基于单片机的同步发电机励磁控制系统的设计

I 基于单片机的同步发电机励磁控制系统的设计 摘要 通常，发电机工作时负载时刻在改变，机端电流也跟着不断变化，通入定子绕组后就会得到不同的励磁磁场，同步发电机的内部阻抗的压降值也会不同，为维持恒定的机端电压，就需要改变同步发电机的励磁电流，因此，本文主要研究需根据负载的大小及性质调节同步发电机的励磁控制。 本系统的控制核心是 片机 ,主要的控制方法是 制 ,以这样的数字式励磁调节系统实现以前靠模拟电路实现的各种功能。 本文先介绍了励磁控制系统的原理，然后给出了本文整个设计的总的结构原理 图，接下来分模块介绍了各个模块的硬件原理及软件设计原理，最后通过周边电路的设计实现模拟量采样、交、直流信号调理、模数转换、频率测量、移相触发等功能。 关键词 励磁控制器； 节 of in in to a of to be to of of of on ID in a by of a of of of is of of in a of of ac I 目 录 摘要 . I 1 绪论 . 1 题背景及意义 . 1 计内容 . 1 2 励磁控制系统 . 2 磁控制系统原理 . 2 并励励磁控制系统 . 3 章小结 . 3 3 系统的硬件设计 . 4 统整体结构及工作原理 . 4 制单元设计 . 4 脚说明 . 5 钟电路设计 . 7 位电路设计 . 7 拟量 采集电路 . 7 直流采样法 . 7 号调理电路 . 8 据采集处理电路 . 9 步和脉冲放大单元 . 10 步测频电路 . 10 步电路 . 11 冲功率放大单元 . 11 相全控整流电路 . 12 围电路 . 13 关量输入输出模块 . 13 示模块 . 13 章小结 . 14 4 同步发电机端电压 节 . 15 制器 . 15 制器参数 . 15 同步发电机励磁调节系统的仿真研究 . 16 5 系统的软件部分 . 18 程序流程图 . 18 据采集处理模块 . 19 数据采集子程序 . 19 频率子程序 . 19 换数据子程序 . 20 制调 节模块 . 21 制算法子程序 . 21 制 出子程序 . 21 示子程序 . 22 件电路仿真 . 22 章小结 . 23 结论 . 24 参考文献 . 26 附录 . 27 附录 1 . 27 附录 2 . 33 1 1 绪论 题背景及意义 随着电力系统的快速发展 ,良好的励磁控制系统对大容量的发电机组的保护越来越重要。电压是否稳定是评价电网的电能质量的重要指标。发电机组的励磁控制系统能够有效地调节同步发电机组的电压水平。 目前，很多中小型企业都有自备小型发电机组，但他们中有很多已经过时，在调压性能方面也不能满足现代电网的要求，不能很好的实现励磁系统的控制，所以必须提高小型水电站的自动化水平。 计内容 本文对励磁控制系统的总体结构、各分模块的作用及原理图和软硬件的调试做了详细阐述，以 片机为核心，完成励磁电压和励磁电流的监测，通过改变整流电路的触发角以达到调节励磁电压的目的。本文主要包含四个方面的内容。 （ 1）励磁控制系统硬件电路的设计，交直流模拟信号采集调理电路的设计，模数转换电路，频率测量电路，晶闸管整流桥、移相触发电路和显示电路等硬件设计。 （ 2）利用 制方法来提高同步发电机励磁系统的动态性能。根据发电机的偏差值 E 和偏差的变化率 线修改 三个参数，并通过 真结果直观的比较出两种控制的控制结果的优劣。 （ 3）系统的软件设计采用可读性好，移植较为容易， 周期短且便于改进与扩充的 要有主程序，数据采集子程序， 制算法子程序以及显示子程序等。 （ 4）仿真所设计的微机励磁控制系统。 2 2 励磁控制系统 磁控制系统原理 发电机定子通励磁电流，在定子里建立磁场，绕组切割磁力线而在端口产生电压，获得励磁电流的方法称为励磁方式；产生励磁电流的装置则称为 励磁系统。 同步发电机励磁系统的励磁功率的输出部分是向发电机的 定子绕组提供电流，建立直流磁场。另一部分叫励磁控制单元，是用来调节励磁电流的。图 2个励磁控制系统的示意图。 图 2磁控制 部分 图 2a） 是同步发电机运行原理图，变而变化。其中流经励磁绕组 G 的励磁电流，图 2b）的 等值电路形象表明数学表达式为： （式 式中 , 发电机直轴电抗。 