【正文】 實(shí)時(shí)的、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，減少裝置的誤動(dòng)率。軟件部分主要是由端電壓測(cè)量子程序、端電流測(cè)量子程序、求取相位角子程序、系統(tǒng)中斷設(shè)子程序、數(shù)碼顯示功能子程子程序組成。所以，軟件設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)然也可以用專(zhuān)門(mén)的編程器燒入程序，但是需要購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)用的編程器，經(jīng)費(fèi)上不支持，而且燒入程序時(shí)，需要將器件從目標(biāo)板上取下，放入編程器中，燒入完成后插回目標(biāo)板。下圖為自制的ISP下載線的原理圖。比較好的上位機(jī)的軟件是廣州市天河雙龍電子有限公司提供的“SLISP 下載軟件”， 可以到雙龍公司的主頁(yè)：。并口下載線的制作方法有很多，這里，推薦一種簡(jiǎn)單實(shí)用的接線方式，其原理圖如圖52所示：圖52 并口下載線原理圖程序下載是指將編譯好的目標(biāo)文件燒入到單片機(jī)里面，使單片機(jī)可以運(yùn)行程序。其下載速度要明顯慢于STK500方式。目前仿造ATmel公司的STK500下載線的售價(jià)也在百元以上。發(fā)布新版本，該下載方式支持的器件就同步更新，不會(huì)發(fā)生不支持新器件的情況。并且，只要AVRSTK500下載為ATmel公司官方推薦的下載方式。pro也停止了更新。內(nèi)的AVR普通串口方式的速度快，但支持的軟件不多。運(yùn)行界面如51圖。AtmanAvr C 是為ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)應(yīng)用AVR GCC編譯器而開(kāi)發(fā)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 IDE 。用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開(kāi)發(fā)周期，且明顯地增加了其可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和抗干擾措施作為一種當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的單片機(jī)，有多種集成開(kāi)發(fā)環(huán)境支持對(duì)AVR單片機(jī)的程序開(kāi)發(fā)。這樣可以去掉由于偶然因數(shù)引起的干擾，同時(shí)對(duì)于脈動(dòng)干擾也比較有效。這種方法對(duì)突發(fā)性干擾，如大功率用電設(shè)備的啟?；蚱渌麤_擊性負(fù)載帶來(lái)的電流尖峰干擾比較有效。則每次采樣后都與其前一個(gè)采樣值進(jìn)行比較，一但兩個(gè)差值超過(guò)了，則表面采集的信號(hào)中有校大的干擾。算術(shù)平均值法主要對(duì)壓力，流量等含有周期性脈動(dòng)的信號(hào)有效，而對(duì)突發(fā)的脈沖干擾效果則不太理想。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，它與各采樣值間的誤差的平方和最小。除了用硬件進(jìn)行濾波外，對(duì)輸入計(jì)算機(jī)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波也是十分必要的。因此，在實(shí)際控制中，增量式算法應(yīng)用更為廣泛。如果采用增量算法，則由于式中不出現(xiàn)u0項(xiàng)，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。 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(guò)去狀態(tài)的關(guān)，計(jì)算式中要用到過(guò)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。由（47）可得： （48）因?yàn)椋琻時(shí)刻控制量的增量為： （49）將式（47）和式（48）分別代入上式得： （410）其中： 稱(chēng)為積分系數(shù) 稱(chēng)為微分系數(shù)根據(jù)具體控制系統(tǒng)問(wèn)題的需要，可以用u（n）也可以用來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。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(wèn)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。將一個(gè)微分方程用差分方程近似離散化。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。為了能在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，必須將（45）用一個(gè)差分方程來(lái)近似。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(guò)數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來(lái)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。但是如果積分時(shí)間Ti太小，則積分控制作用太強(qiáng)，會(huì)使控制器系統(tǒng)輸出的超調(diào)量加大，甚至產(chǎn)生震蕩。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。例如，比例(P)調(diào)節(jié)器、比例積分(PI)調(diào)節(jié)器、比例微分(PD)調(diào)節(jié)器等。 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(guò)線性組合構(gòu)成控制量（如圖41所示），所以簡(jiǎn)稱(chēng)為P（比例）、I（積分）、D(微分)調(diào)節(jié)器。因此，在本單片機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中采用了數(shù)字PID控制算法。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(guò)對(duì)軟件的修改就可以使控制的效果得到改善。圖 317 通訊電路原理圖第四章 系統(tǒng)控制算法的研究微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的軟件以硬件為基礎(chǔ)，通過(guò)算法處理及程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。MAX232芯片是用來(lái)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。圖 316電源設(shè)計(jì)原理圖 通訊接口電路設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，本系統(tǒng)采用了電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232。 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。如果直接與單片機(jī)連接，要占用12個(gè)管腳，造成引腳資源的浪費(fèi)，并且單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力也有限。該方式的功耗較之靜態(tài)掃描要小。圖 314 鍵盤(pán)掃描電路本裝置的顯示模塊使用數(shù)碼管進(jìn)行顯示，采用動(dòng)態(tài)掃描方式。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，去抖動(dòng)時(shí)間選為45 ms。圖313裝置開(kāi)關(guān)量輸出回路 鍵盤(pán)顯示電路在鍵盤(pán)程序的設(shè)計(jì)中，掃描鍵盤(pán)要有合適的去抖動(dòng)時(shí)間。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。在本微機(jī)裝置中一般采用光電隔離措施，通用的原理電路如圖312所示。 圖311 裝置內(nèi)部觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)回路(2)從裝置外部經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)、斷路器等。