同步发电机励磁自动调节系统设计.

1、同步发电机励磁自动调节系统设计 第5页（共37页） 单片机在同步发电机励磁系统触发电路中的应用 系别 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 负责教师 2013年6月 摘要 本文介绍了同步发电机励磁系统，了解了励磁系统是否可靠直接影响发 电机的安全运行和电网的稳定， 而根据实际情况选择正确的励磁系统是其可 靠和稳定的前提。 本文主要是对同步电机励磁系统的硬件软件设计，硬件方面主要介绍芯 片的选择及其特点以及电路中各个功能模的构造； 软件方面通过软件设计流程 图、CPU初始化的研究、数字转换的处理、驱动程序等设计。从整体结构、硬 件特性、软件编程等方面来综合叙述励磁系统的工作原理，自此完成单片

2、机在 同步发电机励磁系统触发电路中的应用的目的。 关键词：励磁系统；同步电机；单片机；触发电路 Abstract This paper introduces the excitation system of synchronous generator, the excitation system is reliable or not directly affect the safe operation of generator and power system stability, and choose according to the actual situation of the exci

3、tation system is the premise of correct and reliable. This paper is the hardware and software design of the excitation system of synchronous motor, structure design, the hardware of microcomputer excitation regulator through the MSP430 Series MCU program ming; software through software design flow c

4、hart, CPU initialization methods, digital conversion processing, drive program desig n fin ally to complete the MCU in the synchronous gen erator excitati on system trigger the application purpose of circuit Keywords: Excitation system; synchronous motor; MCU; trigger circuit 1 绪论 5 1.1同步发电机励磁系统介绍 5

5、 1.2直流励磁机励磁系统 5 1.3半导体励磁系统 6 1.3.1静止式半导体励磁系统 6 1.3.2旋转式半导体励磁系统 8 1.4研究目的和意义 9 1.5 国内外现状和发展趋势 9 1.5.1 励磁功率系统的发展 9 1.5.2 励磁调节器的发展 11 1.6本课题研究的内容及技术可行性 11 2系统硬件设计 12 2.1微机励磁调节器的硬件结构 12 2.2 MSP43C系列单片机简介 15 2.3各部分硬件连接图 16 2.3.1 开关量信号处理电路 16 2.3.2 模拟量信号处理电路 19 2.3.3 输入正弦波转为方波信号处理电路 27 2.3.4 移相触发脉冲输出电路 28

6、 2.3.5 脉冲功率放大电路 29 2.3.6 数码管显示电路 30 3系统软件设计 31 3.1软件设计流程图 31 3.1.1主程序流程图 24 3.1.2终端服务程序流程图 25 3.2 CPU的初始化 25 3.3数码管驱动芯片MAX721啲驱动程序 27 3.4数字转换的处理 28 3.5测量信号的采集与求取 30 3.5.1模拟信号的转换算法 30 3.5.2 A/D转换的实现 32 4全文总结 34 参考文献 39 致谢 38 同步发电机励磁自动调节系统设计 1绪论 1.1同步发电机励磁系统介绍 向同步发电机的转子励磁绕组供给励磁电流的整套装置叫做励磁系统。励磁 系统是同步发电

7、机的重要组成部分，它的可靠性对于发电机的安全运行和电网的 稳定有很大影响。发电机事故统计表明发电机事故中约 1/3为励磁系统事故，这 不但影响发电机组的正常运行而且也影响了电力系统的稳定，因此必须要提高励 磁系统的可靠性，而根据实际情况选择正确的励磁方式是保证励磁系统可靠性的 前提和关键。电力系统同步发电机的励磁系统主要有两大类，一类是直流励磁机 励磁系统，另一类是半导体励磁系统。 1.2直流励磁机励磁系统 直流励磁机励磁系统是采用直流发电机作为励磁电源，供给发电机转子回路 的励磁电流。其中直流发电机称为直流励磁机。直流励磁机一般与发电机同轴， 励磁电流通过换向器和电刷供给发电机转子励磁电流，

8、形成有碳刷励磁。直流励 磁机励磁系统又可分为自励式和它励式。 自励与他励的区别是对主励磁机的励磁 方式而言的，他励直流励磁机励磁系统比自励励磁机励磁系统多用了一台副励磁 机，因此所用设备增多，占用空间大，投资大，但是提高了励磁机的电压增长速 度，因而减小了励磁机的时间常数，他励直流励磁机励磁系统一般只用在水轮发 电机组上。 第7页（共37页） 图1自励直流励磁机励磁系统原理接线图 上图中LH电流互感器YH电压互感器F同步发电机FLQ同 步发电机的励磁线圈 L直流励磁机LLQ直流励磁机的励磁线圈Rc可调电阻 采用直流励磁机供电的励磁系统，在过去的十几年间，是同步发电机的主要 励磁系统。目前大多数

9、中小型同步发电机仍采用这种励磁系统。长期的运行经验 证明，这种励磁系统的优点是：具有独立的不受外系统干扰的励磁电源，调节方 便，设备投资及运行费用也比较少。缺点是：运行时整流子与电刷之间火花严重， 事故多，性能差，运行维护困难，换向器和电刷的维护工作量大且检修励磁机时 必须停主机，很不方便。近年来，随着电力生产的发展，同步发电机的容量愈来 愈大，要求励磁功率也相应增大，而大容量的直流励磁机无论在换向问题或电机 的结构上都受到限制。因此，直流励磁机励磁系统愈来愈不能满足要求。目前， 在100MW及以上发电机上很少采用。 1.3半导体励磁系统 半导体励磁系统是把交流电经过硅元件或可控硅整流后， 作

