基于AT89C52的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)一個(gè)十分重要的組成部分[2]，其主要任務(wù)是向同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組提供一個(gè)可調(diào)的直流電流或電壓，從而控制機(jī)端電壓的恒定，以滿足發(fā)電機(jī)正常發(fā)電的需要。近年來(lái)，微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器[1]以其硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰、設(shè)備通用性好、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、軟件靈活、能夠方便實(shí)現(xiàn)多種功能和滿足各種控制規(guī)律的要求等優(yōu)點(diǎn)，在許多電力工業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，單微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)各環(huán)節(jié)可靠性再高，發(fā)生故障的可能仍然存在，為確保勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)提供網(wǎng)絡(luò)化的可靠的通信接口，使遠(yuǎn)方的調(diào)度員或廠級(jí)工作人員能方便自如的開(kāi)停機(jī)、升速升壓、并網(wǎng)、調(diào)整功率（包括有功和無(wú)功）等操作。為此，本文采用一臺(tái)工控機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)多個(gè)RS-485工業(yè)控制總線實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)勵(lì)磁電源的電流預(yù)置及數(shù)據(jù)采集。使用微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本地電流控制、勵(lì)磁電源狀態(tài)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)RS-485通訊口進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，從而構(gòu)成了一個(gè)完整的勵(lì)磁電源控制系統(tǒng)。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)實(shí)際需要，勵(lì)磁電源控制系統(tǒng)的上位機(jī)采用工控機(jī)，使用了RS-485工業(yè)插卡，共有6個(gè)通訊口，而后面的多臺(tái)勵(lì)磁電源分配在這6個(gè)通訊口中，由工控機(jī)集中控制。下位機(jī)由單片機(jī)及其它數(shù)字電路系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)主回路

微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器隨勵(lì)磁電源運(yùn)行工況的變化改變可控硅的導(dǎo)能控制角，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的目的，保證勵(lì)磁電源能輸出穩(wěn)定的負(fù)載電壓。

圖2 勵(lì)磁系統(tǒng)接線圖

勵(lì)磁系統(tǒng)主回路接線方式如圖2所示[1][3]，勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)出口母線，經(jīng)勵(lì)磁變壓器LB將發(fā)電機(jī)電壓變至合適的值供整流裝置整流后供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組。整流電路采用三相橋式全控整流電路[1]，該電路的工作特點(diǎn)是，既可工作于整流狀態(tài)，將交流變成直流作為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電源，也可工作于逆變狀態(tài)，將直流變成交流，實(shí)現(xiàn)逆變滅磁，釋放勵(lì)磁繞組的能量，從而達(dá)到保護(hù)發(fā)電機(jī)的目的。發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、定子電流分別經(jīng)變壓器YH、電流互感器變換LH變換為二次值再經(jīng)A/D送至單片機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算后輸出控制量來(lái)控制晶閘管的導(dǎo)通角，使電壓穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。

自并勵(lì)勵(lì)磁方式發(fā)電機(jī)端電壓Ud0與勵(lì)磁電壓Ud之間的關(guān)系為[2]：

其中：Xk－交流回路電抗；

ΔU—橋臂元件導(dǎo)通時(shí)的正向壓降；

r—回路電阻。

ΔU如果忽略換相電抗和整流元件壓降的影響，則機(jī)端電壓與勵(lì)磁電壓的關(guān)系為：

。由此式可知，勵(lì)磁電壓Ud與機(jī)端電壓Ud0成正比。

3微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成

　　　　　　　　　　　　圖3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器原理圖

微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由單片機(jī)和供電電源監(jiān)控、D/A控制、A/D采集等組成，其硬件框圖如圖3所示。

AT89C52的I/O端口經(jīng)過(guò)隔離后對(duì)勵(lì)磁電源工作電源進(jìn)行監(jiān)控，以及對(duì)調(diào)壓模塊的工作電壓進(jìn)行控制。

系統(tǒng)中的D/A控制系統(tǒng)是勵(lì)磁電源工作時(shí)調(diào)整電流的基礎(chǔ)通道，選用了MAXIM公司的MAX536芯片。D/A控制系統(tǒng)需要二個(gè)通道，分別控制勵(lì)磁電源電壓基準(zhǔn)和調(diào)相電壓基準(zhǔn)。