圖310 同步信號(hào)和觸發(fā)信號(hào) 外圍電路設(shè)計(jì)微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的開(kāi)關(guān)量輸入指的是觸點(diǎn)狀態(tài)（接通或斷開(kāi)）的輸入，可以分為兩類(lèi)：(1)安裝在裝置面板上的觸點(diǎn)，例如鍵盤(pán)上的按鍵、復(fù)位按鈕等。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(yáng)極電壓為正半周時(shí)發(fā)出，使觸發(fā)脈沖與主回路同步。觸發(fā)電路的調(diào)制波是由如圖39左邊部分所示，由NE555芯片構(gòu)成的多諧振蕩器，其可控制端5腳電壓的高低，改變其振蕩頻率和占空比，使5腳輸出方波。勵(lì)磁系統(tǒng)移相觸發(fā)電路原理圖見(jiàn)圖39。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)主要作用是通過(guò)給定控制電壓控制三相半橋整流電路的導(dǎo)通角，從而調(diào)控勵(lì)磁電流，達(dá)到控制端電壓的目的。 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) 。單片機(jī)接收到上升沿觸發(fā)中斷后，將定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1清零并開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到下一個(gè)上升沿中斷的到來(lái)，該時(shí)間間隔即為一個(gè)周期T，其倒數(shù)即為頻率f。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37 頻率的計(jì)算要計(jì)算功率因數(shù)，首先要獲取功率因數(shù)角。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路如圖36所示。通過(guò)AVR單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確求得頻率。圖35 精密整流后的波形圖電流采樣與電壓采樣類(lèi)似。利用A2的反相求和可得： 整理可得： (31)即 0時(shí)有 0時(shí)有 (32)所以 (33)由此可以看到經(jīng)過(guò)精密整流電路后，經(jīng)過(guò)調(diào)整的交流電壓、電流變成A/D轉(zhuǎn)換可以接受的單向脈動(dòng)電，且幅值為正，從波形上無(wú)法分辨哪個(gè)半波為原波形的正半周，因此，需附加判斷翻轉(zhuǎn)之后的正負(fù)半周，可通過(guò)增加一個(gè)比較器來(lái)判定，該比較器輸出的上升沿對(duì)應(yīng)著原波形的正半周。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。故我們采用精密整流濾波電路，以克服普通橋式整流電路的不足,克服二極管死區(qū)電壓現(xiàn)象，從而提高了測(cè)量精度。由于普通橋式整流電路存在兩個(gè)二極管PN結(jié)的門(mén)檻電壓(),輸出電壓的有效值并不是Vm。整流后的電壓信號(hào)經(jīng)電容濾波后便可以通過(guò)ATmega16的一路A/D送入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)程序運(yùn)算，便可以得到我們所要顯示的電壓值。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。發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓Ud經(jīng)電壓互感器后，經(jīng)三相整流濾波電路后經(jīng)過(guò)ATmega16的一路A/D送入單片機(jī)，與對(duì)應(yīng)的給定值進(jìn)行比較。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(lái)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(guò)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(guò)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)。因?yàn)槭侨嚯娫?，所以觸發(fā)脈沖間相位也依次相差120176。在電路中僅在橋的一側(cè)用可控的晶閘管，故稱(chēng)為半控橋整流。如圖32所示。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(xiě)的能力)；512字節(jié)EEPROM；1K字節(jié)SRAM；32個(gè)通用I/O口線；開(kāi)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(kāi)關(guān)等組成；人機(jī)接口部分主要包括顯示、鍵盤(pán)、各種面板開(kāi)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。本裝置硬件系統(tǒng)總體可分為6個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集單元，微機(jī)處理單元，開(kāi)關(guān)量輸入/輸出接口單元，人機(jī)接口單元，通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。再通過(guò)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。 同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性電力系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)隨時(shí)會(huì)受到各種干擾，這就需要同步發(fā)電機(jī)具有維持或恢復(fù)同步運(yùn)行的能力，即保持同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。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(wú)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(guò)程，致使發(fā)電機(jī)電壓升高，于是得到上翹的外特性。在帶有正調(diào)差單元的自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置中，當(dāng)無(wú)功電流增大，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將感受到發(fā)電機(jī)電壓虛假地提高，于是調(diào)節(jié)裝置將減小發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，致使發(fā)電機(jī)電壓降低，所以得到下傾的外特性。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(wú)功電流時(shí)的電壓。幾臺(tái)發(fā)電機(jī)在同一母線上并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，改變?nèi)魏我慌_(tái)機(jī)組的勵(lì)磁電流不僅影響該機(jī)組的無(wú)功電流，而且還影響同一母線上并聯(lián)運(yùn)行其它機(jī)組的無(wú)功電流，與此同時(shí)也引起母線電壓的變化。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(wú)功功率Q的不斷變化。當(dāng)ΔU小于零時(shí)，系統(tǒng)將增大導(dǎo)通角，勵(lì)磁電流減小，隨之降低，直到＝，偏差等于零為止。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。要維持發(fā)電機(jī)端電壓，必須增大勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)的外特性向上移。圖212 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖作為簡(jiǎn)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(xiě)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。 將已知單元的傳遞函數(shù)按圖22組成整個(gè)勵(lì)磁控制系統(tǒng)框圖，如圖212所示。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：