10、为供给同步发电 机励磁电流的直流电源。半导体励磁系统分为静止式和旋转式两种。 1.3.1静止式半导体励磁系统 静止式半导体励磁系统又分为自励式和它励式两种。 1自励式半导体励磁系统 自励式半导体励磁系统中发电机的励磁电源直接由发电机端电压获得，经过 控制整流后，送至发电机转子回路，作为发电机的励磁电流，以维持发电机端电 压恒定的励磁系统，是无励磁机的发电机自励系统。 最简单的发电机自励系统是 直接使用发电机的端电压作励磁电流的电源， 由自动励磁调节器控制励磁电流的 大小，称为自并励可控硅励磁系统，简称自并励系统。自并励系统中，除去转子 本体极其滑环这些属于发电机的部件外， 没有因供应励磁电流而

11、采用的机械转动 或机械接触类元件，所以又称为全静止式励磁系统。下图为无励磁机发电机自并 励系统框图，其中发电机转子励磁电流电源由接于发电机机端的整流变压器ZB 提供，经可控硅整流向发电机转子提供励磁电流， 可控硅元件SCR由自动励磁调 节器控制。系统起励时需要另加一个起励电源。 起勵阮件 无励磁机发电机自并励系统的优点是：不需要同轴励磁机，系统简单，运行 可靠性高；缩短了机组的长度，减少了基建投资及有利于主机的检修维护；由可 控硅元件直接控制转子电压，可以获得较快的励磁电压响应速度； 由发电机机端 获取励磁能量，与同轴励磁机励磁系统相比， 发电机组甩负荷时，机组的过电压 也低一些。其缺点是：发

12、电机出口近端短路而故障切除时间较长时，缺乏足够的 强行励磁能力对电力系统稳定的影响不如其它励磁方式有利。由于以上特点，使 得无励磁机发电机自并励系统在国内外电力系统大型发电机组的励磁系统中受 到相当重视。 2它励式半导体励磁系统 它励式半导体励磁系统包括一台交流主励磁机 JL和一台交流副励磁机FL， 三套整流装置。两台交流励磁机都和同步发电机同轴， 主励磁机为100HZ中频三 相交流发电机，它的输出电压经过硅整流装置向同步发电机供给励磁电流。副励 磁机为500HZ中频三相交流发电机，它的输出一方面经可控硅整流后作为主励磁 机的励磁电流，另一方面又经过硅整流装置供给它自己所需要的励磁电流。自动

13、调励的装置也是根据发电机的电压和电流来改变可控硅的控制角，以改变励磁机 的励磁电流进行自动调压。 它励式半导体励磁系统的优点是：系统容量可以做得很大，励磁机是交流发 电机没有换向问题而且不受电网运行状态的影响。缺点是：接线复杂，有旋转的 主励磁机和副励磁机，启动时还需要另外的直流电源向副励磁机供给励磁电流。 这种励磁系统多用于10万千瓦左右的大容量同步发电机。 1.3.2旋转式半导体励磁系统 在它励和自励半导体励磁系统中， 发电机的励磁电流全部由可控硅 （或二极 管）供给，而可控硅（或二极管）是静止的故称为静止励磁。在静止励磁系统中 要经过滑环才能向旋转的发电机转子提供励磁电流。滑环是一种转动

14、接触元件。 随着发电机容量的快速增大，巨型机组的出现， 转子电流大大增加，转子滑环中 通过如此大的电流，滑环的数量就要增加很多。为了防止机组运行当中个别滑环 过热，每个滑环必须分担同样大小的电流。 为了提高励磁系统的可靠性取消滑环 这一薄弱环节，使整个励磁系统都无转动接触的元件，就产生了无刷励磁系统， 如图4所示。 图4无刷励磁系统原理接线图 同步发电机励磁自动调节系统设计 副励磁机FL是一个永磁式中频发电机，其永磁部分画在旋转部分的虚线框 内。为实现无刷励磁，主励磁机与一般的同步发电机的工作原理基本相同，只是 电枢是旋转的。其发出的三相交流电经过二极管整流后，直接送到发电机的转子 回路作励磁

15、电源，因为励磁机的电枢与发电机的转子同轴旋转，所以它们之间不 需要任何滑环与电刷等转动接触元件，这就实现了无刷励磁。主励磁机的励磁绕 组JLLQ是静止的，即主励磁机是一个磁极静止，电枢旋转的同步发电机。静止 的励磁机励磁绕组便于自动励磁调节器实现对励磁机输出电流的控制，以维持发 电机端电压保持恒定。无刷励磁系统的优点是：取消了滑环和碳刷等转动接触部 分。缺点是：在监视与维修上有其不方便之处。由于与转子回路直接连接的元件 都是旋转的，因而转子回路的电压电流都不能用普通的直流电压表、直流电流表 直接进行监视，转子绕组的绝缘情况也不便监视，二极管与可控硅的运行状况， 接线是否开脱，熔丝是否熔断等等都

16、不便监视，因而在运行维护上不太方便。 1.4 研究目的和意义 近年来，随着电力系统的发展，大机组的出现， 要求励磁调节器具有更高的 技术经济指标、更加完善的控制功能。早期的机电型调节器、电磁型调节器、 半导体调节器都越来越不能适应当今同步发电机励磁自动调节系统的发展。目 前，由于大规模集成电路和微机技术的迅猛发展，由硬件和软件组成的微机调节 器己成为今后的发展方向。 优良的励磁调节系统有能提高系统的静稳定储备，防止励磁过分降低，提高 继电保护灵敏度，快速灭磁等功能，能较好地使电力系统在稳定状态下运行并有 较强的抗干扰能力。本系统采用MSP4300F14单片机为主控芯片，设计的微机励 磁调节器将

