（控制理论与控制工程专业论文）基于ts模型同步发电机励磁模糊pid控制.pdf

中文摘要 同步发电机稳定运行是电力系统安全、经济运作的基本条件之一。众多改善 同步发电机稳定运行的措施中，运用现代控制理论、提高励磁系统的控制性能是 经济而有效的手段。根据我国电力工业的实际情况，在现有发配电设备的基础上， 研究如何运用控制技术，使现有可控设备达到最大限度保持电力系统得稳定性， 成为当前电力系统工作者研究的重要课题。 本文首先对同步发电机励磁控制原理和发展进行介绍，给出励磁系统的数学 模型。并采用8 0 c 1 9 6 k c 单片机完成了一套三相全控桥装置的自并励励磁调节器的 硬件和软件设计。利用8 0 c 1 9 6 特有的p t sa d 采样模式进行交流信号采样，简化 外围电路并提高线路可靠性；使用频率跟踪电路完成数据采集，使交流采样间隔 能跟随电网频率的变化，实现高精度的均匀采样。 控制算法上，将模糊控制与p i d 励磁控制有机结合，设计模糊p i d 励磁控制器。 利用m a t l a b 仿真软件与常规p i d 控制方法进行对比，结果证明模糊p i d 励磁控制优 势明显，在改善系统的动态品质、提高抗干扰能力方面均优于常规p i d 励磁控制 器：为了增强励磁控制的鲁棒性，借助t s 模型，构成一种按p i d 算法进行模糊规 则在线自调整模糊励磁控制器。使其既借鉴p i d 控制器参数调整的成熟经验，又 使模糊控制规则的制定和参数的调整简单易行，物理意义更加明确。使励磁控制 具有更好的鲁棒性，可提高同步发电机的运行质量。 仿真实验证明，基于t s 模型的模糊p i d 控制比模糊p i d 控制具有更好的响应 性和稳定性。 关键词：同步发电机、励磁控制、模糊控制、模糊p i d 、t - s 模型 a b s t r a c t s t a b i l i t yo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o ri s o n eb a s i cf a c t o rf o r t h es e c u r i t ya n d e c o n o m i c a lo p e r a t i o no f t h ep o w e rs y s t e m t or e a l i z es t a b l eo p e r a t i o no f s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r , u t i l i z a t i o no fm o d e mc o n t r o lt h e o r ya n di m p r o v e m e n to fe x c i t a t i o nc o n t r o l a r ee f f e c t i v em e a s u r e s r e s e a r c h e so nu t i l i z a t i o no fc o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do nt h e s t a t u sa n de x i s t i n gd e v i c e so fo u rp o w e ri n d u s t r yt om a x i m i z et h es t a b i l i t yo ft h e s y s t e mh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tt o p i c t h i sp a p e r f i r s t l yg a v e a ni n t r o d u c t i o nt ot h et h e o r ya n dp h y l o g e n yo f s y n c h r o n o u sg e n e r a t o re x c i t a t i o nc o n t r o l ，a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fe x c i t a t i o n s y s t e m d e s i g n e da8 0 c 19 6 k cs c ms y s t e ma st h ep a r a l l e ls e l f - e x c i t a t i o nc o n t r o l l e r f o rt h et h r e e - p h a s ec o n t r o l l e db r i d g er e c t i f i e r u t i l i z a t i o no f8 0 c 19 6 k c ss p e c i f i c p t sa dm e t h o do na cs i g n a ls a m p l i n g ，h a ss i m p l i f i e dp e r i p h e r a lc i r c u i ta n d i m p