机端电流 励磁绕组电压 空载感应电动势 U E I dE （ a） （ b） 图 2步发电机感应电动势与励磁电流关系 由（ 可以看出， 功负荷增大（减少）时，则负荷电流增大（减小），发电机机端电压降低（升高）。为了保持负荷的电压必须随发电机机端电流升高（或降低）而升高（或降低）发电机的励磁电动势 正比函数。所以可以改变励磁电流可以有效的应对机端电压发生的各种情况。 3 并励励磁控制系统 本文所研究的是可控硅整流的自并励励磁控制系统，系统利用晶闸管整流装置将交流电压和交流电流转换成直流电压和直流电流后供给功率单元。 图 2一套自并励系统结构框图。 励 磁 调节 装 置 单 元发 电 机图 2并励系统结构图 自并励励磁系统的励磁电流取自发电机机端，经过励磁变压器降 压、全控整流桥整流得到直流励磁电压，此励磁电压的大小由此晶闸管触发脉冲的相位进行控制。 可控硅的触发脉冲与可控硅阳极电压要求必须同步，即两者的频率相同。这样整流电路才能正常。 章小结 本章简单介绍了励磁控制系统的原理，自并励励磁系统，设计系统整体结构图，并介绍系统主要部分工作原理。 4 3 系统的硬件设计 统整体结构及工作原理 本系统采用 片机，辅助按键模块，显示模块完成总体控制。主要流程是：发电机的机端电压和机端电流流经 及一系列电阻电容转换为相对稳定的电压信号， 经过互感器转换出来的电信号需要经过采样保持电路短暂存储，然后将该模拟量送入后端 A/D 转换芯片，经过内部比较器等一些列器件转变为单片机可以处理的数字量，然后存储在 。通过单片机存储的 法，按 控制方法计算出控制量，把控制量转换为控制角，由单片机的端口送出代表控制角 的定量触发脉冲，这样产生的触发脉冲不足以驱动功率较大的晶闸管，所以脉冲信号需要经过功率放大单元后触发，从而实现控制发电机的励磁电流的目的，这样整个系统就形成了闭环的系统。 整体结构功能图如下图 3示。 发电机电压互感器电流互感器同 步 电 路频 率 测 试信号调理电路采样保持器A 传 感 器光 耦 隔 离显 示励 磁 绕 组晶 闸 管功 率 放 大图 3统整体原理图 显示模块用来对发电机的端电压、励磁电流实行实时监控，以了解系统的运行情况。系统完成 换，数据采集，处理和计算。 制单元设计 单片机，全称： 单片微型计算机。它是 现代电子制造行业不可缺少的控制单元，作为 典型的嵌入式微控制器， 因其体积小，功耗低，编程控制方便而被广泛运用在现代电子制造行业与各行业的控制系统中。 在此设计方案中我选择爱特梅尔 (司的片机。 行速度快，使用 C 语言编程，具有好的兼容性移植性，在控制的时候，可控硅导通角要转换成时间单位来实现控制，这就需要用到定时器计数器，在 5 可控硅每相领脉冲之间的时间延迟上也需要用到。 含有多个定时器，可实现控制。 单片机的 外接上拉电阻后接显示模块， 接 数据输出口， D 的输入控制端， 液晶显示的控制端， 别接 块的三个控制端口： 剩余引脚接按键控制模块。 脚图如 下 3示。 图 3片 性价比的 位单片机。由美国爱特梅尔 (司研发制作。其片内包含 8 件采用爱特梅尔 (司具有创新性的存储技术生产，许多高性价比的应用场合都可以由功能强大的 片机提供。它主要由以下功能部件组成： (1) 微处理器 ( (2) 数据存储器 ( (3) 程序存储器 ( (4) 4 个 8 位并行 I/O 口（ 、 、 、 ）； (5) 1 个串行口； (6) 2 个 16 位定时器 /计数器； (7) 中断系统； (8) 特殊功能寄存器。 脚说明 (1) 电源引脚 源电压； 6 源 地； (2) 时钟引脚 两个时钟引脚 19 引脚）、 18 引脚），时钟引脚有两种不同的接法。当内部时钟接入系统时，它们外接晶振并与瓷片小电容并联接地，连同片内的反相放大器共同组成了一个振荡源，它为单片机提供了时钟信号；当使用外部时钟时，用 于接外部时钟脉冲信号，从而为单片机提供时钟控制信号。 (3) I/O 口引脚 ： 是一组 8 位开漏输出型的双向 I/O 口。由于 内部没有接上拉电阻，因此不能输出高电平，如需要高电平输出，可以外部上拉排阻进行电压钳位。另外， 还可以作为地址 /数据总线接口使用。 ： 功能有很多相似之处，它们与 有些不同，首先， 以与场效应管共同组成驱动电路，输出高电平与低电平、另外它不再需要多路转换电路，可以驱动 4 个 辑门电路。 ： 是一组多用 途的端口，也是一个准双向口。作为第一功能使用时（通用I/O 端口），其功能与 相同。当作为第二功能使用时，每一位的功能定义如下表所示。 表 33 口第二功能功能表 片机复位引脚。在单片机运行时，在该管脚提供持续两个机器周期以上的高电平即可实现系统可靠复位，其中包括使程序计数器 000H，表明程序经转移指令从0000H 地址单元开始执行。 ：当外部程序存储器被访问时， 信号输出用于锁存低字节地址。 外部程序存储器选通信号，当输入是低电平的时候才有效。 ： 引脚置低。那么单片机将访问外部程序存储器（地址 0000需注意的是：如果 置成高电平，那么单片机读取程序的顺序就变成从程序内部存储 7 器到外部程序内部存储器。 于连接外接晶体。在单片机内部，它作为内部震荡器反相输入端。当采用外部振荡时，该引脚接收振荡器的信号，就是把信号直接送到内部时钟输入端。 样用于连接外部晶体。但是在单片机内部，它作为构成片内振荡器反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，此引脚应该悬空。 钟电路设计 本设计采用片内的振荡电路，要在单片机 脚和 脚之间连接 一个陶瓷谐振器，并且与两个 30陶瓷电容并联后接地。系统运行的速度与晶振值大小成正比，为了实现设计要求并实现系统的可靠工作，此处我选用 12振。时钟电路如图3示。 图 3钟电路 位电路设计 复位是把将系统恢复为初始状态，复位后程序计数器 000H，表明程序经转移指令从 0000H 地址单元开始执行。系统刚接通电源或者重新启动时均进入复位状态。单片机为什么需要复位？单片机复位主要考虑到单片机程序在跑乱的时候可以使程序重新开始执行。复位方式有两种，一是硬件复位，二是软件 复位。硬件复位又可以分为上电复位和手动复位。这两种复位方式并没有本质上的区别，它们都是将 脚拉高并且保持一段时间，通常是在至少两个机器周期以上。至于软件复位方式，是利用单片机内部的看门狗定时器，周期性地向 存器写入 01 0当 14 位计数器 满时，自动溢出使器件复位。 本系统采用常用的硬件复位的方式，具体电路如图 3示。 图 3位电路 拟量采集电路 直流采样法 8 直流采样是通过整流把交流变为直流来采集，交流采样则是直接将交流参量 采集，两种采样方法各有利弊，也根据不同的场合来选择合适的采样方法。直流采样适用于要求比较低的场合，交流采样可以较为及时的反映出一些量的变化，有利于实行及时措施。 号调理电路 （ 1）交流调理电路 测量发电机的机端电压时，不能直接测量，因为直接测得的是变压互感器端的电压，能承受如此大的电压，所以需要调理电路来把电压调理到 入范围之内。 图 3压信号调理电路 如图 3示，经过互感器后，过来的仍然是交流正弦波，所以要整流，整成直流电压，然后再通过电阻电容网络滤除各种脉动电压来实现 输出端的电压稳定在 5V 以内，进入 一定是小于 5V 的电压值。当机端电压变化时，本电路的输出电压随之变化，借此便可决定延迟还是提前触发脉冲，电流信号的调理电路同理，只是加了一个精密电阻，把电流信号变为电压信号，如图 3示。 图 3流信号调理电路 （ 2） 直流信号调理电路 对励磁电流、励磁电压的变化迅速的掌控并立刻做出相应的调整能避免出现过励和欠励，连线图如图 3 9 图 3磁电流调理电路 本系统是自并励励磁系统，励磁绕组的直流电压电流是由机端交流电压电流整流而来，所以也存在脉动电压， 需要消除脉冲滤除杂波，如上图所示，电容电阻网络可以有效地滤除少量的交流成分。 励磁电流不能直接测量，所以我们选用了精密电阻，让生电压来测量。具体原理同上，励磁电压由图 3理。 图 3磁电压调理电路 据采集处理电路 （ 1） 样保持器 本系统采用 样保持器进行数据的采样和保持，把连续变化的量转变为离散量进行短时存储。 （ 2） A/D 转换器 A/D 转换器采用 8 位 换器，芯 片输入参考电压端采用+5V 输入，数字量每变化 1 对应模拟量变化约为 以根据输入通道选择控制管脚，只选通其中之一进行 A/D 转换。 