17、会作为励磁自动调节系统发展的一个新的方向。 1.5 国内外现状和发展趋势 1.5.1 励磁功率系统的发展 50年代初期，汽轮发电机的励磁主要是采用直流励磁机系统。直流励磁机 的容量受机械强度和换向电压等电气参数的影响，其最大功率取决于 n P=1.8 X 106(1-1) 式中P 直流励磁机的最大功率，kW n直流励磁机的转速，r/min 由于直流励磁机与汽轮发电机同轴旋转，即n=3000 r/min，则励磁机的最 大功率P为600kW 对于励磁功率大于600kW的汽轮发电机，无法采用同步直流励磁机系统。 后 来，交流励磁系统逐渐发展起来。 在交流励磁系统的发展过程中，先后出现了他励交流励磁机

18、系统，自励和自 复励静止励磁系统。 第13页(共37页) IaerP 图i-i他励旋转硅整流励磁系统 图i-i所示为交流励磁机系统，其励磁功率电源可靠，不受电力系统或发电 机端短路故障的影响，即励磁功率电源取自发电机以外的独立的并与其同轴旋转 的交流励磁机，故称为他励。 他励交流励磁机系统比起直流机励磁系统，容量增大了，能提供较大功率。 在直流励磁系统之后很长一段时间内，他励交流励磁机系统占有很重要的地位。 由于他励交流励磁机系统仍有转动部分，维护不方便，且与发电机同轴，增大了 发电机和厂房体积，使投资大大增加，不利于今后的发展，于是自励和自复励静 止励磁系统便发展起来。 E L G 图1-2

19、自励可控硅静止励磁系统 图1-2中所示的自励可控硅励静止励磁系统， 其励磁功率电源米用发电机静 止变压器作为电压源，或采用发电机系统静止的变流器作为电流源。由电压源或 电流源构成的励磁系统，统称为自励静止励磁系统；由电压源和电流源复合构成 的励磁系统，称为自复励静止励磁系统。自复励静止励磁系统的优点是：具有相 复励作用，减轻了调节器的负担，增加了快速性；取消了励磁机，加快了调节速 度，对提高电力系统稳定性有利；整个系统没有旋转设备，维护简单。 1.5.2 励磁调节器的发展 励磁调节器是励磁控制系统的智能部件， 它是根据发电机端电压和电流的变 化对机组励磁产生校正作用的装置，用来在正常情况和故障

20、情况下励磁的自动调 节。 早期的调节器为振动型和变阻器型，都具有机械部件，称为机电型调节器。 由于它不能连续调节，响应速度慢，并有死区，早己被淘汰。 上世纪50年代以来，磁放大器出现后，电力系统广泛采用磁放大器和电磁 元件组成的电磁型调节器。由于磁放大器具有时滞性，调节速度慢，但可靠性高， 通常用于直流励磁机系统。 上世纪60年代初期，随着半导体技术的发展，电力系统开始采用由半导体 元件组成的半导体调节器。由于半导体元件几乎没有时滞，功率放大倍数也较高， 因此半导体调节器调节速度较快。 近年来，随着电力系统的发展，大机组的出现，要求调节器具有更高的技术 经济指标、更完善的控制功能。 目前，由于

21、大规模集成电路和微机技术的迅猛发展，由硬件和软件组成的微 机调节器己成为今后的发展方向。 1.6本课题研究的内容及技术可行性 励磁调节系统的主要任务可归为:(1)保持发电机在运行中电压恒定；(2)在 并列运行中，调节无功功率的分配;(3)提高同步发电机并列运行的稳定性。 当发电机运行时，保持端电压恒定是励磁调节中最基本的动作，影响电压变 化的干扰主要来自三个方面，即：1.负荷的变化;2.转速的变化;3.发电机励磁系 统的温度变化。在发电机正常运行时，励磁系统应维持发电机端电压在给定水平。 为保证发电机端电压恒定，必须随发电机负荷电流的大小相应调整发电机励磁电 流。 另外，在电力系统暂态过程中，

22、维持发电机的端电压恒定有利于维持电力系 统的电压水平，使电力系统的运行特性得到改善。当电力系统发生甩负荷、短路 切除、重负荷线路合闸等现象时，可能造成电压升高加快或大量无功缺额等现象， 自动励磁调节能减小这种现象，使电力系统的运行特性得到改善。 因此励磁调节 系统应具备强行励磁、强行减励等功能。 本文将通过设计制作来揭示本励磁调节器的强大功能及准确、快速的控制特 性。在以后章节中主要通过两个个方面来介绍： 1、 硬件设计：主要介绍芯片的选择及其特点以及电路中各个功能模的构造 ； 2、系统实现:从整体结构、硬件特性、软件编程等各个方面来综合叙述本装 置是如何进行工作的。 由于现代电力系统对稳定性

23、、可靠性的要求越来越高，对励磁调节器性能的 要求也相应的提高了。因此在设计励磁调节器时应注意到以下几点： 1）励磁调节器应具有高度的可靠性及稳定性。 2）励磁调节器应具有良好的静态特性和动态特性。 3）励磁调节器的时间常数应尽可能小，响应速度快。 4）励磁调节器应结构简单、检修方便，并应尽量做到系列化、标准化、通用 化。 微型计算机以及体积小、功能强、运算速度快、可靠性高而逐渐受到人们的 重视。但现有的51及系列的单片机由于功能较少，使用起来不方便。本文是以 一种新型16位单片机-MSP430149为基础，研究开发其外围电子电路，制作一 种新型的微机励磁调节系统。它具有体积小、结构简单、功能强