r o v e d i t sr e l i a b i l i t y ；丹e q u e n c y t r a c kc i r c u i ti nd a t ac o l l e c t i o nm a d et h ea c s a m p l i n gi n t e r v a lf o l l o w st h ev a r i a t i o no fs o u r c e sf r e q u e n c yt or e a l i z es y m m e t r i c a l s a m p l i n gi nh i g hp r e c i s i o n t h ec o n t r o l a l g o r i t h mc o m b i n e sp i dm e t h o da n df u z z yl o g i cm e t h o d ，a n d d e s i g n s af u z z yp i dc o n t r o l l e r , c o m p a r e di tw i t ho r d i n a r yp i dm e t h o di n m a t l a b s i m u l i n k ，r e s u l th a sp r o v e di t ss u p e r i o r i t yi nd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n d a n t i - d i s t u r b a n c ea b i l i t y u s et - sm o d e lt oi m p r o v es y s t e m sr o b u s t n e s s ，a n dm o d u l a t e t h ee x c i t a t i o no n l i n e t h er i p e n e s so fp i df a c i l i t a t e dt h ee s t a b l i s h m e mo ff u z z y c o n t r o lf o r m u l aa n dt h em o d u l a t i o no fp a r a m e t e r s ，t h ep h y s i c a lm e a n i n gi sm o r e l e g i b l e b e t t e rr o b u s t n e s so fe x c i t a t i o nc o n t r o li m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r c o m p a r e dt h ef u z z yp i dw i t ht h ef u z z yp i dc o n t r o l l e rb a s e do nt - sm o d e l ，t h e o b t a i n e de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e da n dd i s c u s s e dt op r o v et h ee f f e c t i v e n e s s o f t h en e wc o n t r o is t r a t e g y k e y w o r d s ：s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r , e x c i t a t i o nc o n t r o l ，f u z z yl o g i cc o n t r o l ， f u z z yp i d t - sm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：剖，稿色签字目期：趔占年f 月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：孑，l 、解参邑导师签名 签字日期：刿口年f 月g 日 鹏 签字日期：0 彤年f 月鲁阳 第一章绪论 第一章绪论 在电力系统中，提高和维持同步发电机运行的稳定性，是保持电力系统安全、 经济运行的基本条件之一。在众多改善同步发电机稳定运行的措施中，运用现代 控制理论、提高励磁系统的控制性能是公认的经济而有效的手段之一。因此，根 据我国电力工业的实际情况，在现有发配电设备的基础上，研究如何运用控制技 术，使现有可控设备达到最大限度保持电力系统得稳定性，成为当前电力系统工 作者研究的重要课题。 励磁控制器是同步发电机的重要组成部分，它与同步发电机共同组成反馈控 制一励磁控制系统。 1 1 励磁控制方式 自5 0 年代初期，自动电压调节器的主要功能是维持发电机电压为给定值。 当时应用的电压调节器多为机械型的，其后又发展为电子型或电磁型。随着电力 系统的大型化和发电机单机容量的增长，出于提高电力系统稳定性的考虑，自动 电压调节器的功能已不局限于维持发电机恒定这一要求上，而更多的体现在提高 发电机的静态及动态稳定性方面。 