10 图 3脚接线图 4 路输入分别用来测量机端电压，机端电流，励磁电压和励磁电流，如图 3示，而这 4 路哪一路选通需要通过 三个引脚决定，本文中只需 4 路，故 零， 时钟信号， 片启动信号控制输入端，输入一个正脉冲使其启动，脉冲上升沿使 0809 复位，下降沿启动 A/D 转 换。 D 转换结束信号，结束时，此端口输出一个高电平； 数据输出允许信号， 换结束后，此端口输入一个高电平，才能输出数字量。 址锁存允许信号，高电平有效。 输出端。 步和脉冲放大单元 步测频电路 在系统中，频率的测量也是很重要的，频率不仅和机端电压有关系，而且还反应转子的转速，当频率变减小时，转子的转速相应变慢，变慢以后，输出的机端电压就会减小，这时，励磁调节器便会增大励磁电流来填补频率减小的缺失，但励磁电流不断地增大当达到危险值时，系统就会处于 不安全的状态，所以实时的检测频率时非常重要的。 图 3率测量电路 11 同步测频电路如图 3示，电网电压经过低通滤波电路滤除同步信号中的杂波，然后输入到 ，形成同步方波信号，进行过零点检测。最后经过光电隔离将该信号接入到单片机的输入端，经过计数器记录与控制脚对应的脉冲个数，由此测得频率值。 步电路 触发角究竟在什么时候触发，要看同步信号，本文选择三相桥式整流电路，晶闸管的阳极电压和触发脉冲必须同步即周期相同，晶闸管才能可靠导通。 取样时，只需采集一相的交流信号，其他可由相 位关系推出，同步信号采的是晶闸管的电压，采样后进入电压比较器 成方波，利用此方波就能够测量交流信号的过零点，借此也可以测出电网的周期，输出的方波信号就是同步相位脉冲。 图 3步电路 相触发单元 励磁控制系统性能如何很大程度上取决于触发脉冲，触发脉冲的移相范围必须够大，这样能适应机端电压的大范围变动，电网频率不稳定时，触发脉冲的频率也能跟随变化，脉冲触发必须经过功率放大来达到触发的目的。 频率需要实时更新，每一个周波可参考上一个周波的频率，脉冲移相触发控制利用计数器延时，用软 件中断分相。 根据电网频率，将触发角进行量化，用计数器的计数脉冲个数来表示触发角的大小，当单片机的端口接收到电压信号的上升沿时，启动计数器开始计数，当达到预设的计数个数时，发出触发脉冲。 冲功率放大单元 触发脉冲的电平一般不足以驱动晶闸管，故脉冲信号需要放大，放大原理图如图 3冲功率放大电路需要六路。 12 图 3冲功率放大电路 相全控整流电路 本文的系统是用双窄脉冲触发的，所以每个工频周期需要六对脉冲，三相全控整流电路如图 31,3,5 是一组，采用共阴极 连接，阳极分别接于 u， v， w， 2,4,6 是一组，采用共阳极连接，阴极分别接于 w， u， v，一个周期内，两组晶闸管要出现六次不同的导通组合方式才能达到每个工频周期六对脉冲的要求。 图 3相全控桥整流电路 同步信号过来时触发外部中断 1，从而响应 中断子程序，把量化的控制角作为预设值 13 放在 ，这样当 时满时让单片机输出 1 个下降沿脉冲到 外部中断 0，应外部中断，发出第一组触发脉冲控制字来触发相应的可控硅，然后把 60 量化的时间置入 计数器 动 满时发出第二组触发脉冲控制字，依次类推。 围电路 关量输入输出模块 本文的控制电路使用 5 个按键对应 5 条输入位线来控制程序的流程，使用 3 端口的 5 个 I/O 口做按键的检测端口，如图 3示。 图 3盘电路 检查哪一个按键按下的方法是，检测一端口的电平是否为低，若为低电平则延时 10检测该端口，若仍为低电平，说明按键按下，执行相应程序，在面板上的键的功能如下： 程序正常时，显示模块显示机端电压和机端电流。当按下 ，表示要进行 数的修正，这时按下 ，显示模块显示时对其可进行修正，即按下 ，对其按照步长进行加，按下 ，对其按步长进行减，最小步长为 当按下 时，显示模块显示下 步长加，按下 时，步长减。 当按下 时，显示模块显示下 步长加，按下 时，步长减。 pK，iK，用 真的曲线来调节 数值。具体实现方法如下：首先调节比例参数，观察系统响应曲线是否有准确到达电压预设值，若达到，看超调量是否在系统的容错范围内，根据此范围的大小调节积分参数，最后通过观察曲线变化是否需要微分制动调节。