24、大、可靠性高、 能方便地实现Pm算法等优点，应用在发电机励磁调节器上能取得较好的效果。 可以预见，在今后很长一段时间内，以MSP单片机为基础的发电机微机励磁调节 系统将得到更完善的发展。 2系统硬件设计 2.1 微机励磁调节器的硬件结构 发电机微机励磁系统主要由励磁变压器、微机励磁调节装置、可控硅整流桥、 转子过压保护与灭磁装置等构成。图 2-1为发电机微机励磁系统整体结构示意图。 图2-1发电机微机励磁系统整体结构 励磁变压器（ZB）是为发电机励磁系统提供能源的装置。根据电站的实际情况， 它的一次侧电源可取自电站厂用母线或发电机的出口端，可以采用Y/Y 12组别，但 对于副方电流较大的情况，

25、通常采用 丫/组别。另外，采用Y/接线还可以起到对 零序电流的隔离作用。当励磁变原边系统发生不对称故障时，零序电流不能流过副 边，能对副边设备起一定的保护作用。励磁变可配有差动保护和过负荷保护，可动 作于停机；瓦斯保护可动发出报警信号或跳闸信号。 电压互感器（PD是为测量部分提供合适测量电压的设备。由于发电机出口端的 电压很高，无法直接用测量装置来测量。电压互感器通过电感线圈原、副边的电压 转换，将高电压降低为一定范围的低电压，以供测量装置能适用的电压。 电流互感器（CT）的工作原理与电压互感器相似，是将大电流量转换为小电流量 的装置。 励磁调节器中所需要的电压、电流、波形等信号就是由电压互感

26、器和电流互感 器提供的。 微机励磁调节器硬件部分结构如图 2-2所示。它主要包括CPU部分，测量部 分，同步单元，（移相）触发单元，开关量输入输出接口，以及人机接口与通讯接 口等部分。 第15页（共37页） 同步发电机励磁自动调节系统设计 硕拟朗采1 搭禅B人 脉冲放大 頑盘显B 图2-1微机励磁调节器硬件框图示例 CPU及外围设备部分主要是为CPU的运行提供支持，包括晶振、E2 PROM电 源转换、JTAG接口等部件。 测量部分主要是将输入的电压、 电流等模拟量经过电平转换、滤波、整形等 处理之后送入CPU使之能进行运算。 微机励磁调节器为了实现调节控制、 运行限制、运行参量显示等功能，测量

27、 单元必须对有关的参数进行采集。微机励磁调节器需要采集的基本参量有： 1、发电机频率f ; 2、发电机机端电压U; 3、发电机主开关电网侧电压；4、 发电机励磁电流II或励磁电压UL ； 5.发电机有功功率P和无功功率Q等。 发电机频率f是电力系统稳定器（PSS）及最优励磁控制器（EOC）的重要状态 之一，并且与机端电压Uf一起构成V/HZ限制，在机组的起励控制、灭磁控制及 频率补尝或频率校正中起着重要作用。 发电机机端电压用于机端电压恒定调节， 采集电网电压的作用主要有两个:1. 在发电机起励时为发电机电压跟踪系统提供跟踪目标值，以简化操作和快速并 网;2.在机组并网后，与励磁PT电压和仪表

28、PT电压一起构成冗余容错结构。 发电机励磁电流几用于励磁电流恒定调节和过励限制。 发电机有功功率P是电力系统稳定器（PSS）及最优励磁控制器（EOC）的主要 状态量之一。无功功率 Q是无功功率稳定调节和实现无功电流补尝所必须的参 量。此外，有功功率P和无功功率Q还一起在最小励磁限制中决定低励磁限制线。 电压、电流、功率信号是进行励磁调节的依据和基准，可以根据需要来进行 发电机的衡压、衡功率因数等方式的调节。各个参数的测量方法将在第五章里详 细介绍。 同步单元是为励磁调节器提供同步电压的部分，它将正弦波转换为方波后经 光电隔离后与其它开关量信号一样送入 CPU的1/0接口。 人机接口主要包括数码

29、管和按键，可以显示励磁系统工作状态或显示输入的 参数，如输入Pm参数，增加/减小励磁命令，显示发电机电压、电流信号等。 触发单元是控制可控硅输出的关键部分，包括脉冲产生和脉冲放大部分。CPU 经过对采集来的信号进行运算处理，发出控制脉冲，可以调节可控硅的输出电压。 通讯部分是微机励磁系统和外界其它微机装置交流的桥梁。 它可以把本机的 工作状态、参数传送出去，同时也可以接收其它微机装置送入的信号。 对于现在 日益发展的无人值班、少人值守的工作模式，通讯部分的作用显得尤为重要。 可控硅整流桥为发电机励磁绕组提供了工作电流，是励磁装置中的功率部 分。通过输入的触发脉冲的触发角的不同，可以使可控硅输出

30、电压变化，从而控 制发电机励磁绕组的电流大小。 转子过压保护与灭磁装置是发电机的保护装置。当发电机出现异常或故障时 转子过压保护与灭磁装置发出跳闸信号或灭磁信号，使发电机免受损害。 2.2 MSP430系列单片机简介 MSP43C系列单片机是TI公司生产的超低功耗类型的16位单片机，它将大 量外围模块整合到片内，使得外围电路的设计简单、高效。 本微机励磁调节装置 所选用的型号是MSP430F14,现将其主要特点介绍如下。 在超低功耗方面，MSP430F14单片机能够实现在1.8-3.6V电压、1MHz的时 钟条件下，耗电电流在0.1 -400p.A之间，使芯片的发热量尽可能小，保证了芯 片的正