自5 0 年代至今，励磁控制方式的演绎大致经历了单变量输入及输出的比例 控制方式、线性多变量输入及输出的多变量反馈控制方式以及伴随控制理论发展 起来的非线性多变量控制方式等主要阶段，现分述如下。 1 、经典控制理论阶段 经典理论是在5 0 年代初期形成的理论体系。其理论基础是描述系统输入输 出关系的传递函数，而数学工具是拉氏变换和多项代数式。这一时期，发电机多 采用直流励磁机励磁方式，励磁调节器多属于按发电机电压偏差进行负反馈控制 的比例式调节，或按发电机电压偏差的比例、积分、微分进行控制的p i d 调节方 式。主要采用下列几种： 1 ) 按发电机端电压偏差进行比例调节方式： 2 ) 按发电机定子电流作为扰动量进行补偿的复式励磁补偿调节方式； 3 ) 按发电机端电压和定子电流及功率因数角等信号进行综合相位补偿控 第一章绪论 制的相补偿式励磁调节方式。 6 0 年代，由于快速励磁系统的普遍应用，在一些大型输电系统中频繁地出 现了低频功率震荡以及在大扰动事故后动态稳定恢复过程中的失步的情况，甚至 因此造成电力系统的崩溃。对此，1 9 6 9 年美国学者e d 迪米洛( d e m e l l o ) 和c 康柯迪亚( c o n c o r d i a ) 提出了电力系统稳定器( p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r ) ，简称 p s s 。在p s s 励磁控制方式中i 励磁控制规律除了仍保留按发电机电压偏差的比 例、积分、微分控制外，还附加一个与功率有关的信号，诸如发电机功率、频率、 转速、转子功率角等。经过相位超前校正环节，以补偿由于励磁系统和发电机本 身所引起的相位滞后，提供正阻尼，从而抑制低频震荡的作用。理论研究和运行 实践证明，p s s 对低频振荡具有很好的抑制作用，并能改善系统的阻尼特性和小 干扰的稳定性，在当前获得广泛的应用【2 l 。 2 、现代控制理论阶段 随着控制系统规模及复杂程度的增加，对控制精度和系统动态响应品质要求 的不断提高，应用古典的线性单变量控制理论分析励磁系统受到了诸多限制，而 应用建立在状态空间描述方法基础上的线性多变量现代控制理论，则较易解决这 些问题。在1 9 7 0 年，加拿大的余耀南博士率先进行应用现代控制理论对电力系 统进行多变量线性最优控制规律的研究。我国以卢强教授为代表的电力研究工作 者在研究线性多变量最优控制理论在同步发电机励磁系统中的应用方面也取得 了丰硕的成果p j 。 最优控制理论是现代控制理论的一个发展比较完善、应用较为广泛的重要分 支，其研究的中心问题是选择最优控制规律，以使得控制系统在特定的指标条件 下最优。它与古典控制理论相比较具有下列一些特点： ( 1 ) 古典控制理论主要是在复频域内进行综合；而现代最优控制理论主要 是在时间域内直接完成综合，同时使动态品质和稳定性之间得到较好的统一。 ( 2 ) 古典控制理论在复频域内采用传递函数的概念，一般用于单变量输入 一输出系统；而最优控制理论在时间域内采用状态空1 日j 的分析方法，适用与多状 态变量输入输出系统，并可利用数字计算机进行仿真计算。 ( 3 ) 古典控制理论只适用于非时变系统，而最优控制理论可推广到时变系 统。 线性最优控制器( l o e c ) 弥补了p s s 控制方式的不足，在设计原理和控 制技术方面都i j 进了一大步。由清华大学研制的线性最优励磁控制调节器曾在一 些大型水电厂中获得了应用。 然而，受控制理论的限制，这种励磁控制器是针对电力系统局部线性化模 第一章绪论 型来设计的，这样设计出的励磁控制器能保证在运行点附近具有良好的性能，当 偏离运行点时，控制性能就变得很差，在强非线性的电力系统中对大干扰的控制 效果不理想。 针对线性最优控制器的不足，电力工作者将自适应理论用于电力系统的研 究。自适应是将参数辨识和控制结合在一起的一种次最优控制理论。它能随系统 工况的变化不断修正控制器的参数，使系统的实际动态响应与希望的动态响应相 吻合。因此，自适应控制器能跟踪被控系统的工况的变化并不断修正系统参数， 具有很强的抗干扰能力和良好的鲁棒性。但自适应理论仍然停留在线性系统的自 适应上，很难处理非线性及快时变系统。 3 、非线性控制理论和智能控制阶段 无论是用经典的控制理论设计的p i d 、p s s 励磁控制，还是应用线性最优控 制理论设计的l o e c ，它们所依据的基础都是在电力系统某一特定状态下的近似 线性化的数学模型，这对于现代化电力系统还存在一定的问题。 随着研究人员的不断探索，很多学者提出了非线性励磁控制，在设计中利用 非线性控制模型，这对于电力系统的大干扰和小干扰的稳定性得到了显著改善， 并适应于电力系统运行方式的各种变化，对网络参数变化具有良好的鲁棒性。由 清华大学卢强教授率先开拓的非线性励磁控制器在工业中已获得了应用。然而现 有的非线性励磁控制器的设计方法偏重于改善电力系统的功角稳定，而忽视了对 发电机端电压的控制作用，对电力系统的稳定带来了不利影响，并且，非线性理 论本身正处于发展和完善之中，存在许多需要解决的问题，而现代电力系统运行 方式的多变性导致众多设备参数的不确定性，使目前的非线性理论还无法精确的 计算和分析研究1 4 j 。 