器只輸出一個(gè)反應(yīng)電壓水平的正序電壓，能提高檢測(cè)的靈敏度，并使

15、接于其后的測(cè)量變壓器始終處于對(duì)稱(chēng)三相電壓下工作。正序電壓濾過(guò)器接線(xiàn)如圖2-5（a）所示，為便于說(shuō)明，將接線(xiàn)圖改畫(huà)成圖2-5（b）所示電路。圖中，各臂對(duì)稱(chēng)位置的電阻、電容相等，且參數(shù)間關(guān)系為： （2-2）即，于是 、三條支路上的電流超前相應(yīng)線(xiàn)電壓 且上壓降為的兩倍，據(jù)此，可畫(huà)出當(dāng)負(fù)序電壓與正序電壓分別作用于濾過(guò)器時(shí)的矢量圖。 圖2-5（a）為輸入負(fù)序電壓的矢量。由圖可見(jiàn)，濾過(guò)器輸出為零。圖2-5（b）為輸入正序電壓，濾過(guò)器有三相對(duì)稱(chēng)電壓，及輸出。因此，當(dāng)輸入為不對(duì)稱(chēng)電壓時(shí)，負(fù)序分量被濾去，只有正序電壓輸出。圖2-5 正序電壓濾過(guò)器原理接線(xiàn)圖(a)原理接線(xiàn) （b）原理接線(xiàn)的另一種表示(2)多相整流

16、：由測(cè)量變壓器與多相整流電路組成多相整流單元。其作用是將發(fā)電機(jī)電壓變換成能與基準(zhǔn)電壓作比較的平滑的直流電壓。因?yàn)檎飨鄶?shù)越多，整流電壓中所含紋波的最低頻率越高，且其幅值越小，因而直流電壓越平滑，所以一般均采用多相整流電路；由于整流電壓平穩(wěn)，其后的濾波單元可以采用較小的濾波電容而獲得滿(mǎn)意的直流電壓。濾波電容的減小則可提高整個(gè)測(cè)量回路的響應(yīng)速度。(3)濾波電路：濾波電路如圖2-6所示，1、2為輸入端，接至整流電路，3、4為輸出端，接至檢測(cè)電路。濾波電路由兩節(jié)組成，第一節(jié)是由，和，和組成的橋式濾波電路，a,b是輸出端。該電路利用電橋原理使電橋具有選頻濾波特性，即頻率為選頻的波形時(shí)，濾波電橋無(wú)輸出。對(duì)

17、于六相全波整流，選頻為600hz橋式濾波電路選頻特性好，對(duì)直流電壓衰減小。第二節(jié)是由，和，組成的兩級(jí)rc濾波器，其作用是濾去殘余的高次諧波分量。圖2-6 濾波電路(4)檢測(cè)電路：檢測(cè)電路是測(cè)量比較環(huán)節(jié)的核心部分。其作用是將整流濾波輸出的電壓與比較電路中的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，得到一個(gè)反映發(fā)電機(jī)電壓偏差的直流電壓信號(hào)輸出到綜合放大環(huán)節(jié)。通過(guò)調(diào)節(jié)檢測(cè)電路中的整定電位器，能改變電壓的給定值。因此，檢測(cè)電路起到比較與整定電壓的作用，故又稱(chēng)比較整定電路。圖27為檢測(cè)電路，電位器w用于調(diào)整電壓定值；兩個(gè)穩(wěn)壓值相同的穩(wěn)壓管wy1，wy2與兩個(gè)阻值相等的電阻組成對(duì)稱(chēng)比較電路，又稱(chēng)檢測(cè)橋，m，n為電路的輸出端, 輸

18、出電壓偏差信號(hào)，圖中右邊部分為檢測(cè)橋的特性。2.2.3 綜合放大環(huán)節(jié)(1)任務(wù)及對(duì)環(huán)節(jié)的要求：該環(huán)節(jié)的任務(wù)是，將偏差電壓與其他輔助信號(hào)電壓進(jìn)行線(xiàn)形綜合放大，以提高整個(gè)裝置的靈敏度，并給出適合移相觸發(fā)環(huán)節(jié)需要的控制電壓，其他輔助信號(hào)包括反饋，限制以及可以反映發(fā)電機(jī)運(yùn)行的各種參數(shù)變量。圖2-7 檢測(cè)電路接線(xiàn)及特性（a）檢測(cè)橋電路 （b）檢測(cè)橋的特性。 (2)工作原理：綜合放大環(huán)節(jié)一般均采用直流運(yùn)算放大器來(lái)構(gòu)成。運(yùn)算放大器原理接線(xiàn)如圖28所示。圖2-8 運(yùn)算放大器原理接線(xiàn)圖運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)（無(wú)反饋電阻時(shí)）放大系數(shù)很大（k），加入后，輸入端相加點(diǎn)的電位總是接近零電位，即，輸入到放大器的電流 于是有：

19、式中 可推得輸出電壓為： （23） 式（23）說(shuō)明，運(yùn)算放大器能對(duì)多個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行按不同比例相加，其比例僅與反饋電阻與各輸入電阻有關(guān)，與運(yùn)算放大器本身參數(shù)無(wú)關(guān)。各比例系數(shù)可以分別進(jìn)行整定。由運(yùn)算放大器構(gòu)成的綜合放大環(huán)節(jié)電路如圖29所示。電路中加上了限幅與功率放大。圖2-9 綜合放大電路在輸人端，組成雙向限幅電路，保護(hù)集成放大電路。，與，組成輸出端的雙向限幅電路，使輸出電壓的幅值限制在移相觸發(fā)電路允許范圍。為增加運(yùn)算放大器帶負(fù)荷的能力，在限福電路之后，增加一級(jí)互補(bǔ)射極跟隨器，作功率放大。放大器上接入電位器是用來(lái)調(diào)零，當(dāng)輸入為零時(shí)，調(diào)節(jié)，使為零。與構(gòu)成消除高頻自激振蕩電路。圖2-10示出與主信號(hào)的