31、常工作。 在运算速度方面，MSP430F14单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns 的指令周期。16位的数据宽度，125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配 合，能简化程序，大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算，使得 处理速度大大加强。 在整合方面，MSP430F149单片机将大量的CPU外围模块集成在了片内，有 如下一些模块： 看门狗(WDT) 定时器A( Timer_A) 定时器B (Timer_B ) 串口 0、1 (USART0 1) 硬件乘法器12位ADC 端口 P1-P6 PWM 其中，定时器A, B均带有多个捕获/比较寄存器，同时实现多路 PWM输出； 模

32、拟比较器与定时器配合，可方便地实现 D/A转换;硬件ADC莫块能在小于lops 的速率下实现12位的高速、高精度的A/D转换，同时提供采栩保持与参考电压； 端口 PI, P2能够接收外部是升沿或下降沿的中断输入。 在存储器方面，MSP430F14单片机兼有2KRAM及 60KROM程序通过JTAG接 口写入单片机，简单快捷。 另外，MSP430F14单片机片内还有16个16位通用工作寄存器，多达24个 的中断向量，兼有汇编语言/C语言等开发语言，在很大程度上方便了用户。 2.3各部分硬件连接图 2.3.1 开关量信号处理电路 2.3.1.1 输入量 由于MSP芯片的工作电压为3.3V，因此CP

33、U芯片与一般5V工作电压的芯片 不能进行直接接口，需要将输入电压信号转换为3.3V后才能与CPUS行接口。 输入的信号为了将5V信号转换为3.6V，同时为了提高抗干扰能力，将每路 信号经过光祸隔离后送入74HC541的输入端。电路图如图2-2所示。 DVCC OUT 图2-2电平转换电路图 输入信号“ in ”为5V。当没有输入信号时，发光二极管不亮，三极管截止， 输出信号“ out ”为3.3V;当输入信号到来时，光藕导通，输出信号变为OV这 样就成功地将5V信号转换为3.3V信号，实现了 CPU与外围输入电路的接口。 按键输入是开关量信号的一种，它也是通过光祸隔离后送入CPU这里设置 了

34、4个按键，分别定义为：增加励磁、减少励磁、开始、停止。当按键按下后， 信号由高电平变为低电平，即低电平为按键的有效电平。此时按键信号通过 第15页(共37页) 同步发电机励磁自动调节系统设计 74HC541送入CPU由软件进行按键信号识别处理。 74HC541是三态输出8进制总线缓冲器，其内部结构图及真值表如图 3-6所 示。 片选信号取自经GA.L16V8译码后信号。当片选信号为高电平时输出为高阻 抗，片选信号为低电平时芯片被选中。在74HC541的输入端上接了一个排电阻 PR301O它是一排上拉电阻，即将每一路输入信号都接上一个上拉电阻，公共端 是电源。因为74HC541的输入信号来自光藕

35、的输出端，在光祸导通时排电阻起限 制电流的作用。输入的开关量信号经 74HC541缓冲后送入CPU电路图如图2-3 所示。 HC541 TRUTH TABLt impiJt OUTPUT G1 Yrt (HCMn . .二：料二二 X X X X z L H H L L iE- 图2-3 74HC541的结构图及真值表 扯疋3415蔚|7肉 2D 12 3 5 7 fis- o- ftv -S 图2-4 I/O 扩展芯片74HC541接线 2.3.1.2 输出量 输出开关量主要是用来驱动发光二极管和继电器，以显示微机装置的运行状 态。由于单片机芯片本身带负载能力有限，不能直接驱动二极管，因此要

36、用带负 载能力强的芯片，这里选用了 74LS574,片选信号为OUTO-OUT2其中OUT0与 OUTI选中的芯片驱动发光二极管，OUT2选中的芯片驱动继电器。由于二极管功 率小，可以直接用74LS574驱动。将74LS574的输出脚接二极管的阳极，当74LS574 输出高电平时发光二极管截止，当 74LS574输出低电平时发光二极管导通发光。 这种采用芯片灌电流的方法来导通发光二极管主要是因为芯片承受灌电流的能 力比其提供输出电流的能力要强，能同时导通多个发光二极管而不使芯片过载。 GXD OUTI DO 2 bi D2 D3 EH * D5 D6 07 D D D D D D D 1_2O

37、J45678 74LS574 QQQQQQQQ 16 LG4 15 L05 14 LOd 13 L07 12 LOS 图 2-5 I/O 扩展芯片74LS574接线 由于继电器的功率大，工作电流超出了74LS574能承受的范围，所以用 74LS574仍然不能直接驱动它，同时为了抗干扰，将控制继电器的74LS574输出 端口通过光祸后接NPN三极管的基极，使三极管工作在饱和区，相当于一个开关 管。即当基极有信号时三极管导通，基极无信号时三极管截止，选工作电流为 0.6A左右的三极管就可以驱动继电器了。继电器线圈在断电瞬间通常有个冲击 电流尖峰，这个尖峰往往会损坏与之相连的元件。为了使继电器在动作

38、后能将剩 余的能量安全释放，应在继电器线圈上并联一个续流二极管，极性与线圈电源极 性相反。当继电器通电时，由于续流二极管极性与电源相反，二极管截止；当继 电器断电后，线圈中残余的能量便通过续流二极管释放出来。 接线如图3-9所示, 当CPU无输出信号时，RELO为高电平，光祸不导通，继电器线圈无法吸合，输 出触点JI+, J1 一不闭合；当CPU!出低电平时，光祸的发光二极管导通，输出 脚3便有了电流，于是继电器线圈吸合，输出触点Jl+, J1 闭合，便能向外输 出出开关量信号。 图2-6继电器输出电路 2.3.2 模拟量信号处理电路 采集的模拟量信号有电压信号和电流信号， 它们的采集方法相似