科学技术的进步促使智能控制技术的建立和发展。由于各种实际工程的发展 规模越来越大，复杂程度越来越高，常规的控制理论和技术已无法满足工程上的 技术要求。学者开始研究将人工智能以及其它控制方法运用于励磁控制之中，并 且取得了一定的成果。 1 2 励磁控制的国内外研究现状 在励磁控制器的研究方面，国内外先后采用了p i d + p s s 励磁控制器、线形最 优励磁控制器、非线形最优励磁控制器、智能控制等控制方式，它们在不同的具 体工况下，都取得了比较满意的效果。 1 p i d + p s s 励磁控制方式 第一章绪论 为了改善a v r 式励磁控制器在调节精度和稳定性之间的矛盾以及在提供人工 阻尼方面的不足，1 9 6 9 年美国学者提出的“a v r + p s s ”控制策略对抑制系统振荡， 提高系统静态稳定性及维持机端电压能力等方面比p i d 调节方式具有较明显的优 越性。在北美和我国得到广泛推广和使用。但是p s s 由于设计参数整定上的问题， 或是电力系统运行状态或网络结构变化的原因，而使系统的实质振荡频率落在控 制器有效抑制频率带以外，其控制效果会显著减弱，甚至还会起到相反的作用。 这限制了p s s 在系统中广泛应用1 5 】。 2 多变量线性最优控制 由于电力系统中总是存在着多机模式振荡问题，针对p s s 单频相位补偿方式 的严重不足，y u 等人根据线性最优控制理论提出发电机的最优励磁控制方式一线 性最优励磁控制器( l o e c ) ，从根本上解决了抑制系统多机模式振荡问题，取得了 比p s s 单频相位补偿技术更进一步的发展。特别是近年来，多机电力系统中的分 散最优励磁控制器的设计方法也得到了发展，如关联重构法、完全分散化方法以 及整体最优方法等。这些设计方法的不足之处在于都未能充分考虑子系统之间关 联作用的影响，因而难以达到最佳协调配合的目的1 6 i 。 3 非线形最优励磁控制 非线性控制系统研究方法的逐步建立，促使非线性励磁控制的研究方兴未 艾，特别是针对一些特性非线性系统控制问题的研究( 如针对仿射非线性系统的 微分几何方法) 取得了令人瞩目的成就，己得出了非常丰富的分析结果和独特的 设计方法。非线形励磁控制方法一般有以下四种： 基于微分几何法的非线性励磁控制方式； 基于大范围直接线性化方法的非线性励磁控制方式； 基于李雅普诺夫稳定性理论的非线性励磁控制方式； 变结构控制方法的非线性励磁控制方式。 这些方法能够很好的改善励磁控制的效果，但由于其自身的抽象性、复杂性， 还没有形成普遍性应用。 一 4 智能控制 近年来，模糊控制、专家系统、人工神经网络以及遗传算法等控制策略等智 能化控制策略被应用于励磁控制系统中，它们不依赖于系统的精确数学模型，而 是于某种智能概念模型将控制理论与人的经验与直觉推理相结合，具有处理非线 性、并行计算、自适应、自学习和自组织等多方面的能力。特别是模糊控制，它 算法清晰、结构简单、性能优良，经验证明：在一些复杂的、存在不确定信息的 系统中，模糊控制优于常规控制，应用i j i 景十分广阔1 7 1 1 9 1 。 第一章绪论 1 3 励磁控制当前存在的问题 关于同步发电机励磁控制，还有一些关键性问题迄今没有得到很好地解决， 它们是进一步研究的重点所在 8 1 。 1 多机系统中的“强”非线性问题，即考虑控制限幅、饱和、切换以及各 种实际约束( 如端电压约束) 条件下的控制系统综合和分析问题。现有的绝大多数 非线性励磁控制所针对的只是常规非线性( 或称为光滑可逆非线性) 问题，而对工 程实际中广泛存在的强非线性“视而不见，或者只是做事后的定性校验； 2 将针对大型电力系统任意信息模式下的协调控制理论和针对小型孤立系 统的鲁棒自适应设计方法结合起来，解决大系统下考虑参数和结构不确定性的鲁 棒自适应励磁控制问题。 3 多目标协调问题。由于控制手段增多，调节系统的侧重点和能力各异，因 此有必要从整体出发，规划不同控制手段之间的协调工作方式以解决电力系统 的多目标控制问题。 4 动态协调控制问题。目前的协调控制设计大多仅停留在离线规划水平，较 少考虑系统运行方式和网络拓扑变化对协调控制策略的要求进一步的研究应该 考虑控制器之间的在线动态协调问题。 5 电力工业市场化运行机制对系统安全稳定控制、包括机组励磁控制的新要 求。 6 基于g p s 的多机系统励磁优化协调控制的研究。 1 4 本课题研究内容及所作的工作 励磁控制技术随着控制理论的发展而不断向前进步，它正逐步走向简单化、 智能化、综合化。本文正是顺应了这一潮流，旨在寻求一种简单、实用、有效的 发电机励磁控制方法，为其实用化打下良好的基础。 模糊t s 模型是一种非线性模型，易于表示复杂系统的动态性能特征。对于 非线性系统的不同区域的动态，可以利用模糊t - s 模型建立局部线性模型，然后 把各个局部线性模型利用模糊隶属函数连接起来，得到整体的模糊非线性模型， 基于此模型进行复杂系统地的控制与设计。目莳己经在系统辨识及其控制中得到 广泛的应用，并形成了模糊控制领域中最重要的研究方向之一i l 。 