20、關(guān)系特性（此時(shí)設(shè)其他信號(hào)均為0）改變與的比值，可以改變特性斜率；當(dāng)|大于一定值后，輸出不再變，呈飽和狀態(tài)，這是移相電路的要求而設(shè)定的。圖210 綜合放大電路工作特性功率放大單元的輸入為uk，包括觸發(fā)電路在內(nèi)，功率放大單元也認(rèn)為是一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下： （2-4）式中kp為功率放大系數(shù)，tp為功率放大單元的時(shí)間常數(shù), iztl為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器單元部分的電流。一般情況下，tp很小，所以把綜合放大單元和功率放大單元看作是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)。2.2.4移相觸發(fā)環(huán)節(jié)(1)任務(wù)及對(duì)環(huán)節(jié)的要求：將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成觸發(fā)脈沖，以觸發(fā)對(duì)應(yīng)相的晶閘管，達(dá)到調(diào)節(jié)勵(lì)磁的目的。受控制的是三相整流橋，故應(yīng)有3套觸發(fā)電路。若

21、整流橋是三相全控，則晶閘管導(dǎo)通順序?yàn)閍、c、b、a、c、b，則三相觸發(fā)電路按相每隔向?qū)?yīng)相發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖；若是三相半控橋，則每隔發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖。為保證觸發(fā)電路對(duì)整流主電路在給定的角時(shí)發(fā)出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)電路與同相主電路應(yīng)在相位上嚴(yán)格保持同步。觸發(fā)電路的移相范圍應(yīng)足夠?qū)?，移相平穩(wěn)，線(xiàn)性度好；觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，使晶閘管可靠導(dǎo)通；脈沖應(yīng)有一定寬度，尤其是對(duì)于勵(lì)磁系統(tǒng)這樣的大電感電路，只有當(dāng)脈沖有足夠?qū)挾?，剛?dǎo)通的晶閘管中電流逐漸上升時(shí)，觸發(fā)脈沖仍未消失，保證晶閘管不會(huì)重新熄滅；觸發(fā)脈沖的前沿要陡；整個(gè)觸發(fā)電路應(yīng)有較強(qiáng)的抗干擾能力。(2)移相觸發(fā)電路工作原理：移相觸發(fā)電路包括同步電路、觸發(fā)電路及其

22、脈沖輸出電路，圖 211為其工作示意圖。同步變壓器為y11接線(xiàn)，使同名相的同步電壓超前主電路電壓，圖中未單獨(dú)畫(huà)出同步電路。移相觸發(fā)電路中的觸發(fā)器可以由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或單結(jié)晶體管觸發(fā)器等電路來(lái)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)以單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成的移相觸發(fā)電路進(jìn)行討論。 圖 2-11 三相移相觸發(fā)電路工作示意圖2.2.5勵(lì)磁機(jī)的傳遞函數(shù)勵(lì)磁機(jī)可以是直流的也可以是交流的，直流又分為自勵(lì)式和他勵(lì)式。這里只介紹自勵(lì)式直流勵(lì)磁機(jī)的傳遞函數(shù)。勵(lì)磁機(jī)的輸入為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的輸出電流，輸出為勵(lì)磁機(jī)的端電壓uf ，該單元也是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為： (2-5)式中kf為勵(lì)磁機(jī)放大系數(shù)，tf為勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)。為一個(gè)非線(xiàn)性函數(shù)，在這里將不做

23、介紹。2.2.6勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 將已知單元的傳遞函數(shù)按圖2-2組成整個(gè)勵(lì)磁控制系統(tǒng)框圖，如圖2-12所示。圖中將綜合放大和功率放大合并為一個(gè)單元，并認(rèn)為未加校正裝置。圖2-12 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖作為簡(jiǎn)單分析，略去勵(lì)磁機(jī)的飽和特性和放大器的限幅，則直接可以寫(xiě)出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下： (2-6)2.3 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的基本任務(wù)2.3.1 系統(tǒng)電壓的控制電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷是經(jīng)常變動(dòng)的，同步發(fā)電機(jī)的功率也隨之相應(yīng)變化，而勵(lì)磁系統(tǒng)最基本的任務(wù)是要求及時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，以維持發(fā)電機(jī)端或系統(tǒng)某一點(diǎn)電壓在給定水平。要保持勵(lì)磁電流不變，發(fā)電機(jī)端電壓隨著無(wú)功電流的增大而減小，因此維持發(fā)電機(jī)端一定