39、，从电压互 感器与电流互感器采集的信号经过处理后送入 CPU这里以机端电压信号为例来 介绍模拟量的采集。 2.3.2.1 电压互感器信号的转换 采集的电压信号为电压互感器送入的三相电压信号，一般电压互感器的原、 副边均为星形接法，因此采集的电压为线电压。电压互感器的输出电压有效值远 高于单片机所能承受电压的上限，因此应先将这种电压等级转换到单片机所能接受的电压范围之内。这里介绍一种用电流互感器来转换电压的办法。 首先，由于对波形处理的需要，要求采集的电压为相电压UAb、UBc与U。将 从电压互感器送入的三相线电压每两相串联一个限流电阻后与电流互感器一次 侧构成一个回路，如图3-10所示，T40

40、00, T4001, T4002为电流型变压器，变 比为2mA/2mA以A, B两相为例，变压器原边的电流为 (3-1) Iab=( UA UB)/Rab 经电流互感器后，由于变比为1:1，副边的电流与原边电流相等，仍为I AB。 这样就成功的将高电压、大电流的信号按比例变为小电流信号， 能被小功率电子 元件所采用，同时，经过电流型变压器隔离后，电路的抗千扰性能也增强了。经 转换过后的三相电流信号分别送入集成运算放大器组成的电路进行转换，使之转 换为相对应的电压信号。 第21页（共37页） 同步发电机励磁自动调节系统设计 图2-7三相电压输入及整流电路 2.322输入电压的形成 在上文中提到经

41、电流型变压器后，副边是一个电流量 Iab。由于MSP43C单片 机只能识别电压信号，因此应将这个电流信号转换为电压信号。 采用运算放大器 就能解决这个问题。 为了节省空间，使电路结构更加紧凑，这里选用了 LM324 LM324是标准4 运放。在一片芯片内集成了 4个运算放大器，共用一对正负15V电源，温度漂移 小，精度咼。 为了将电流信号变为电压信号，可以利用由运算放大器构成的反相放大器来 完成。反相放大器原理如图2-8所示。 图2-8反相运算放大电路 Av=V/Vi= R/2R(2-1) 这里由于输入的是电流信号，可以取R1为0，输出电压为 V0=l ab*R2(2-2) 其余两相电压经过相

42、同的处理，就能得到电压等级为几伏的三相输入电压。 2.3.2.3 三相电压整流滤波处理电路 要想将三相电压转换为直流电压，必须经过整流、滤波处理，这里先介绍整 流。 对三相电压整流采用的是由六个二极管组成的整流桥整流。电桥接线如图 2-7所示。经过电桥的整流，电桥的阳极、阴极波形用PROTELS真后如图2-9 所示。它将三相交流电整形为两个部分，阳极为一串正的波峰组成的脉动波形， 阴极波形与阳极波形极性相反。 图2-9 图2-11中，al,a2,a3为三相输入电压，a+为整流桥阳极输出波 形，a-为整流桥阴极输出波形，as+为阳极信号经运放处理后的输出波形，as- 为阴极信号经运放处理后的输出

43、波形，as为阳极、阴极信号叠加后的波形。 处理整流后的阳极波形需要用到用运算放大器组成的同相放大器。 这里为了 使反相输入信号截止，在反馈电阻支路上串联了一个由二极管 D4006电阻84016 并联的回路，如图2-14所示。 输出的波形用PROTECT真后如图2-10中as+所示，极性与输入波形相同， 是正波，比起整流桥的输出波形来，带有一定的脉动。 由于电桥阴极的输出波形为负波，因此需要将它转为正波与阳极波形相叠 加，于是需要用到由运算放大器构成的反相放大器。与传统反相放大器不同的是 在反馈环节仍需串联一个由二极管、电阻并联的回路，如图2-12所示。这样， 经过同相、反相放大器后电桥的阳极、

44、阴极的输出电压被整形为两路正的波动波 形，如图2-9、图2-10中as+, as-所示。 图2-9电桥及运放输出波形邙日极）（Protel仿真） 2U.00ms 40.00ms60.00ms al兀 W_ JC! ZXJ / Z X / X JrX.jS| % X;X/ z a/ X Zx Z 、 J y a / A / / / r_jrX, j / as- 戶、 1 图2-10电桥及运放输出波形（阴极）（Protel仿真） 图2-11电桥及运放输出波形 邙阳极、阴极叠加）（Protel仿真） 在得到两路正的波形之后需要将它们叠加，以便得到最终所需的电压值。这 图2-12整流桥输出波形处理电路

45、图 同时，在加法器的反馈电阻上并联一个滤波电容，就能达到滤波的作用，使 叠加的两路脉动波形变为直流波形。由于加法器也有反相的作用，输出的直流波 形为负值。因此需要在加法器的输出端再串联一个带滤波电容的反相放大器，使 输出电压为正。 图2-13滤波电路 图2-14整流、滤波波形图（Protel仿真） 这里采用的滤波方法均为有源滤波。比起采用阻一容结构的无源滤波器来， 有源滤波器有响应速度快、元件取值小等优点。其中第一级为一阶滤波，第二级 为二阶滤波。将第一级滤波电路中的反馈放大环节的电阻改为电位器，就能调节 放大倍数，满足设计需要。滤波电路如图2-13所示。将最终取得的直流电压调 节在0-3.3

46、 V 之间，送入单片机，就能测得发电机端口电压。经整流、滤波各 个环节后的波形图如图2-14所示。Asl为第一级滤波后的波形图，as2为第二级 滤波后的波形图。由此可见，三相交流电压经整流、滤波后，可以得到一个与三 相交流电压有效值成正比关系的直流电压，比例系数可以通过电位器来调节，最 终送入CPU勺就是反映三相交流电压有效值的直流电压。 在进行硬件电路设计时，三相电压输入信号的处理电路中每路信号都用到了 4个集成运算放大器。在集成芯片中由于制作工艺上的差别而导致不同芯片的参 数不尽相同，有一定的差别，但同一片芯片内的元件参数是相同的。因此在作电 路设计时，每一路电压信号的处理所使用的运算放大