勵(lì)磁電源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控需要兩路A/D。其中一路A/D通過(guò)采集勵(lì)磁電源主系統(tǒng)中的取樣電阻上的工作電壓，而使主控室的控制人員能夠知道每一臺(tái)勵(lì)磁電源的工作狀態(tài)是否正常。另外一路A/D對(duì)調(diào)整管電壓進(jìn)行監(jiān)控。A/D芯片采用MAXIM公司的MAX197多量程、12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。A/D系統(tǒng)與D/A系統(tǒng)一起構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角的目的。

4微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件設(shè)計(jì)

微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各種功能都由相應(yīng)的子程序來(lái)完成，

　　　　　　　　　　　　圖4勵(lì)磁電源加載過(guò)程程序框圖

軟件系統(tǒng)是通過(guò)上下位機(jī)分工配合實(shí)現(xiàn)的。下位機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的工作狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和初步處理。上位機(jī)采用工業(yè)PLC作遠(yuǎn)程監(jiān)控。單片機(jī)在勵(lì)磁電源中擔(dān)負(fù)著提供基準(zhǔn)電壓、控制調(diào)整管電壓、工作數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視勵(lì)磁電源工作狀態(tài)以及與上位工控機(jī)進(jìn)行通信、回送勵(lì)磁電源工作狀態(tài)及工作數(shù)據(jù)等功能。

為實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓和控制同步發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器必須連續(xù)比較機(jī)端電壓實(shí)際值與給定值，并實(shí)時(shí)改變可控硅的控制角，保證勵(lì)磁電壓對(duì)工況的變化做出快速反應(yīng)。其流程如圖4所示。

調(diào)節(jié)器上電后執(zhí)行初始化和自檢，初始化結(jié)束后，表明勵(lì)磁調(diào)節(jié)器已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，接著程序進(jìn)入起勵(lì)的設(shè)置和起勵(lì)條件的判別，然后進(jìn)入主程序。首先是數(shù)據(jù)采集和處理部分；主要由電機(jī)出口交流電壓采樣子模塊、電機(jī)出口交流電流采樣處理子模塊和勵(lì)磁電壓采樣處理子模塊三部分組成。然后進(jìn)入功率因數(shù)測(cè)算模塊和PID調(diào)節(jié)模塊；其中，采用數(shù)字濾波的方式求得功率因數(shù)cosφ，再通過(guò)PID調(diào)節(jié)計(jì)算出可控硅的導(dǎo)通角。

由于勵(lì)磁控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要測(cè)量的量比較多，因此該系統(tǒng)電壓及電流的采集，使用直流采樣法和數(shù)字PID控制調(diào)節(jié)法。PID調(diào)節(jié)計(jì)算根據(jù)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果與額定值進(jìn)行比較，從而進(jìn)行PID調(diào)節(jié)計(jì)算出可控硅的觸發(fā)角α；PID算法采用了一種智能受模態(tài)控制規(guī)律，根據(jù)系統(tǒng)偏差信號(hào)的大小、方向及變化趨勢(shì)做出相應(yīng)的決策，以選擇適當(dāng)?shù)目刂颇Ｊ竭M(jìn)行控制，具有良好的適應(yīng)能力和極強(qiáng)的魯棒性。頻率的測(cè)量是把輸入的波形通過(guò)運(yùn)放變成一個(gè)方波，該方波通過(guò)二極管削去負(fù)半部分，最后進(jìn)入單片機(jī)的高速輸入口。

在工作數(shù)據(jù)采集中，為了消除一次采集過(guò)程中可能受到的隨機(jī)干擾的影響，采用了取平均值的方法。這樣經(jīng)過(guò)6秒的采集過(guò)程以后，在單片機(jī)的數(shù)據(jù)緩沖器中便存放了該電源此次工作時(shí)的最大和最小有效值，使工控機(jī)以后可以查尋。工作時(shí)的數(shù)據(jù)采集流程如圖5所示。

5抗干擾設(shè)計(jì)