24、的電壓是不可能的。要維持發(fā)電機(jī)端電壓，必須增大勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)的外特性向上移。所以，要保證供電質(zhì)量，同步發(fā)電機(jī)必須隨著無(wú)功負(fù)荷的變化不斷調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。在變化時(shí)，測(cè)量件測(cè)得的發(fā)電機(jī)端電壓與設(shè)定的額定基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，結(jié)果是電壓偏差。通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用，依電壓偏差來(lái)調(diào)節(jié)三相半控橋晶閘管的導(dǎo)通角，調(diào)整勵(lì)磁電流，以保持發(fā)電機(jī)端電壓在額定給定水平，導(dǎo)通角與電壓偏差值有以下關(guān)系：u=-，當(dāng)u大于零時(shí)，系統(tǒng)減小導(dǎo)通角，勵(lì)磁電流升高，也隨升高，直到，電壓偏差等于零。當(dāng)u小于零時(shí)，系統(tǒng)將增大導(dǎo)通角，勵(lì)磁電流減小，隨之降低，直到，偏差等于零為止。u對(duì)的控制調(diào)節(jié)規(guī)律：同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)主要作用是通過(guò)給定控制

25、電壓控制三相半橋整流電路的導(dǎo)通角，從而調(diào)控勵(lì)磁電流，達(dá)到控制端電壓的目的。而同步發(fā)電機(jī)控制端電壓的波動(dòng)主要體現(xiàn)為電網(wǎng)的無(wú)功功率q的不斷變化。因此，勵(lì)磁控制系統(tǒng)總的控制調(diào)節(jié)規(guī)律是依據(jù)電壓偏差u，不斷的改變勵(lì)磁控制系統(tǒng)給定控制電壓，使之跟隨電網(wǎng)的無(wú)功功率q的變化。2.3.2系統(tǒng)無(wú)功功率的分配幾臺(tái)發(fā)電機(jī)在同一母線(xiàn)上并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，改變?nèi)魏我慌_(tái)機(jī)組的勵(lì)磁電流不僅影響該機(jī)組的無(wú)功電流，而且還影響同一母線(xiàn)上并聯(lián)運(yùn)行其它機(jī)組的無(wú)功電流，與此同時(shí)也引起母線(xiàn)電壓的變化。這些變化與機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)特性有關(guān)，為了合理而穩(wěn)定地分配組間的無(wú)功負(fù)荷，機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)特性應(yīng)有適當(dāng)?shù)恼{(diào)差系數(shù)。調(diào)差系數(shù)可由下式表示 %=100% （2

26、7）為發(fā)電機(jī)額定電壓，、分別是發(fā)電機(jī)空載電壓、額定無(wú)功電流時(shí)的電壓。當(dāng)正調(diào)差系數(shù)為0，其調(diào)節(jié)特性下傾，發(fā)電機(jī)電壓隨著無(wú)功電流增大而降低。在帶有正調(diào)差單元的自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置中，當(dāng)無(wú)功電流增大，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將感受到發(fā)電機(jī)電壓虛假地提高，于是調(diào)節(jié)裝置將減小發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，致使發(fā)電機(jī)電壓降低，所以得到下傾的外特性。當(dāng)0時(shí)為負(fù)調(diào)差，調(diào)節(jié)特性上翹，發(fā)電機(jī)端電壓隨著無(wú)功電流增大而上升。在帶有負(fù)調(diào)差單元的自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置中，當(dāng)無(wú)功電流增大時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將感受到發(fā)電機(jī)電壓虛假地降低，有相反的調(diào)節(jié)過(guò)程，致使發(fā)電機(jī)電壓升高，于是得到上翹的外特性。=0為無(wú)差特性，這時(shí)發(fā)電機(jī)電壓為恒定值。2.3.3 同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行

27、的穩(wěn)定性電力系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)隨時(shí)會(huì)受到各種干擾，這就需要同步發(fā)電機(jī)具有維持或恢復(fù)同步運(yùn)行的能力，即保持同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。第三章 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)單片機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的主要任務(wù)是：將輸入的電氣信號(hào)，經(jīng)各自的信號(hào)處理及變換電路對(duì)信號(hào)濾波、隔離放大適配到a/d轉(zhuǎn)換的量程內(nèi)。再通過(guò)軟件計(jì)算得到發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況、勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)、調(diào)節(jié)器輸出參數(shù)等全部信息。最后，將調(diào)節(jié)參數(shù)輸出并控制移相觸發(fā)電路,使得勵(lì)磁電源主回路的晶閘管導(dǎo)通角改變,從而控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁。本裝置硬件系統(tǒng)總體可分為6個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集單元，微機(jī)處理單元，開(kāi)關(guān)量輸入/輸出接口單元，人機(jī)接口單元，通信系統(tǒng)、電源

28、系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集單元的功能是采集由被保護(hù)設(shè)備的電流電壓互感器輸入的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后轉(zhuǎn)化為所需數(shù)字量；微機(jī)處理單元以atmega16微處理器為核心，atmega16是基于增強(qiáng)的avr risc結(jié)構(gòu)的低功耗8位cmos微控制器。atmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1mips/mhz，同時(shí)具有16k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程flash(具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力)；512字節(jié)eeprom；1k字節(jié)sram；32個(gè)通用i/o口線(xiàn)；開(kāi)關(guān)量輸入/輸出回路由并行口、光電耦合電路及光電隔離開(kāi)關(guān)等組成；人機(jī)接口部分主要包括顯示、鍵盤(pán)、各種面板開(kāi)關(guān)等，通信系統(tǒng)可以完成機(jī)間通信及遠(yuǎn)動(dòng)的要求；電源系統(tǒng)提供了整個(gè)裝置所需的直流穩(wěn)壓電源