本文采用基于t s 模型，将常规的p i d 控制和模糊控制有机的结合，构成一 种按p 1 d 算法进行模糊规则在线自调整模糊控制器。使其既借鉴p 1 d 控制器参数调 整的成熟经验，又使模糊控制规则的制定和参数的调整简单易行，物理意义更加 第一章绪论 明确。使励磁系统具有更好的鲁棒性，可提高电力系统的运行质量。 主要工作有以下几点： ( 1 ) 在系统硬件设计上，处理器采用8 0 c 1 9 6 k c 的1 6 位m c 实现，可提高 系统的稳定性。 ( 2 ) 在控制算法上，将模糊控制与常规p i d 励磁控制相结合，又借助t s 模型，将常规的p i d 控制和模糊控制有机的结合，构成一种按p i d 算法进行模糊 规则在线自调整模糊控制器。使其既借鉴p i d 控制器参数调整的成熟经验，又使 模糊控制规则的制定和参数的调整简单易行，物理意义更加明确。使励磁系统具 有更好的鲁棒性，可提高电力系统的运行质量。 ( 3 ) 通过m a t l a b 仿真软件，建立仿真模型，分别对常规p i d 控制、模糊 p i d 控制、基于t - s 模型的模糊p i d 控制进行对比仿真，仿真实验证明，基于t - s 模型的模糊p i d 控制具有更好的响应性和稳定性。 第二章励磁控制器设计 第二章励磁控制器设计 2 1 励磁控制系统的构成 励磁系统一般由三部分组成，第一是励磁功率单元( 励磁变压器) ，主要作用 是向发电机的励磁绕组提供可调的直流电源，第二为励磁控制单元，作用是控制 和调节励磁电流满足发电机不同状态的需求，第三是检测和保护单元，其包括灭 磁和过电压保护等。如图2 1 所示 图2 - l 励磁控制系统组成 2 2 励磁控制的原理和数学模型 2 2 1 励磁控制的基本原理 同步发电机的励磁系统对电力系统的安全稳定运行有着重要的影响，励磁控 制系统的主要任务是维持发电机机端和其它控制点的电压水平和提高电力系统 运行的稳定性删。 其中维持电压的水平是励磁控制系统最基本的、最主要的任务，它可以保证 电力系统运行设备的安全；提高发电机运行的经济性。同时，维持发电机电压 能力的要求和提高电力系统的稳定性在许多方面是一致的。同步发电机励磁控 制系统的另一重要任务是提高电力系统的稳定性。 第二章励磁控制器设计 最早，同步发电机负荷变化时，借助手动或不连续动作的装置进行励磁调 节，以改变励磁电流来维持发电机端电压，这种装置是很原始的，它没有考虑 电力系统受扰动后的动态影响过程，系统动态响应技术指标很差，而且在很大 程度上取决于操作者的经验和水平，系统的静态稳定性也不可靠。 后来，随着控制技术发展，自动励磁控制器的问世，极大的改善了电力系统 的运行条件。自动励磁控制器能连续跟踪状态变化并做出实时响应，且响应速度 快、抗干扰能力强、系统稳定性好。 母线 图2 - 2 比例型电压控制器 以自动励磁控制器中的比例型励磁控制器为例( 如图2 - 2 ) ，在没有励磁控制 器时，当发电机负载增大时，由于发电机电抗上的电压降落增大，使发电机的端 电压下降。而比例型电压控制器通过电压反馈，使励磁电流随负荷的上升而增大， 也就使发电机电势相应增大，达到维持发电机端电压的目的川。 2 2 2 励磁控制的数学模型 现代自并励励磁控制的数学模型见图2 3 u 一 图2 3 臼并励励磁控制数学模犁 第二章励磁控制器设计 2 3 硬件结构设计 调节器采用自并励励磁控制系统，其硬件结构如图2 - 4 所示，由单片机控制 单元、脉冲放大单元、可控硅整流单元等组成。 图2 4 励磁控制系统控制图 + 1 2 v 1 4 l s l j 芍 r a m 6 2 6 4 8 0 c 1 9 6 k cl 孽l，c e lc e 2 单片机 一倒 ，c e p 4 m v 7 a 8 1 2 a 8 - - 1 4 7 4 l $ 3 7 3 p 30 刁h 9 0 - 。7i 荐色o 开 a 啦叮 a l kl 口器 d 0 ，7 d 0 ，7 1 i l 一 l i e p r o m 2 7 2 5 6 用d，0 e ，0 e w r _ - 厄a 厄a 图2 5 单片机基本组成原理幽 第二章励磁控制器设计 2 3 1 单片机控制的组成 单片机控制包括单片机单元、触发器单元、数据采集单元、开关量输入 输出单元、人机接口单元等组成。 1 基本单元组成框图 单片机基本单元主要由i n t e l 8 0 c 1 9 6 k c 单片机、地址锁存器7 4 l s 3 7 3 、地址 译码器7 4 l s l 3 8 、r a m 6 2 6 4 和e p r o m 2 7 2 5 6 等组成。组成框图如图2 - 5 。 2 构成基本单元的主要芯片介绍 ( 1 ) i n t e l 8 0 c 1 9 6 k c 芯片简介1 1 5 1 1 7 】 1 8 0 c 1 9 6 k c 是i n t e l 公司专门针对工业控制领域制造的6 位标准总线的微控 制器，它特别适合于对实时处理、实时控制比较高的各类自动控制系统，如工 业控制系统，分布式控制系统、变频调速系统、同步发电机和电动机励磁系统 等。和m c s - 5 1 系列8 位单片机相比，它具有以下8 个特点： c p u 中的算术逻辑单元不采用常规的累加器结构，改用寄存器一寄存器结 构。