47、器应取自同一片LM324这 样使得信号处理过程中的信号不至于失真。 一个合格的电路应当有较好的抗干扰能力。 因此在进行仿真试验时对整流滤 波电路进行了抗干扰性能的检测。 在输入三相电压回路中，给其中的一相电压叠 加了一个宽度为1ms高度等于正常波形幅值的脉冲作为干扰信号，来检验电路 的抗干扰能力。由仿真图2-15可以看出，在经过电路的几级滤波之后，干扰信 号已经消失，送入CPU勺信号为正常的电压信号。由于在实际情况中， 绝大部分 的千扰信号脉宽。 均小于1 ms，幅值也小于正常波形的幅值，因此可以肯定本次设计的硬件 电路的抗千扰能力能够满足要求。 通常情况下进行模拟量采集时应设置一个参考电压来

48、供模拟比较部分工作， 由于MSP43C单片机片内有参考电压，可以通过程序来选择，因此不用在外部增 加参考电压电路，使电路设计得到了简化。 电流采样也是采用的直流采样法。现以 A相为例介绍发电机电流I的测量 A相电流取自发电机出口处的电流互感器。在副边接入一电阻后，就能将电 流信号转换为电压信号，相位不会发生改变。将取得的电压信号经过处理后就能 得到发电机出口处A相电流的大小。 图2-16 CT信号取样示意图 第33页（共37页） 2.3.3 输入正弦波转为方波信号处理电路 在发电机励磁调节器中需要用到频率、同步电压等信号，这些信号是正弦波， CPU不能直接识别，于是需要将正弦波转换为方波信号，

49、单片机才能对方波信号 的上升沿或下降沿信号进行采集。 在对正弦波转换为方波的信号处理电路中， 采用用运算放大器构成的触发器 是比较理想的方法。采用触发器有以下几点优点： 1. 在正弦波振荡到零点上方或下方时， 经过触发器后波形发生跳变，使正弦 波能转换为方波。 2. 由于输入的正弦波形通常不是一条平滑的曲线， 在零点附近的抖动会影响 到波形的正确变换。采用触发器后可以通过参数设置， 将电压的跳变临界点选择 在零点附近，正跳变点略高于零点，负跳变点略低于零点，这样，在波形发生抖 动时触发器就能正确识别，防止错误信号出现，示意图如图2-17所示。 图2-17正弦波转方波电路图 被转换的正弦波分别取

50、自整流桥的三相输入端，它与输入的三相线电压同 步，但相位相反，即当正弦波沿波峰向波谷过渡时，对应方波的上升沿；当正弦 波沿波谷向波峰过渡时，对应方波的下降沿。经仿真后波形图如图2-18所示。 图2-18正弦波转方波波形图（Protel仿真） 因为脉冲的电平在士 15V之间，而CPU勺工作电平为+3.3V，因此CPU不能 直接识别脉冲信号。在利用光祸隔离时可将脉冲的电平信号进行转换，如图2-20 所示。Vcc为+3.3 V,是CPU的工作电平。当输入脉冲为高电平时（15V ），光祸 导通，输出信号为十3.3V;当输入脉冲为低电平时（-15V），光祸载止，输出信号 为0V将经触发器转换的方波通过光

51、祸隔离，就能直接送入 CPU通过上升或下 降沿来产生中断，捕捉方波信号 图2-19利用光耦进行隔离及电平转换 2.3.4 移相触发脉冲输出电路 移相触发脉冲共有六路，分别对应六个可控硅共阴极与共阳极可控硅均要靠 触发换流。脉冲触发有两种方式，宽脉冲触发和双脉冲触发，为了减小输出脉冲 功率，减小装置体积，本装置中采用的是双脉冲触发，即在电流换向时同时向共 阳极和共阴极可控硅各发一路脉冲，以防在换向时因产生负电压而使可控硅发生 截止的现象。 为了简化程序，在触发脉冲的输出端接入了 74LS02芯片。它是四或非门集 成芯片。按可控硅的导通顺序，输出脉冲信号每路都和两个或非门相连， 并按脉 冲顺序依次

52、组合，如图2-20所示。 图2-20 6路脉冲处理电路 为了抗干扰，将脉冲输出经光祸隔离后送出。脉冲信号接光祸发光二极管的 阳极，光祸阴极接+SV电源，于是脉冲信号为低电平有效，高电平时光祸截止。 在软件初始化时将P1P6端口都置为低电平，经过或非门后便为高电平，光祸截 止。在060时，可控硅6与可控硅1应导通。此时在软件中给出 P6置高电平， 然后再置为低电平，那么或非门A6和或非门A1便同时发出一个低电平脉冲，光 祸被导通，脉冲信号被送出。6001200时，可控硅1与可控硅2应导通。此时在 软件中给出P2置高电平，然后再置为低电平，那么或非门 Al和或非门AZ便同 时发出一个低电平脉冲，光

53、祸被导通，脉冲信号被送出。依次不断循环，可控硅 就会被按顺序导通，平稳地送出调节电压。 触发脉冲的宽度可由软件来决定，根据可控硅的特性来确定触发脉冲的宽 度，就能使可控硅正常工作。 2.3.5 脉冲功率放大电路 由于输出脉冲控制的是几十安以上的大功率可控硅，因此仅靠光藕输出端是 不能带动大负载的，需要对输出脉冲进行功率放大。现以一路脉冲放大电路为例 对电路进行说明。 2.3.5.1 三极管前置功率放大 电路图如图2-21所示 图2-21三极管前置功率放大电路 选择适当的电阻值，使NPN三极管Q3000能工作在饱和区内，使三极管相当 于电子开关的作用。图中电容 C3007为隔直电容，它能让脉冲电