29、，保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠供電?？傮w設(shè)計(jì)如圖3-1所示： 圖3-1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置總體硬件框圖3.2 單片機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)主回路勵(lì)磁電源主回路：該系統(tǒng)的勵(lì)磁電源部分即為控制主回路，是一個(gè)由可控硅和二極管組成的三相半控，經(jīng)這一回路整流后的電壓就是勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組可變的電源電壓。如圖3-2所示。整流二極管是共陽(yáng)極接法，晶閘管是共陰極接法，d為續(xù)流二極管。在電路中僅在橋的一側(cè)用可控的晶閘管，故稱(chēng)為半控橋整流。三相半橋中，三個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序與三相電源的順序相同,從左到右依次導(dǎo)通。因?yàn)槭侨嚯娫?，所以觸發(fā)脈沖間相位也依次相差120，勵(lì)磁控制回路可以根據(jù)機(jī)端電壓偏差和其他反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角，從而達(dá)到自

30、動(dòng)改變勵(lì)磁電流的目的。圖3-2 勵(lì)磁電源主回路3.3系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量電路參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)量都是由單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成,檢測(cè)同步發(fā)電機(jī)端電壓和勵(lì)磁電流，將它們經(jīng)過(guò)整流變送后輸入單片機(jī)的a/d口；同時(shí)將測(cè)得的端電壓和勵(lì)磁電流通過(guò)比較器、光電隔離器等環(huán)節(jié)得到頻率和相位角的脈沖方波信號(hào)，并且取得系統(tǒng)的同步信號(hào)。系統(tǒng)測(cè)量環(huán)節(jié)的總體框圖如圖3-3所示。發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓ud經(jīng)電壓互感器后，經(jīng)三相整流濾波電路后經(jīng)過(guò)atmega16的一路a/d送入單片機(jī)，與對(duì)應(yīng)的給定值進(jìn)行比較。經(jīng)過(guò)程序運(yùn)算，把電壓偏差輸出到d/a（pwm），經(jīng)過(guò)觸發(fā)電路，控制晶閘管導(dǎo)通角。勵(lì)磁電流if 經(jīng)電流互感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)放大

31、電路得到0-5v電壓信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。圖3-3 系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量電路結(jié)構(gòu)框圖3.3.1電壓和電流參數(shù)采集同步發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器取樣后，由測(cè)量變壓器降壓得到5v按正弦波變化的電壓，再送入精密整流電路整流便可以得到整形后的電壓。整流后的電壓信號(hào)經(jīng)電容濾波后便可以通過(guò)atmega16的一路a/d送入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)程序運(yùn)算，便可以得到我們所要顯示的電壓值。另外，還可以由程序?qū)⑵渑c對(duì)應(yīng)的給定值進(jìn)行比較，得到我們想要的電壓偏差，把電壓偏差送至d/a，通過(guò)觸發(fā)電路可以控制晶閘管導(dǎo)通角，從而控制勵(lì)磁電流。由于普通橋式整流電路存在兩個(gè)二極管pn結(jié)的門(mén)檻電壓(二極管有0.7v左右的電壓降),輸出電壓的有

32、效值并不是vm。這是一個(gè)非線(xiàn)性整流電路，存在兩個(gè)二極管pn結(jié)的門(mén)檻電壓，整流后的電壓有損失，不利于發(fā)電機(jī)的起勵(lì)控制。故我們采用精密整流濾波電路，以克服普通橋式整流電路的不足,克服二極管死區(qū)電壓現(xiàn)象，從而提高了測(cè)量精度。全波精密整流電路如圖3-4所示。圖3-4 全波精密整流電路圖3-4中為半波精密整流電路，為反相加法器電路。，對(duì)，當(dāng)0的時(shí)候，放大器輸出為負(fù)，導(dǎo)通，截止，則，當(dāng)0時(shí)有 0時(shí)有 (3-2)所以 (3-3)由此可以看到經(jīng)過(guò)精密整流電路后，經(jīng)過(guò)調(diào)整的交流電壓、電流變成a/d轉(zhuǎn)換可以接受的單向脈動(dòng)電，且幅值為正，從波形上無(wú)法分辨哪個(gè)半波為原波形的正半周，因此，需附加判斷翻轉(zhuǎn)之后的正負(fù)半周，

33、可通過(guò)增加一個(gè)比較器來(lái)判定，該比較器輸出的上升沿對(duì)應(yīng)著原波形的正半周。同時(shí)，該比較器的輸出的上升沿也為ad轉(zhuǎn)換開(kāi)始提供依據(jù)。圖3-5 精密整流后的波形圖電流采樣與電壓采樣類(lèi)似。只需在電流互感器的二次側(cè)加一個(gè)電阻就可以變?yōu)殡妷骸?.3.2發(fā)電機(jī)頻率的檢測(cè)通過(guò)avr單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確求得頻率。其軟件實(shí)現(xiàn)原理為：將前面測(cè)量電壓時(shí)采集到的正弦信號(hào)通過(guò)過(guò)零比較電路，將其轉(zhuǎn)換為只有正值和負(fù)值的方波，將方波通過(guò)反相光電隔離芯片，可以屏蔽外部干擾，還可以濾除方波中的低電平，得到系統(tǒng)的頻率信號(hào)接入到avr單片機(jī)的一個(gè)外部中斷引腳int0，icp1端口。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路如圖3-6所示。 圖3-6 頻率測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換