试凑完成后，按下 ，重新显示正常时的电压。 示模块 晶显示器 作为常用的显示器件以其体积适中、显示性能优越、操作使用方便、价格合理而被广大电子爱 好者青睐。 本 套装置， 我们 将 采用 显示。 使用 体来说有以下几个优点： （ 1） 显示质量高 ； 14 （ 2）数字式接口 ； （ 3） 体积小、重量轻 ； （ 4） 功耗低。 图 3示电路 晶模块 的接线图 如图 3中， 作为液晶供电端， 第 1、 2 引 脚 分别连接电源 3 引脚通过电位器连通 而对液晶的显示亮度进行控制。 控制线 5， 6 引脚作为读写与使能控制端， 分别 与 单片机的 位数据口接单片机的 进行 数据传输。 15 引脚 A 通过连接三极管达到对背光显示操作的编程控制， 16 引脚 K 直接接 三个控制端，用来控制数据读写及指令的写入， ， ， 时，是读状态； ， ， 7=指令码， E=高脉冲时，是写指令； ， ， E=读数据； ， ， 7=数据， E=高脉冲是写数据。 章小结 本章主要讲述了整个系统的硬件电路设计及各个模块设计的原理及作用。 15 4 同步发电机端电压 节 制器 控制原理应用特别广泛，也比较简单，由控制器和被控对象组成，原理图如下图。 比 例积 分微 分被 控 对 象C ( t )e ( t )r ( t )图 4制系统原理框图 先求偏差： )()()( (4再通过 P、 I、 D 值的线性组合： )()(1)()( 0 t (4或写成传递函数形式如式 (4 )11()( )()( (4式中，比例系数 积分时间常数 微分时间常数 位置式 制算法表达式如式 (4 kj )1()()()()( (4增量式 制算法表达式如式 (4 )2()1(2)()()1()()( 这里， T 是采样周期，pK、分别为比例系数，积分时间常数、微分时间常数有关的系数。 制器参数 16 三个参数对系统的静态动态性能的影响也各不相同，各有其性能。 比例系数统的调节精度变高，但如产生超调和振荡。 积分系数统的稳态误差有关。分越大，系统静差消除越快，但统就会有比较大的超调 4。 微分系数加快系统响应，对偏差的变化提前制动，降低超调量，增强系统的稳定性。而拖 长调节时间，而且使系统的抗干扰能力下降 4。 微分系数大微分作用可以加快系统响应， 对偏差的变化提前制动，降低了超调量，增强了系统的稳定性。分作用越大，但过大的而拖长调节时间，而且使系统的抗干扰能力下降 4。 由于 节器的控制效果与pK、iK、对被控系统的特点，利用试凑法整定出一组较好的 制参数，通常把pK、iK、 同步发电机励磁调节系统的仿真研究 在 仿真曲线可以很好地反应有 制与没有 制的调节效果的好坏。我们用阶跃信号的 整案例来类似说明机端电压的偏差调整。各个仿真单元 的系数设置如下。 同步发电机： 0 ， 1 整流功率单元： ， 1 电压测量比较单元： ， 1。 无 励磁系统的仿真模型如图 4示。 图 4 制阶跃响应模型仿真图 有 励磁系统的仿真模型如图 4示。比例系数、积分系数 、微分系数分别选为 ：2 4.0 0 17 图 4 制阶跃响应模型仿真图 对 磁控制系统以及不加任何控制的励磁控制系统进行仿真，结果如图 4示。 图 4 磁控制阶跃响应曲线 经过 节后，仿真结果得到了明显的改善。信号的上升速度明显变快，超调也稳定在 5%以内。 章小结 同步发电机端电压 节及参数的调节原理与 真 。 18 5 系统的软件部分 程序流程图 系统的主程序流程图如图 5示，中断的初始化是开总中断并设置中断的优先级、在系统初始化完毕后，读取按键子程序，然后进入数据处理程序进行数据处理，设定一个变量作为显示电压还是频率值的判断标准，偶数显示电压，奇数显示频率。如果出现过电压或频率过低，就调用报警子程序并停止输出，如果没有报警，就进入 程序设置输出值。 开 始系 统 初 始 化开 c p u 、 串 口 和 定 时 器 中 断读 键 盘 子 程 序数 据 处 理 子 程 序 （ 求 电 压 、 电 流 有 效 值 和 频 率 值 ）d y f % 2 = 0显 示 电 压 显 示 频 率调 用 报 警 子 程 序是 否 有 报 警报 警 并 停 止