基于AT89C52的勵磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

引言

勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)一個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)的勵磁繞組提供一個可調(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，微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器[1]以其硬件結(jié)構(gòu)簡單、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，為確保勵磁系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，微機(jī)勵磁調(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)度員或廠級工作人員能方便自如的開停機(jī)、升速升壓、并網(wǎng)、調(diào)整功率（包括有功和無功）等操作。為此，本文采用一臺工控機(jī)作為上位機(jī)，通過多個RS-485工業(yè)控制總線實(shí)現(xiàn)對多臺勵磁電源的電流預(yù)置及數(shù)據(jù)采集。使用微機(jī)勵磁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本地電流控制、勵磁電源狀態(tài)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)的采集，通過RS-485通訊口進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，從而構(gòu)成了一個完整的勵磁電源控制系統(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個通訊口，而后面的多臺勵磁電源分配在這6個通訊口中，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)勵磁系統(tǒng)主回路

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

圖2 勵磁系統(tǒng)接線圖

勵磁系統(tǒng)主回路接線方式如圖2所示[1][3]，勵磁電源取自發(fā)電機(jī)出口母線，經(jīng)勵磁變壓器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)，通過計算機(jī)運(yùn)算后輸出控制量來控制晶閘管的導(dǎo)通角，使電壓穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。

自并勵勵磁方式發(fā)電機(jī)端電壓Ud0與勵磁電壓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)端電壓與勵磁電壓的關(guān)系為：

。由此式可知，勵磁電壓Ud與機(jī)端電壓Ud0成正比。

3微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成

　　　　　　　　　　　　圖3 勵磁調(diào)節(jié)器原理圖

微機(jī)勵磁調(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)過隔離后對勵磁電源工作電源進(jìn)行監(jiān)控，以及對調(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)是勵磁電源工作時調(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)需要二個通道，分別控制勵磁電源電壓基準(zhǔn)和調(diào)相電壓基準(zhǔn)。

勵磁電源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控需要兩路A/D。其中一路A/D通過采集勵磁電源主系統(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勵磁電源的工作狀態(tài)是否正常。另外一路A/D對調(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)勵磁調(diào)節(jié)器的軟件設(shè)計

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

　　　　　　　　　　　　圖4勵磁電源加載過程程序框圖

軟件系統(tǒng)是通過上下位機(jī)分工配合實(shí)現(xiàn)的。下位機(jī)監(jiān)測現(xiàn)場的工作狀態(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)的無功功率，勵磁調(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)時改變可控硅的控制角，保證勵磁電壓對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，表明勵磁調(diào)節(jié)器已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，接著程序進(jìn)入起勵的設(shè)置和起勵條件的判別，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PID調(diào)節(jié)計算出可控硅的導(dǎo)通角。

由于勵磁控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要測量的量比較多，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)偏差信號的大小、方向及變化趨勢做出相應(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。頻率的測量是把輸入的波形通過運(yùn)放變成一個方波，該方波通過二極管削去負(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6秒的采集過程以后，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的最大和最小有效值，使工控機(jī)以后可以查尋。工作時的數(shù)據(jù)采集流程如圖5所示。

5抗干擾設(shè)計

圖5勵磁電源數(shù)據(jù)采集過程程序框圖

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、安全性就成為一個非常突出的問題。為保證測控系統(tǒng)長期、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，現(xiàn)就影響測控系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的主要因素和解決方法說明如下。

5.1數(shù)據(jù)采集誤差加大

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

針對此問題，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，信號的采集連接線使用屏蔽線，使采集信號在傳送過程中不會受到外界的干擾。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，且被測參數(shù)變化較慢，可以用數(shù)字濾波（就是通過一定的軟件程序降低干擾信號）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；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“看門狗”電路；④對數(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

在整個系統(tǒng)中，單片機(jī)與外界功率開關(guān)器件采用隔離驅(qū)動方式，隔離電路模塊將控制電路模塊、主勵磁電路模塊互相隔離。這樣進(jìn)行設(shè)計主要是避免引起災(zāi)難性的后果。雖然隔離驅(qū)動可分為電磁隔離和光電隔離兩種方式，由于本文所需產(chǎn)生的勵磁頻率低頻在4Hz，高頻在100Hz左右，對于光電隔離共模抑制能力差，傳輸速度慢的缺點(diǎn)不重要；同時由于光電隔離具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單等優(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)的兩個引腳的PWM波形通過兩個470Ω的電阻分別與兩個光電耦相連，同時控制單片機(jī)的兩個引腳交互輸出高低電平，從而使得在勵磁線圈上得到正反雙向電壓。周而復(fù)始，在勵磁線圈上產(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。同時在下位機(jī)中專設(shè)了延時0.01ms的程序進(jìn)行軟件延時，目的是為了更進(jìn)一步保證功率管在工作時不會發(fā)生重疊導(dǎo)通以造成損壞，增加可靠性。

6結(jié)束語

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)化控制功能的勵磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度員或廠級工作人員能夠遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的開停機(jī)、升速升壓、并網(wǎng)、調(diào)整功率（包括有功和無功）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)）串行通訊來實(shí)現(xiàn)勵磁調(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，在勵磁電源的現(xiàn)場實(shí)際調(diào)試及使用中達(dá)到了預(yù)期的效果，該系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]容太平，區(qū)干生.基于DSP的微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，華中科技大學(xué)學(xué)報，2004.32(5)：19-21.
[2]丁爾謀.發(fā)電廠勵磁調(diào)節(jié)，北京:中國電力出版社,1998.
[3]高雙印，耿少毅.單片機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的應(yīng)用，黑龍江水利科技，2004，(1)：105-106.
[4]陳建偉，譚建平，龔忠良等.微型軸流式血泵外磁驅(qū)動電路設(shè)計，微計算機(jī)信息，2005.21(2)：88-89