54、流通过。电容 C3000与电阻并联组成阻容吸收回路，用来吸收电路中多余能量。当光祸被导通 时便有脉冲通过三极管，三极管能承受比光祸更大的电流，因此能能作为一级功 率放大电路。 235.2脉冲变压器功率放大 虽然三极管能将输出功率放大一定的程度，但仍然不能驱动大功率的可控 硅，因此最终需要脉冲变压器来完成。根据不同型号的可控硅可订做不同功率大 小、不同变比的脉冲变压器来满足要求。 脉冲变压器的接线方式如图2-15所示。 脉冲变压器的原边分别与供电电源和三极管集电极相连。当无脉冲信号时，三极 管截止，脉冲变压器中无电流流过；当脉冲信号到来时，三极管导通，脉冲变压 器便将原边的脉冲信号传到副边送出，

55、 使带负载能力得到了增强。在脉冲变压器 原边并联一个续流二极管 D1,极性与电源相反，以便在脉冲变压器每工作一个 周期后将线圈中的能量安全释放，以免损坏其它元件。 LTTtAIO *-ra亠“ 图2-22脉冲变压器接线图 脉冲变压器副边电路中二极管 D3的作用是限制脉冲电流的方向。因为在脉 冲电路中有电感性元件时，由于电感元件的储能作用有可能形成电路放电后电流 反相的现象。为了不让脉冲电流反相后损坏可控硅，应增加二极管D3,防止电 流反相，保护可控硅。二极管 D2的作用同D1一样，仍起续流的作用。电阻R在 此的作用是限制脉冲电流的大小。 因为在脉冲变压器副边回路中，当有脉冲通过 时，副边线圈、

56、D3可控硅触发回路构成的回路电阻很小，因此需要在回路中串 联一个电阻来限流。G K便为最终的脉冲输出端，用来触发可控硅。 关于可控硅的其它一些保护电路不属于本装置的范围之内。在此不作详述。 2.3.6 数码管显示电路 近年来串口芯片的使用越来越广泛。 因为比起传统的三总线芯片来，占用的 引脚少，接线简单，设计起来非常方便。这里选用了MAX721数码管驱动芯片。 它有两个最显著的特点： 1信号线少，只有三路：数据信号SIMQ数据装载信号LOAD时钟信号SCK o通过这三路信号，用软件按位送入串行命令，就能使芯片正常工作。 2. 驱动能力强。一些传统的数码管驱动芯片由于带负载能力太小， 往往不能

57、直接驱动数码管，而是发出控制命令后由另外的芯片来驱动数码管。MAX721啲 带负载能力很强，最多能同时驱动8片数码管，使应用电路在很大程度上得到了 简化。 3. MAX7219自带锁存功能，在没有信号输入时始终保存以前的信号，使数 码管能连续显示数据。 MAX7219勺接线很简单，如图2-16所示。芯片的A-G, DP引脚分别接数码 管的七段信号引脚及小数点引脚，DIGODIG7分别接共阴极数码管的片选脚，通 过程序控制可以让数码管依次导通，用高速扫描的办法使所需显示的数据显示在 数码管上。 DIG6 5 DIG2 DIF DIG? DIG5 10 D1G1 * ND LOAD DIGO di

58、gT DDC DOUT DIG0 SEGD D1G4 SEGDP GND SEGE DIG6 SEGC DIG2 V+ D1G3 Iset DIW SEGG GND SEGB DIGS SEGF DIG1 SEGA LOAD CS CLK 14 A 13 SCK +5 图2-23 MAX7219接线图 至此为止，发电机微机励磁调器的硬件结构部分就介绍到这里，其各组部件 如何协同工作将在第3章中讲述。 3系统软件设计 3.1软件设计流程图 用微控制器实现的发电机励磁控制器，其软件主要由主程序和中断服务程 序组成 同步发电机励磁自动调节系统设计 3.1.1主程序流程图 主程序控制励磁调节器的主要工

59、作流程，微控制器的自检及各种初始参数 的设定，调差环节、欠励磁、V/Hz和过励磁环节的处理，完成数据的计算，控制 规律的处理，根据触发角进行中断控制的设定等任务。主程序软件流程如图3-1 所示。 图3-1励磁控制器主程序流程图 3.1.2终端服务程序流程图 中断服务程序则用于电压、电流信号的采样和电压互感器、电流互感器断相 以及过电压和过电流的判定，触发脉冲的触发角调整和发电机端电压频率的测 量等。中断服务程序流程如图3-2所示。 中断返回 图3-2终端服务程序流程图 3.2 CPU的初始化 由于MSP43C系统单片机的CPU有多种工作方式，针对不同要求可通过程序 来选择所需要的工作方式。在本

60、硬件系统中，要能使CPU能迅速对可控硅的触发 角进行准确调节，且出错后能迅速复位，必须做到以下几点： 1. 选择合适的时钟模块，使 CPU勺运算速度尽可能快； 2. 使用看门狗功能，使系统出错时马上复位。 DCO振荡器是一个可数字控制的 RC振荡器，通过向DCC控制寄存器内写数 据可使CPU的工作速度发行变化。在 MSP43C系列中DCO勺控制由3个寄存器来 完成:DCOCTL, BCSCTL及 BCSCTL2 DCOCTL地址为056H, PUC后的值为060H,每一位定义如下： DCO.O-DC0.2定义了 8种频率之一，而频率由注入直流发生器的电流定义。 MOD.0-MOD.4定义了 3