c p u 的操作直接面向2 5 6 个字节的寄存器，消除了一般c p u 结构中存在的瓶 颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。 ( 至) 8 0 c 1 9 6 k cc p u 中通用寄存器的数量远比一般c p u 的寄存器多，达5 1 2 字 节( 可采用“垂直窗口”技术，使新增加的2 5 6 字节的r a m 通过窗口映射同样 可以作为通用寄存器来访问) ，这样就能为各中断服务中的局部变量指定专门的 寄存器，免除了中断服务程序过程中保护寄存器现场和恢复寄存器现场所支付 的软件开销。 ( 耍) 8 0 c 1 9 0 k c 单片机有一套效率更高，执行速度更快的指令系统，可以对带 符号数和不带符号数进行操作，也可以直接进行1 6 位乘1 6 位和3 2 位除1 6 位 的乘除指令。其特有的操作数指令大大提高了指令的效率。当采用1 6 m h z 外接 晶振时，一条指令的最短执行时间为0 2 5 u s ，1 6 位乘1 6 位只需1 7 5u s ，3 2 位除1 6 位只需3u s 。再加上其独特的高速输入和输出口，不受c p u 干预，与 c p u 并行工作，可以很方便地来预测和进行脉冲输出等。 8 0 c 1 9 6 k c 单片机新增加了一个外设事务服务器p t s ( p e r i p h e r a l t r a n s a c t i o ns e r v e r ) ，可大大降低了中断服务的丌销，用p t sa d 模式可以大 大提高采样的速率。 8 0 c 9 6 k c 中的定时器2 既可由外部时钟提供时钟，也可以由内部提供时 钟。内部时钟周期可以为1 个状念周期或8 个状念周期，由软件来选取，免除 了8 0 c 1 9 6 k c 单片机只能由外部时钟提供记数信号的单一性。 8 0 c 1 9 6 k c 具有三个p w m ( 脉冲调制) 输出，并且可以对所有的高速输出 引脚h s o 同时寻址。8 0 c 1 9 6 k c 内部具有两个1 6 位定时计数器、一个1 6 位定时 第二章励磁控制器设计 监视器和4 个软件定时器，可以较好的满足各种要求。 ( i ) 8 0 c 1 9 6 k c 中的a d 转换器具有8 个转换通道，并自带一个采样保持器。 除了可采用1 0 位a d 转换方式外，还可以采用8 位a d 转换方式，以加快其转 换过程。此外8 0 c 1 9 6 k c 还可以对采样时间和转换时间进行选择。 ( 亘) 8 0 c 1 9 6 k c 单片机具有全双工串行通讯口，可以方便实现与电厂计算机监 控系统的前台机实现通讯。 ( 2 ) 6 2 6 4 r a m 存储器芯片简介 r a m 6 2 6 4 是8 k x 8 位的静态随机存储器芯片，c m o st 艺制作，单一+ 5 v 供 电，额定功耗2 00 n l w 典型的存取时间为2 0 0 n s ，2 8 脚双列直插式封状，用于存 储中间结果和数据信息。地址线为a 0 k 1 2 ，d 0 d 7 为8 位数据线，有两个片 选端c e i 、c e 2 ，o e 、w e 为读、写信号线。 ( 3 ) 2 7 2 5 6 e p r o m 存储器 e p r o m 2 7 2 5 6 是3 2 k 8 程序存储器芯片，地址线有a 0 a 1 4 ，共1 5 根，数 据线d 0 d 7 ，输出允许控制线c e ，2 8 引脚双列直插式封装。 3 触发单元 在我们设计的励磁调节器中，功率单元采用三相全控桥式整流电路。全控 整流桥工作时，晶闸管元件依一定次序导通，为此必须对晶闸管元件施加触发 脉冲，这是由触发单元实现的。其任务是产生相位可调脉冲，经脉冲放大电路 放大后去触发整流桥中的可控元件，使其触发角口随着综合放大单元输出控制 电压的大小而改变，从而自动调节发电机励磁电流，达到稳定发电机端电压的 目的。所以脉冲触发电路应满足以下要求： 各相触发脉冲必须与受控的晶闸管主电路的电源同步，维持一定的相位 关系。 对每个桥臂的晶闸管元件提供触发脉冲，要求触发脉冲具有陡峭的前沿， 脉冲宽度大于6 0 度或采用双脉冲触发。 控制角的移相范围在1 0 0 到1 5 0 0 之间，以保证发电机强励和逆变灭磁的 需要。 为了便于同c p i j 接口，移相触发角度的改变应直接由c p u 写入数字的方 法来实现。 具有失脉冲检测能力。 触发单元主要由同步信号尘成电路、数字移相和脉冲形成等环节组成。 ( 1 ) 同步信号整形电路设计 图2 - 6 为同步信号整形电路，其功能是把输入到v ，。的低压交流电经过一定 的移相，在输出端u 0 得到一个方波信号。其输入输出波形见图2 7 ，其中曲线1 第二章励磁控制器设计 为输入波形，曲线2 为输出波形。 v 2 o - 1 图2 7 同步输入输出信号波形 ( 2 ) 数字移相和脉冲形成 1 ) 数字移相 数字移相的目的就是把计算机计算出的控制角口折算成对应的脉冲个数， 由移相和脉冲形成单元发出晶闸管的触发脉冲。