基于AT89C52的勵磁調節(jié)器的設計與實現(xiàn)

圖1 控制系統(tǒng)結構圖

根據(jù)實際需要，勵磁電源控制系統(tǒng)的上位機采用工控機，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，由工控機集中控制。下位機由單片機及其它數(shù)字電路系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)的結構圖如圖1所示。

2微機勵磁系統(tǒng)主回路

微機勵磁調節(jié)器隨勵磁電源運行工況的變化改變可控硅的導能控制角，從而達到自動調節(jié)發(fā)電機勵磁電流的目的，保證勵磁電源能輸出穩(wěn)定的負載電壓。

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)電機出口母線，經(jīng)勵磁變壓器LB將發(fā)電機電壓變至合適的值供整流裝置整流后供給發(fā)電機轉子繞組。整流電路采用三相橋式全控整流電路[1]，該電路的工作特點是，既可工作于整流狀態(tài)，將交流變成直流作為發(fā)電機勵磁電源，也可工作于逆變狀態(tài)，將直流變成交流，實現(xiàn)逆變滅磁，釋放勵磁繞組的能量，從而達到保護發(fā)電機的目的。發(fā)電機機端電壓、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，通過計算機運算后輸出控制量來控制晶閘管的導通角，使電壓穩(wěn)定在允許范圍內。

自并勵勵磁方式發(fā)電機端電壓Ud0與勵磁電壓Ud之間的關系為[2]：

其中：Xk－交流回路電抗；

ΔU―橋臂元件導通時的正向壓降；

r―回路電阻。

ΔU如果忽略換相電抗和整流元件壓降的影響，則機端電壓與勵磁電壓的關系為：

。由此式可知，勵磁電壓Ud與機端電壓Ud0成正比。

3微機勵磁調節(jié)器的硬件構成

　　　　　　　　　　　　圖3 勵磁調節(jié)器原理圖

微機勵磁調節(jié)器由單片機和供電電源監(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行監(jiān)控，以及對調壓模塊的工作電壓進行控制。

系統(tǒng)中的D/A控制系統(tǒng)是勵磁電源工作時調整電流的基礎通道，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和調相電壓基準。

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對調整管電壓進行監(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)一起構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，達到調節(jié)可控硅的導通角的目的。

4微機勵磁調節(jié)器的軟件設計

微機勵磁調節(jié)器軟件采用模塊化結構設計，各種功能都由相應的子程序來完成，

　　　　　　　　　　　　圖4勵磁電源加載過程程序框圖

軟件系統(tǒng)是通過上下位機分工配合實現(xiàn)的。下位機監(jiān)測現(xiàn)場的工作狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)的采集和初步處理。上位機采用工業(yè)PLC作遠程監(jiān)控。單片機在勵磁電源中擔負著提供基準電壓、控制調整管電壓、工作數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視勵磁電源工作狀態(tài)以及與上位工控機進行通信、回送勵磁電源工作狀態(tài)及工作數(shù)據(jù)等功能。

為實現(xiàn)精確調節(jié)同步發(fā)電機的機端電壓和控制同步發(fā)電機的無功功率，勵磁調節(jié)器必須連續(xù)比較機端電壓實際值與給定值，并實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。其流程如圖4所示。

調節(jié)器上電后執(zhí)行初始化和自檢，初始化結束后，表明勵磁調節(jié)器已經(jīng)準備就緒，接著程序進入起勵的設置和起勵條件的判別，然后進入主程序。首先是數(shù)據(jù)采集和處理部分；主要由電機出口交流電壓采樣子模塊、電機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。然后進入功率因數(shù)測算模塊和PID調節(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調節(jié)計算出可控硅的導通角。

由于勵磁控制系統(tǒng)比較復雜，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控制調節(jié)法。PID調節(jié)計算根據(jù)采集的數(shù)據(jù)結果與額定值進行比較，從而進行PID調節(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的決策，以選擇適當?shù)目刂颇Ｊ竭M行控制，具有良好的適應能力和極強的魯棒性。頻率的測量是把輸入的波形通過運放變成一個方波，該方波通過二極管削去負半部分，最后進入單片機的高速輸入口。

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箱中，系統(tǒng)的工作環(huán)境是比較惡劣和復雜的，其應用的可靠性、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、可靠的運行，現(xiàn)就影響測控系統(tǒng)可靠、安全運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，干擾顯得更加嚴重。

針對此問題，從硬件和軟件兩方面進行考慮和解決。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）的方法加以抑制或濾除。

5.2控制狀態(tài)失靈與程序運行失常處理

控制狀態(tài)失靈與程序運行失常主要采用了以下方法：①系統(tǒng)采用浮地設計；②使用軟件攔截技術（指令冗余，軟件陷阱）；③單片機采用電源監(jiān)視及“看門狗”電路；④對數(shù)字電路進行屏蔽；⑤負載輸出隔離。

5.3控制電路（MCU部分）與主電路的隔離

在整個系統(tǒng)中，單片機與外界功率開關器件采用隔離驅動方式，隔離電路模塊將控制電路模塊、主勵磁電路模塊互相隔離。這樣進行設計主要是避免引起災難性的后果。雖然隔離驅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，傳輸速度慢的缺點不重要；同時由于光電隔離具有體積小，結構簡單等優(yōu)點，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。周而復始，在勵磁線圈上產(chǎn)生與單片機相應引腳上相同頻率的波形，只是幅度不一樣而已。同時在下位機中專設了延時0.01ms的程序進行軟件延時，目的是為了更進一步保證功率管在工作時不會發(fā)生重疊導通以造成損壞，增加可靠性。

6結束語

本文詳細介紹了基于工控機和單片機的具有網(wǎng)絡化控制功能的勵磁調節(jié)器系統(tǒng)，實現(xiàn)了調度員或廠級工作人員能夠遠程控制系統(tǒng)的開停機、升速升壓、并網(wǎng)、調整功率（包括有功和無功）等操作。

本文作者創(chuàng)新點是：討論了基于上位機（PLC）和下位機（AT89C52單片機）串行通訊來實現(xiàn)勵磁調節(jié)器調節(jié)的工作原理和方法，并給出了上位機和下位機的程序結構。經(jīng)實踐證明，在勵磁電源的現(xiàn)場實際調試及使用中達到了預期的效果，該系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定、可靠的運行。

參考文獻

[1]容太平，區(qū)干生.基于DSP的微機勵磁調節(jié)器的設計與實現(xiàn)，華中科技大學學報，2004.32(5)：19-21.
[2]丁爾謀.發(fā)電廠勵磁調節(jié)，北京:中國電力出版社,1998.
[3]高雙印，耿少毅.單片機勵磁調節(jié)器的應用，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動電路設計，微計算機信息，2005.21(2)：88-89