【正文】 9所示。 (2)工作原理：綜合放大環(huán)節(jié)一般均采用直流運(yùn)算放大器來構(gòu)成。因此，檢測(cè)電路起到比較與整定電壓的作用，故又稱比較整定電路。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。(3)濾波電路：濾波電路如圖26所示，2為輸入端，接至整流電路，4為輸出端，接至檢測(cè)電路。圖25 正序電壓濾過器原理接線圖(a)原理接線 （b）原理接線的另一種表示(2)多相整流：由測(cè)量變壓器與多相整流電路組成多相整流單元。 圖25（a）為輸入負(fù)序電壓的矢量。圖24 測(cè)量比較環(huán)節(jié)框圖（1）正序電壓濾過器： 濾過器的輸入是調(diào)差環(huán)節(jié)的輸出，是已修正過的發(fā)電機(jī)電壓。圖23 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖電壓測(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。圖23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。通用的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器均按一定控制規(guī)律來自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁，故常稱自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置，漢語拼音簡寫為ZTL。勵(lì)磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖22所示。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21所示。勵(lì)磁控制系統(tǒng)應(yīng)承擔(dān)電力系統(tǒng)電壓控制、無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)。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。微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定靈活方便，便于在線修改、調(diào)試工作量小，受到了人們的普遍歡迎。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。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)愈來愈困難，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)展起過積極的推動(dòng)作用，但由于現(xiàn)代發(fā)電機(jī)組越來越大，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求越來越高。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)用也取得了長足發(fā)發(fā)展，從此打開了人們研制新型調(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)磁控制的研究在國外就蓬勃地展開了，這些成果進(jìn)一步促進(jìn)了勵(lì)磁控制技術(shù)的發(fā)展。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。這就帶來了調(diào)節(jié)速度慢的問題。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。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?？v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()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，所以基本能滿足安全運(yùn)行的要求。而且有一定的調(diào)節(jié)死區(qū)。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)器不能滿足對(duì)電壓精度及穩(wěn)定運(yùn)行的要求，因此出現(xiàn)了PID 勵(lì)磁控制方式。國外從70年代開始研究數(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，問世以來，國外的德國，瑞士，英國等眾多生產(chǎn)廠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。使得勵(lì)磁部分的電路較復(fù)雜。簡化了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，降低了成本。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)磁控制裝置市場中占了絕大部分?jǐn)?shù)額。主要工作包括以Atmega系列超低功耗單片機(jī)為核心，輔助相應(yīng)的硬件電路和外圍設(shè)備，來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制。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之為勵(lì)磁方式，產(chǎn)生勵(lì)磁電流的裝置則稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。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。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。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。 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)的過程， 因此，可對(duì)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)描述進(jìn)行簡化。 （21）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。采用正序?yàn)V過器的原因是在系統(tǒng)存在三相電壓不平衡時(shí)；濾過器只輸出一個(gè)反應(yīng)電壓水平的正序電壓，能提高檢測(cè)的靈敏度，并使接于其后的測(cè)量變壓器始終處于對(duì)稱三相電壓下工作。由圖可見，濾過器輸出為零。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。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。圖26 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。圖2－7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)稱比較電路，又稱檢測(cè)橋，m，n為電路的輸出端, 輸出電壓偏差信號(hào)，圖中右邊部分為檢測(cè)橋的特性。運(yùn)算放大器原理接線如圖2－8所示。電路中加上了限幅與功率放大。放大器上接入電位器是用來調(diào)零，當(dāng)輸入為零時(shí)，調(diào)節(jié)，使為零。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)。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。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)器等電路來實(shí)現(xiàn)。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： (25)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)。圖212 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖作為簡單分析，略去勵(lì)磁機(jī)的飽和特性和放大器的限幅，則直接可以寫出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下： (26) 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的基本任務(wù) 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。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。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)的無功功率Q的不斷變化。調(diào)差系數(shù)可由下式表示 %=100% （2－7）為發(fā)電機(jī)額定電壓，、分別是發(fā)電機(jī)空載電壓、額定無功電流時(shí)的電壓。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)過程，致使發(fā)電機(jī)電壓升高，于是得到上翹的外特性。再通過軟件計(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。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)讀寫的能力)；512字節(jié)EEPROM；1K字節(jié)SRAM；32個(gè)通用I/O口線；開關(guān)量輸入/輸出回路由并行口、光電耦合電路及光電隔離開關(guān)等組成；人機(jī)接口部分主要包括顯示、鍵盤、各種面板開關(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，保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠供電。在電路中僅在橋的一側(cè)用可控的晶閘管，故稱為半控橋整流。圖32 勵(lì)磁電源主回路參數(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)。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)放大電路得到05V電壓信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。由于普通橋式整流電路存在兩個(gè)二極管PN結(jié)的門檻電壓(),輸出電壓的有效值并不是Vm。圖34 全波精密整流電路圖34中為半波精密整流電路，為反相加法器電路。圖35 精密整流后的波形圖電流采樣與電壓采樣類似。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路如圖36所示。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)，可以將此時(shí)的定時(shí)器值放入寄存器。 圖38 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) 。勵(lì)磁系統(tǒng)移相觸發(fā)電路原理圖見圖39。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)脈沖在晶閘管陽極電壓為正半周時(shí)發(fā)出，使觸發(fā)脈沖與主回路同步。 圖311 裝置內(nèi)部觸點(diǎn)開關(guān)回路(2)從裝置外部經(jīng)過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)換開關(guān)、斷路器等。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。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，去抖動(dòng)時(shí)間選為45 ms。該方式的功耗較之靜態(tài)掃描要小。 圖 315液晶顯示電路原理圖 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。MAX232芯片是用來進(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，只需要通過對(duì)軟件的修改就可以使控制的效果得到改善。 PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(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 =wy (41)圖41 PID調(diào)節(jié)器框圖 并將其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量（如圖41所示），所以簡稱為P（比例）、I（積分）、D(微分)調(diào)節(jié)器。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。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)過數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這就是數(shù)字化。只要采樣間隔時(shí)間T與，相比足夠小，式（47）就與（43）足夠近似。4．2 .2 增量型PID控制算法 由于位置型控制算法存在諸多的問題，人們對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，提出了以下增量型控制算法。 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)過去狀態(tài)的關(guān)，計(jì)算式中要用到過去偏差的累加值，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。因此，在實(shí)際控制中，增量式算法應(yīng)用更為廣泛。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： （413）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