对于传统的模拟励磁控制器， 其移相回路多采用同步锯齿波与控制电压相比较，确定触发时刻的线性移相触 发回路和按余弦同步电压与控制电压的比较确定触发时刻的余弦移相触发回 路；数字式励磁控制器中，移相触发回路的控制电压以数字形式表示的信号。 数字脉冲移相触发环节由软件完成触发，它的触发方式一般为两种：线性移相 方式和余弦移相方式。线形移相方式的特点是控制电压u r 与触发角呈线性关 第二章励磁控制器设计 系，但控制电压和励磁电压不是线性关系；余弦移相方式中正好相反，控制器 的控制电压u 。和励磁电压为线性关系，但u 。和触发角并不是线性关系。二者比 较而言，由于余弦和反余弦函数是超越函数，需要进行浮点数运算或者用查表 法及泰勒级数展开法进行运算，对于采用8 0 c 1 9 6 k c 的处理器需要占用较长的运 算时间或内存，这样对于软件实现增加了复杂性，而采用线性移相则不存在此 问题。因此采用线性移相环节】。 2 ) 触发方式 对于采用8 0 c 1 9 6 k c 由高速输出口h s o 的事件触发功能输出六路脉冲的方 案，数字移相的硬件实现的原理是用8 0 c 1 9 6 k c 内部的1 6 位定时器t l 循环计数 器作为时间基准，每个工频周期以同步信号时间与计时标准相关联，再将计算 得到的触发角换算触发时间间隔与同步信号之和送入到h s o 中的c a m 阵列，由 h s o 中的比较器与当前时间比较，两者数值相同时，产生h s o 执行中断，使六个 输出脚中的对应引脚输出触发脉冲，经过脉冲宽度所需时间后，触发脉冲消失。 这样触发时间被循环的送入c a m ，h s o 就会在规定时间输出触发脉冲。 4 数据采集单元 数据采集单元主要由模拟量输入信号调理和数据采集及两个单元构成。 ( 1 )模拟量输入信号的调理 该单元主要是将待测的模拟量变换成计算机可以直接处理的电参量信号。 模拟信号输入调理单元输入参量主要有定子三相电压, i 。、”。，定子三相电 流f 。、f ，励磁电流，。 为了提高采样精度减少硬件投入，本文采用了交流采样法。主要是利用交 流采样接口把发电机电压互感器二次侧的电压和电流互感器的二次侧电流经中 间变压器或中间变流器转换成与其成比例的、幅值较低的、a d 转换器可以接受 的电压信号，单片机直接对这些信号进行采样，并计算出当时的u 、i 、p ，q 等 参数的值。交流采样所用硬件较少，实时性好，相位失真小，信号处理灵活， 投资少，运行可靠，便于维护。 在模拟输入信号调理单元含有c t 、p t 及相关芯片构成的电路，分别将1 0 0 v ， 5 a 的强电信号转换成峰值为5 v 左右的交流信号，另有霍耳电流传感器构成的励 磁电流测量电路，将励磁电流转换成o 5 v 的电压信号供a d 采样用。电压互 感器经中| 、日j 变压器转换成峰值为5 v 左右的交流电压信号。c t 、f r r 的接线图如图 2 8 所示。 第二章励磁控制器设计 u a u s l i e i i ，、，、 - j 。 l ，一、，一、 l 。 1 f u | | 垫 l r j c 啦 爿。 p t 赶上 图2 8p t 、c t 接线图 图2 - 9 模拟量输入信号的变换通道 将采集到的低压交流信号，必须经过转换成直流电压信号后才能输入到单 片机的a d 转换口。如图2 - 9 所示，模拟量输入变换通道的功能是提供一个计 算机可采样的标准模拟信号，它包括幅值的交换、滤波直流偏置和限幅保护三 部分。 测量转子电流的电路如图2 ，1 0 所示。该电路由霍尔传感嚣等构成，工作原 理是：励磁电流穿过电流传感器后，由传感器的输出端流出与励磁电流成比例的 测量电流，。，让，。流过精密的测量电阻月，便可以得到合适的电压信号，直接送 到单片机a d 转换通道。 第二章励磁控制器设计 图2 1 0 励磁电流测量原理图 ( 2 ) 数据采集 为了实现对发电机励磁的调节与控制，在控制器中需要输入与发电机运行状 态有关的参数，这些数据将直接影响控制系统的稳定，因而数据采集环节是实现 系统正常工作的重要环节。根据采样信号的不同，采样分为直流采样和交流采样。 对于直流采样，它是通过电量变送器整流后的直流量，这种方法软件设计简 单，计算方便，便于滤波，对采样信号只需作一次比例变换即可得到被测量的数 值，采样周期短，但它不能及时反映被测量的突变，有较大的时间常数，测量谐 波有误差，投资较大，维护复杂，因而在电力系统中的应用受到限制。 交流采样是直接对变换好的5 v ( 或o 5 v ) 交流信号进行采样，主要优点是 实时性好，相位失真小、投资少，便于维护：其缺点是算法复杂、精度难以提高。 但是随着微机技术和微电子的高速发展，交流采样以其优异的性能价格比，呈现 出逐步取代直流采样的趋势。 在大部分由单片机构成的数据采集系统中，通过定时中断的方式对工频5 0 h z 的电压信号进行均匀采样。由于电网中频率波动和谐波分量的存在，普通中断时， c p u 要执行保护断点转入中断服务、保护现场、恢复现场、返回等一系列操作， c p u 开销很大。这样在c p u 任务较重或采样数据较多时，对被测量精度和准确度 都有一定的影响。而充分利用i n t e l 8 0 c 1 9 6 k c 单片机本身特有的一种外设服务器 功能，结合c d 4 0 4 6 锁相环的具体应用，大大简化了外围电路硬件，提高了数据采 集系统的精度和可靠性。 