34、電路avr單片機(jī)設(shè)定為上升沿觸發(fā)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，一直到第二個(gè)上升沿到來(lái)，此時(shí)讀取定時(shí)器數(shù)值，再用這兩次的數(shù)值差乘以定時(shí)器單次計(jì)數(shù)間隔時(shí)間，即可得到交流電壓或電流的周期：，其倒數(shù)即為頻率f，如圖3-7所示。圖3-7 頻率的計(jì)算3.3.3功率因數(shù)角與功率因數(shù)的計(jì)算要計(jì)算功率因數(shù)，首先要獲取功率因數(shù)角。在本文中，利用avr單片機(jī)的硬件特性，通過(guò)一次采集獲得頻率及相位角（功率因數(shù)角），并可判斷電壓和電流在時(shí)間上的超前滯后關(guān)系，僅占用單片機(jī)的一個(gè)外部中斷，一個(gè)輸入捕獲引腳icp和一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為方便。icp引腳的功能為捕捉邊沿信號(hào)，當(dāng)該引腳有信號(hào)邊沿觸發(fā)時(shí)，可以將

35、此時(shí)的定時(shí)器值放入寄存器。將整形后的電壓信號(hào)輸入avr的外部中斷引腳int0，上升沿觸發(fā)中斷。單片機(jī)接收到上升沿觸發(fā)中斷后，將定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1清零并開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到下一個(gè)上升沿中斷的到來(lái)，該時(shí)間間隔即為一個(gè)周期t，其倒數(shù)即為頻率f。將整形后的電流信號(hào)輸入avr單片機(jī)的icp引腳，當(dāng)外部中斷引腳int0觸發(fā)的同時(shí)也將icp引腳設(shè)置為上升沿觸發(fā)，當(dāng)電流信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，定時(shí)器1的數(shù)值t保存到單片機(jī)內(nèi)部的寄存器, 這樣就測(cè)得了電壓和電流的過(guò)零時(shí)間差，即可求得功率因數(shù)角，并推斷出電壓和電流之間的時(shí)間關(guān)系如下： (3-4) （3-5）當(dāng)小于即時(shí)，可判斷電流滯后于電壓；當(dāng)大于即時(shí)，則判斷電流超前于電壓，如

36、圖3-8所示。 圖3-8 功率因數(shù)角采集及判斷計(jì)算出功率因數(shù)角后，就可以得到功率因數(shù) 。設(shè)計(jì)方法可以在一個(gè)周期內(nèi)便計(jì)算出功率因數(shù)角，并可判斷出電流和電壓之間的相互關(guān)系，具有較好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，同時(shí)避免了對(duì)單片機(jī)引入過(guò)多中斷，使程序的跳轉(zhuǎn)更加清晰。3.3.4移相觸發(fā)電路同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)主要作用是通過(guò)給定控制電壓控制三相半橋整流電路的導(dǎo)通角，從而調(diào)控勵(lì)磁電流，達(dá)到控制端電壓的目的。由晶閘管構(gòu)成的三相全橋半控整流是勵(lì)磁系統(tǒng)的功率單元，為使半控橋正常工作，需要使晶閘管元件按照一定的次序?qū)ǎ@就需要按照一定的次序?qū)чl管的門(mén)極施加觸發(fā)脈沖。勵(lì)磁系統(tǒng)移相觸發(fā)電路原理圖見(jiàn)圖3-9。圖3-9 移相觸

37、發(fā)電路原理移相觸發(fā)單元產(chǎn)生可調(diào)相位的脈沖，由來(lái)觸發(fā)晶閘管，使其觸發(fā)角能夠隨著主控制器單元輸出的控制數(shù)據(jù)而改變，以控制晶閘管整流電路的輸出，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流。觸發(fā)電路的調(diào)制波是由如圖3-9左邊部分所示，由ne555芯片構(gòu)成的多諧振蕩器，其可控制端5腳電壓的高低，改變其振蕩頻率和占空比，使5腳輸出方波。此方波與ua進(jìn)入的信號(hào)相與，得到電壓、電流三相參數(shù)的相位值，并送入推挽電路，進(jìn)行放大，最后通過(guò)兩個(gè)二級(jí)管整流得到正向觸發(fā)脈沖。觸發(fā)電路的同步信號(hào)取自晶閘管整流裝置的主回路，保證觸發(fā)脈沖在晶閘管陽(yáng)極電壓為正半周時(shí)發(fā)出，使觸發(fā)脈沖與主回路同步。同步信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)圖如圖3-10示。圖3-10 同步信

38、號(hào)和觸發(fā)信號(hào)3.4 外圍電路設(shè)計(jì)3.4.1開(kāi)關(guān)量輸入電路微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的開(kāi)關(guān)量輸入指的是觸點(diǎn)狀態(tài)（接通或斷開(kāi)）的輸入，可以分為兩類(lèi)：(1)安裝在裝置面板上的觸點(diǎn)，例如鍵盤(pán)上的按鍵、復(fù)位按鈕等。這類(lèi)開(kāi)關(guān)量輸入與cpu主系統(tǒng)使用共同電源，無(wú)需電氣隔離，可直接接cpu端口，如圖3-11所示。 圖3-11 裝置內(nèi)部觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)回路(2)從裝置外部經(jīng)過(guò)端子排引入裝置的觸點(diǎn)，例如在運(yùn)行中可切換的各種壓板、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、斷路器等。這類(lèi)開(kāi)關(guān)量輸入與cpu主系統(tǒng)使用不同電源，需要電氣隔離。在本微機(jī)裝置中一般采用光電隔離措施，通用的原理電路如圖3-12所示。圖3-12裝置外部觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)回路3.4.2 開(kāi)關(guān)量輸出電路開(kāi)關(guān)量