圖5勵(lì)磁電源數(shù)據(jù)采集過(guò)程程序框圖

由于系統(tǒng)的單片機(jī)及其它數(shù)字電路系統(tǒng)與其他的模擬高電壓、大電流的器件共同放在一個(gè)機(jī)箱中，系統(tǒng)的工作環(huán)境是比較惡劣和復(fù)雜的，其應(yīng)用的可靠性、安全性就成為一個(gè)非常突出的問(wèn)題。為保證測(cè)控系統(tǒng)長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，現(xiàn)就影響測(cè)控系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的主要因素和解決方法說(shuō)明如下。

5.1數(shù)據(jù)采集誤差加大

干擾侵入測(cè)量單元模擬信號(hào)的輸入通道疊加在有用信號(hào)之上，會(huì)使數(shù)據(jù)采集誤差加大，由于系統(tǒng)的測(cè)量精度較高，干擾顯得更加嚴(yán)重。

針對(duì)此問(wèn)題，從硬件和軟件兩方面進(jìn)行考慮和解決。①硬件方面：在集成電路及采集通道上使用電容，以減少電源的干擾；其次，信號(hào)的采集連接線使用屏蔽線，使采集信號(hào)在傳送過(guò)程中不會(huì)受到外界的干擾。②軟件方面：采用數(shù)字濾波法，由于系統(tǒng)的干擾是隨機(jī)干擾，且被測(cè)參數(shù)變化較慢，可以用數(shù)字濾波（就是通過(guò)一定的軟件程序降低干擾信號(hào)）的方法加以抑制或?yàn)V除。

5.2控制狀態(tài)失靈與程序運(yùn)行失常處理

控制狀態(tài)失靈與程序運(yùn)行失常主要采用了以下方法：①系統(tǒng)采用浮地設(shè)計(jì)；②使用軟件攔截技術(shù)（指令冗余，軟件陷阱）；③單片機(jī)采用電源監(jiān)視及“看門(mén)狗”電路；④對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行屏蔽；⑤負(fù)載輸出隔離。

5.3控制電路（MCU部分）與主電路的隔離

在整個(gè)系統(tǒng)中，單片機(jī)與外界功率開(kāi)關(guān)器件采用隔離驅(qū)動(dòng)方式，隔離電路模塊將控制電路模塊、主勵(lì)磁電路模塊互相隔離。這樣進(jìn)行設(shè)計(jì)主要是避免引起災(zāi)難性的后果。雖然隔離驅(qū)動(dòng)可分為電磁隔離和光電隔離兩種方式，由于本文所需產(chǎn)生的勵(lì)磁頻率低頻在4Hz，高頻在100Hz左右，對(duì)于光電隔離共模抑制能力差，傳輸速度慢的缺點(diǎn)不重要；同時(shí)由于光電隔離具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且可以減少干擾，所以本系統(tǒng)采用光電隔離方式。隔離元件采用TLP521光電耦，與光電耦相連的單片機(jī)的兩個(gè)引腳的PWM波形通過(guò)兩個(gè)470Ω的電阻分別與兩個(gè)光電耦相連，同時(shí)控制單片機(jī)的兩個(gè)引腳交互輸出高低電平，從而使得在勵(lì)磁線圈上得到正反雙向電壓。周而復(fù)始，在勵(lì)磁線圈上產(chǎn)生與單片機(jī)相應(yīng)引腳上相同頻率的波形，只是幅度不一樣而已。同時(shí)在下位機(jī)中專設(shè)了延時(shí)0.01ms的程序進(jìn)行軟件延時(shí)，目的是為了更進(jìn)一步保證功率管在工作時(shí)不會(huì)發(fā)生重疊導(dǎo)通以造成損壞，增加可靠性。

6結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了基于工控機(jī)和單片機(jī)的具有網(wǎng)絡(luò)化控制功能的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度員或廠級(jí)工作人員能夠遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的開(kāi)停機(jī)、升速升壓、并網(wǎng)、調(diào)整功率（包括有功和無(wú)功）等操作。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是：討論了基于上位機(jī)（PLC）和下位機(jī)（AT89C52單片機(jī)）串行通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的工作原理和方法，并給出了上位機(jī)和下位機(jī)的程序結(jié)構(gòu)。經(jīng)實(shí)踐證明，在勵(lì)磁電源的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試及使用中達(dá)到了預(yù)期的效果，該系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

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