外设服务器p t s 原理1 1 2 j i n t e l 8 0 c 1 9 6 k c 单片机的外设服务器( p e r i p h e r a lt r a n s a c t i o rs e r v e r ) 利用其内部的微代码执行操作，对中断可提供一种类似于计算机d m a ( 直接存储 器访问) 的响应，它把一个中断映射到相应的p t s 通道，由该通道产生一个p t s 周期，p ? s 周期就像d 姒周期那样插入到讵常指令流中，不需要额外的软件丌支， 大大增强了c p u 的中断事物处理能力。文献 1 2 进行了详细的介绍。 锁相倍频电路 工频电源的一个周期原则上是2 0 m s ，但由于电网状况的变化，经常出现其 第二章励磁控制器设计 周期不等于2 0 m s 的情况。为了消除基波频率波动的影响，在基波频率波动的影 响，在基波频率出现波动时实现均匀采样，只要该频率是工频的倍频，则每一个 倍频后的脉冲即可以代表固定的电角度；若倍频频率很高，则计算机对电角度的 分辨率也很高，可以增加采样点数；若该倍频脉冲是与工频电源的相位是严格锁 定的，则这种方案可以从原理上消除电网频率不稳定造成的采样误差，其原理如 图2 - 1 1 所示。 在图2 - 1 1 中，工频信号与分频电路输出的5 0 h z 左右的锁定方波一同进入鉴 相器进行比较相位。鉴相器输出的比较结果中包含偏差电压成份，经环路滤波， 产生控制电压，加在压控振荡器输入端；其产生的振荡输出经分频电路后变为方 波重新进入鉴相器，与工频信号进行比较相位。当两个相位差偏离标准时，环路 滤波器必然输出偏差校正电压使压控振荡器产生频率变化，以使两个信号相位锁 定在标准位置。由于压控振荡器处于该闭环系统中，在两个信号被锁定后，其压 控振荡器输出的震荡频率必然是工频的整数倍。 图2 - 1 1 工频信号锁相原理框图 频率跟踪电路由专用集成锁相芯片c d 4 0 4 6 和分频芯片c d 4 0 4 0 组成，以实现 工频信号的锁相倍频，分频比为1 4 0 9 6 。在工频信号恰好为5 0 h z 的情况下，该 电路的锁相倍频为5 0 x 4 0 9 6 = 2 0 4 8 k h z ，相当于一个工频周期内有4 0 9 6 个脉冲。 因为8 0 c 1 9 6 k c 的内部定时器是上、下跳变均计数，在3 6 0 度的电角度内共有8 1 9 2 个跳沿，相当于每个跳沿代表0 0 4 4 电角度。频率跟踪锁相电路接线图如图2 1 2 所示。 第二章励磁控制器设计 工臻电匿信号d w 母“丰。 。pml0c mr 3 岫 了一 m c l科 习乒 i s t0 5 1 一 m 啦 c l 口7 乜亍耄 砒 掣广 鼬 1 3 n ，l谚 1 2 z - c t t q t 0 n 彻 q l i l s 专 p b q 1 2 p h 。o o i! ! 坚 图2 - 1 2 频率跟踪锁相电路图 4 开关量输入输出单元 开关量输入主要由面板控制输入、命令及故障输入、脉冲检测输入三个单元， 开关量输出主要有调节器工作状态输出单元。 ( 1 ) 面板控制输入单元 面板控制输入单元有以下几个开关量，即增励、减励等信号。主要由光电隔 离电路及发光二极管等元件构成。如图2 1 3 所示。 图2 1 3 增磁、减磁按钮电路 p 1 5 p 1 6 ( 2 ) 命令及故障信号输入单元 命令及故障信号输入主要有以下几个开关量，即开机令、停机令、转速大 于9 5 信号、发电机变压器出口断路器辅助触点合闸状态信号。该单元主要由 光电隔离电路等组成。 ( 3 ) 脉冲检测输入单元 脉冲检测输入单元有6 个丌关量，即+ a 、c 、+ b 、a 、+ c 、b 信号，分 别由触发脉冲检测电路引入。 第二章勋磁控制器设计 ( 4 ) 开关量输出 开关量输出主要有控制器工作状态输出单元。该单元主要输出以下几个开 关量，控制器故障信号、电压互感器断线信号、强励限制动作信号、欠励限制 动作信号、电压频率限制动作信号等。 5 人机接口单元 键盘输入单元主要是由拨盘开关进行参数设定。面板上6 个发光数码管和7 个l e d 显示灯由7 片串入并出移位寄存器7 4 l s l 6 4 驱动用p i 0 和p 1 1 模拟 t x d 和r x d 方式来驱动7 4 l s l 6 4 。这是一种静态显示方案，每周渡刷新一次， 具有输出稳定、亮度高、占用c p u 时间少等优点，引线只有三根，可以方便实 现远方显示功能。 r 。 v cc 2 - 1 4 脉冲放大电路 一 i - _ zx v t 2；v r az 弧占“ 由r f 、 -_ _ l ， 、e b u f 一 ， x e c = = c ， _ l ， 一 _ - 一 2灿2z x - v t 2 2 3 2 脉冲放大单元 图2 15 二相全控桥可控辞整流电路图 g k 脉冲形成单元输出的只是5 0 u s 左右的双窄脉冲，还不足以触发晶闸管。因 此必须设计脉冲放大电路，如图2 1 4 所示，诙电路可向晶闸管提供| 1 沿陡、触 发功率足够的触发脉冲。图中t 为脉冲变压器，它起阻抗变换和与