39、輸出除了cpu主系統(tǒng)的端口輸出、信號(hào)線(xiàn)、晶閘管驅(qū)動(dòng)等低壓輸出外，還包括保護(hù)的跳閘出口、合閘出口、中央信號(hào)繼電器驅(qū)動(dòng)等與強(qiáng)電有關(guān)的電路。為提高抗干擾能力，本設(shè)計(jì)采用了光電隔離電路，圖中cpu主系統(tǒng)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)后，同一回路的led指示燈立即點(diǎn)亮，表示光電隔離芯片的出口端已經(jīng)導(dǎo)通，此時(shí)繼電器便發(fā)生動(dòng)作，使裝置的com端子和outj1端子導(dǎo)通，完成勵(lì)磁系統(tǒng)的相應(yīng)輸出動(dòng)作進(jìn)行調(diào)控。如圖3-13所示。圖3-13裝置開(kāi)關(guān)量輸出回路3.4.3 鍵盤(pán)顯示電路在鍵盤(pán)程序的設(shè)計(jì)中，掃描鍵盤(pán)要有合適的去抖動(dòng)時(shí)間。去抖動(dòng)時(shí)間短，會(huì)造成連續(xù)按鍵；去抖動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)使按鍵遲鈍。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，去抖動(dòng)時(shí)間選為45 ms。鍵盤(pán)掃描

40、電路如圖3-14所示。圖 3-14 鍵盤(pán)掃描電路本裝置的顯示模塊使用數(shù)碼管進(jìn)行顯示，采用動(dòng)態(tài)掃描方式。在短時(shí)間內(nèi)逐個(gè)掃描數(shù)碼管，使目測(cè)起來(lái)數(shù)碼管總是為點(diǎn)亮狀態(tài)。該方式的功耗較之靜態(tài)掃描要小。由于一個(gè)數(shù)碼管組需要8個(gè)段碼以及4個(gè)位碼總共12個(gè)引腳進(jìn)行控制。如果直接與單片機(jī)連接，要占用12個(gè)管腳，造成引腳資源的浪費(fèi)，并且單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力也有限。所以本裝置使用2個(gè)8位移位寄存器74hc595組成的串連轉(zhuǎn)換為并聯(lián)的電路來(lái)驅(qū)動(dòng)2個(gè)4位8段數(shù)碼管組，其電路圖如圖3-15所示。 圖 3-15液晶顯示電路原理圖3.4.4 電源電路 該勵(lì)磁系統(tǒng)中單片機(jī)及其它芯片需+5v直流穩(wěn)定電壓供電。電源設(shè)計(jì)原理圖如3-16

41、所示：可先用變壓器對(duì)220v的交流電降壓，然后通過(guò)對(duì)變壓器次級(jí)輸出9v的交流電壓由整流橋作全波整流，經(jīng)電容濾波以及穩(wěn)壓7805芯片得到所需的電壓。圖 3-16電源設(shè)計(jì)原理圖3.4.5 通訊接口電路設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，本系統(tǒng)采用了電平轉(zhuǎn)換芯片max232。其接線(xiàn)圖如下圖所示。max232芯片是用來(lái)進(jìn)行rs232通信，通信距離通常不大于15米，它抗干擾能力強(qiáng)，適用于近距離通訊。由于計(jì)算機(jī)上也裝有rs232通信接口，勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置即能與上位機(jī)進(jìn)行直接接口通信。圖 3-17 通訊電路原理圖第四章 系統(tǒng)控制算法的研究微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的軟件以硬件為基礎(chǔ)，通過(guò)算法處理及程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能?？刂扑惴ㄊ?/p>

42、勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，控制算法的選擇關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果。由于本勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用了單片機(jī)為核心的微機(jī)控制器，因此在控制算法的選擇上有很大的靈活性，只需要通過(guò)對(duì)軟件的修改就可以使控制的效果得到改善。在目前控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，大多采用微機(jī)控制技術(shù)，此時(shí)使用的是數(shù)字pid控制器，它是將模擬pid控制算法離散化，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)，不需要像模擬控制系統(tǒng)那樣用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便，由于pid控制算法具有直觀的物理解釋?zhuān)⑶夷軡M(mǎn)足大多數(shù)系統(tǒng)的要求，特別在工業(yè)過(guò)程中，由于對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費(fèi)很大代價(jià)進(jìn)行模型辨識(shí)，往往

43、不能得到預(yù)期的效果，所以pid調(diào)節(jié)器常被人們采用，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線(xiàn)整定； 因此至今pid控制仍然是常規(guī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用最普遍的控制算法。因此，在本單片機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中采用了數(shù)字pid控制算法。本節(jié)將著重介紹數(shù)字pid算法以及其在本勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的具體實(shí)現(xiàn)，pid參數(shù)可由運(yùn)行調(diào)試人員通過(guò)鍵盤(pán)輸入并保存。4.1 pid調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)pid調(diào)節(jié)器是一種線(xiàn)性調(diào)節(jié)器，它是將設(shè)定值w與實(shí)際輸出值y進(jìn)行比較，構(gòu)成控制偏差e =w-y (4-1)圖4-1 pid調(diào)節(jié)器框圖 并將其比例、積分、微分通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量（如圖4-1所示），所以簡(jiǎn)稱(chēng)為p（比例）、i（積分）、d(微分)調(diào)節(jié)器。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)對(duì)象的特性

44、和控制要求，也可以靈活地改變其結(jié)構(gòu)，取其中一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律。例如，比例(p)調(diào)節(jié)器、比例積分(pi)調(diào)節(jié)器、比例微分(pd)調(diào)節(jié)器等。比例積分微分調(diào)節(jié)pid調(diào)節(jié)器的如下規(guī)律： (4-2)式中：td微分時(shí)間。比例控制能迅速的反映偏差，其控制作用的大小與偏差成比例。只要偏差不為零，它將通過(guò)積分作用影響控制量u，并減小偏差，直至偏差為零，控制作用不再變化，系統(tǒng)才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。但是如果積分時(shí)間ti太小，則積分控制作用太強(qiáng)，會(huì)使控制器系統(tǒng)輸出的超調(diào)量加大，甚至產(chǎn)生震蕩。微分控制能迅速的反映偏差的變化率，因而能使控制器具有“超前”控制功能；同時(shí)根據(jù)自動(dòng)控制理論可知，適當(dāng)?shù)膽?yīng)用微分控制可以減少控制系統(tǒng)輸

45、出的超調(diào)量，并且有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高，正是因?yàn)槿绱?，通過(guò)綜合的應(yīng)用以上控制，可以使控制器具有相當(dāng)高的“智能”。4.2數(shù)字pid算法的實(shí)現(xiàn)由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)只能處理數(shù)字信號(hào)，因此與模擬控制系統(tǒng)相比，微機(jī)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是離散化和數(shù)字化；一般控制系統(tǒng)的控制量和反饋量都是連續(xù)的模擬信號(hào)，為了把它們輸入計(jì)算機(jī)，必須首先在具有一定周期的采樣時(shí)刻對(duì)它們進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，形成一連串的脈沖信號(hào)；采樣后得到的離散模擬信號(hào)本質(zhì)上還是模擬信號(hào)，不能直接輸入計(jì)算機(jī)，還必須經(jīng)過(guò)數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這就是數(shù)字化。4.2.1位置型pid控制算法理想pid控制器輸

46、出信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系如下： （4-3）將上式兩邊同時(shí)求拉氏變換后，寫(xiě)出控制器傳遞函數(shù)形式為： （4-4） 式中 稱(chēng)為比例系數(shù)，的倒數(shù)在過(guò)程控制中稱(chēng)為比例帶。為了能在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，必須將（4-5）用一個(gè)差分方程來(lái)近似。根據(jù)數(shù)值積分原理： （4-5） 誤差函數(shù)的微分則可以進(jìn)行如下近似： （4-6）綜合（4-3），（4-4），（4-6）可以得到如下的差分方程： u(n)= （4-7）在以上三個(gè)式子中，t為采樣時(shí)間間隔，分別為，的簡(jiǎn)寫(xiě)，=0，1，2，n。只要采樣間隔時(shí)間t與，相比足夠小，式（4-7）就與（4-3）足夠近似。因此，利用式（4-7）計(jì)算出來(lái)的u(n)序列就能與按（4-3）產(chǎn)生的u(t)功

47、能相近。將一個(gè)微分方程用差分方程近似離散化。但是分析（4-7）可以發(fā)現(xiàn)有不少缺陷，首先是計(jì)算工作量大，每計(jì)算一次u(n)要完成n+3次加法和至少3次乘法，而且計(jì)算量隨著時(shí)間的推移逐漸增加；其次要保存e(t)所有采樣時(shí)刻的值，這就要占用比較大的內(nèi)存空間。42 .2 增量型pid控制算法 由于位置型控制算法存在諸多的問(wèn)題，人們對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，提出了以下增量型控制算法。通過(guò)分析（4-7）可以知道，如果先不計(jì)算u(n)，而是計(jì)算其增量，則可以免除每次加法計(jì)算。由（4-7）可得： （4-8）因?yàn)?，n時(shí)刻控制量的增量為： （4-9）將式（4-7）和式（4-8）分別代入上式得： （4-10）其中： 稱(chēng)為積分

48、系數(shù) 稱(chēng)為微分系數(shù)根據(jù)具體控制系統(tǒng)問(wèn)題的需要，可以用u（n）也可以用來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如果是用u(n)來(lái)進(jìn)行控制，可以先利用式（4-10）計(jì)算出，再根據(jù)下式計(jì)算u（n）： （4-11） 為了編制程序方便，可以將式（4-10）改寫(xiě)成下式： （4-12）其中： 由上式可知，增量式算法只需要保持現(xiàn)時(shí)以前3個(gè)時(shí)刻的偏差值即可。 增量式pid算法與位置式相比有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）位置式算法每次輸出與整個(gè)過(guò)去狀態(tài)的關(guān)，計(jì)算式中要用到過(guò)去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差；而增量式只需計(jì)算增量，當(dāng)存在計(jì)算誤差或精度不足時(shí)，對(duì)控制量計(jì)算的影響較小。（2）控制從手動(dòng)切換到自動(dòng)時(shí)，必須首先將計(jì)算機(jī)的輸出值設(shè)置為原始電

49、壓值u0，才能保證無(wú)沖擊切換。如果采用增量算法，則由于式中不出現(xiàn)u0項(xiàng)，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。此外，在計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于執(zhí)行裝置本身有寄存作用，故可仍然保持在原位。因此，在實(shí)際控制中，增量式算法應(yīng)用更為廣泛。4.3數(shù)字濾波方法當(dāng)微機(jī)控制系統(tǒng)面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)比較惡劣時(shí)，因此，所采集信號(hào)中總會(huì)混雜有各類(lèi)干擾。除了用硬件進(jìn)行濾波外，對(duì)輸入計(jì)算機(jī)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波也是十分必要的。所謂數(shù)字濾波，就是通過(guò)一定的計(jì)算程序，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提高有用信號(hào)在采集值中的比例，減少各種干擾和噪聲。4.3.1算術(shù)平均值濾波設(shè)測(cè)量值為c(n),則每采集了n個(gè)數(shù)據(jù)后，進(jìn)行一次算術(shù)平均，其計(jì)算方法如下： （4-

50、13）根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的理論，上式的算術(shù)平均值實(shí)際上是這樣一個(gè)值，它與各采樣值間的誤差的平方和最小。得到后即可計(jì)算出偏差值： （4-14）從上面可以看出，每計(jì)算一次控制器輸出值，就必須采樣n次，因此n的取值不能太大。算術(shù)平均值法主要對(duì)壓力，流量等含有周期性脈動(dòng)的信號(hào)有效，而對(duì)突發(fā)的脈沖干擾效果則不太理想。4.3.2程序判斷濾波如果事先知道采樣的信號(hào)，其在兩個(gè)采樣點(diǎn)之間不可能有太大的變化，則可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)，確定一個(gè)最大偏差值。則每次采樣后都與其前一個(gè)采樣值進(jìn)行比較，一但兩個(gè)差值超過(guò)了，則表面采集的信號(hào)中有校大的干擾。應(yīng)該去掉；如果未超出，可將該數(shù)據(jù)作為本次采樣值。這種方法對(duì)突發(fā)性干擾，如大功率用

51、電設(shè)備的啟?；蚱渌麤_擊性負(fù)載帶來(lái)的電流尖峰干擾比較有效。4.3.3中值濾波連續(xù)采樣n次（n為奇數(shù)），然后將n次的采樣值從小到大排列，再取中間的值作為采樣值。這樣可以去掉由于偶然因數(shù)引起的干擾，同時(shí)對(duì)于脈動(dòng)干擾也比較有效。但是這種計(jì)算方法計(jì)算量比較大，對(duì)于一些需要快速采集的參數(shù)就不十分合適。第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和抗干擾措施5.1avr單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)介作為一種當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的單片機(jī)，有多種集成開(kāi)發(fā)環(huán)境支持對(duì)avr單片機(jī)的程序開(kāi)發(fā)。由于c語(yǔ)言在單片機(jī)設(shè)計(jì)中具有直觀、可讀性強(qiáng)、程序移植容易等優(yōu)點(diǎn)，avr單片機(jī)一般都是應(yīng)用基于c語(yǔ)言的編譯器和集成環(huán)境。用c語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開(kāi)發(fā)周期

52、，且明顯地增加了其可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。而且c語(yǔ)言還可以嵌入?yún)R編來(lái)解決高時(shí)效性的代碼編寫(xiě)問(wèn)題。atmanavr c 是為atmel公司的avr系列單片機(jī)應(yīng)用avr gcc編譯器而開(kāi)發(fā)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 ide 。包括向?qū)А⑽谋揪庉嬈骱驼{(diào)試器等；工程項(xiàng)目采用模塊化管理，可視化編程；提供多種向?qū)еС謩?dòng)態(tài)添加/刪減各種模塊和中斷函數(shù)，自動(dòng)生成代碼；文本編輯器支持自動(dòng)提示函數(shù)參數(shù)信息，函數(shù)檢索和插入等功能。運(yùn)行界面如5-1圖。圖5-1 atmanavr c的ide開(kāi)發(fā)環(huán)境5.2單片機(jī)程序下載軟件avr單片機(jī)支持普通串口方式、stk500方式、并口（spi）方式及us

53、b方式等多種下載方式。普通串口方式的速度快，但支持的軟件不多。連atmel公司的avrstudio內(nèi)的avrpro也停止了更新。因此，普通串口方式不支持最新的芯片。stk500下載為atmel公司官方推薦的下載方式。與并口下載方式和usb下載方式相對(duì)比，stk500具有速度快，avr studio直接支持該下載方式等優(yōu)點(diǎn)。并且，只要avrstudio發(fā)布新版本，該下載方式支持的器件就同步更新，不會(huì)發(fā)生不支持新器件的情況。stk500方式也有其缺點(diǎn)：價(jià)格較高。目前仿造atmel公司的stk500下載線(xiàn)的售價(jià)也在百元以上。并口下載方式利用pc機(jī)的并口（俗稱(chēng)打印口）進(jìn)行程序下載。其下載速度要明顯慢于

54、stk500方式。較之串口下載方式和stk500下載方式，并口下載線(xiàn)成本低，有較多軟件支持，適合大范圍推廣。并口下載線(xiàn)的制作方法有很多，這里，推薦一種簡(jiǎn)單實(shí)用的接線(xiàn)方式，其原理圖如圖5-2所示：圖5-2 并口下載線(xiàn)原理圖程序下載是指將編譯好的目標(biāo)文件燒入到單片機(jī)里面，使單片機(jī)可以運(yùn)行程序。包括兩個(gè)部分，編程器（硬件）和上位機(jī)編程軟件。比較好的上位機(jī)的軟件是廣州市天河雙龍電子有限公司提供的“sl-isp 下載軟件”， 可以到雙龍公司的主頁(yè)：進(jìn)行免費(fèi)下載。運(yùn)行界面如圖5-3：圖5-3 sl-isp1.518的主界面除此之外avr單片機(jī)提供程序在線(xiàn)下載接口isp(in system program)，即：