單片機(jī)控制的勵(lì)磁數(shù)字調(diào)節(jié)器

單片機(jī)控制的勵(lì)磁數(shù)字調(diào)節(jié)器前言
系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)構(gòu)成
工作特點(diǎn)
調(diào)節(jié)器工作原理
硬件簡(jiǎn)介
同步電路
8035單片機(jī)系列
接口
其它外圍設(shè)備
軟件
采樣及采樣周期
PID計(jì)算
程序軟件
試驗(yàn)結(jié)果
六、結(jié)束語(yǔ)

內(nèi)容簡(jiǎn)介：本義敘述采用Intel 8035單電微機(jī)開(kāi)發(fā)研制的勵(lì)磁數(shù)字調(diào)節(jié)器的基本工作原理，硬件電路和控制軟件的構(gòu)成，以及試驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹�微機(jī)  數(shù)字調(diào)節(jié)口
前言
同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展經(jīng)歷了機(jī)械式、電磁式、晶體管式及集成電路組成的模擬式各個(gè)階段。近幾年，微機(jī)工業(yè)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制應(yīng)用技術(shù)及運(yùn)行可靠性不斷提高，價(jià)格不斷下降，由微機(jī)控制的數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置具備了某些電子模擬調(diào)節(jié)器較難實(shí)現(xiàn)，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，如按發(fā)電機(jī)運(yùn)行況可進(jìn)行在線PID參數(shù)（比例、積分、微分）修改，實(shí)現(xiàn)裝置系統(tǒng)自論斷，并可大量減少調(diào)節(jié)器元器件，插接件，提高裝置運(yùn)行可靠性等優(yōu)點(diǎn)。推廣微機(jī)勵(lì)磁數(shù)字調(diào)節(jié)器的工業(yè)應(yīng)用勢(shì)在必行。
結(jié)合我廠生產(chǎn)的配套中小型同步發(fā)電機(jī)的自併勵(lì)TKL11型可控硅裝置的特點(diǎn)，我們于1986年起與韓山師專微機(jī)室合作，研制用Intel 8035 單片微機(jī)為主組成的數(shù)字調(diào)節(jié)器取代原有晶體管分主元件構(gòu)成的勵(lì)磁模擬調(diào)節(jié)器，于90年4月試驗(yàn)型樣機(jī)閉環(huán)調(diào)節(jié)試驗(yàn)成功。該試驗(yàn)型數(shù)字調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了數(shù)字PID調(diào)節(jié)，并具備手動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制功能。
系統(tǒng)工作原理：
圖1為8035單片微機(jī)控制的發(fā)電機(jī)自併勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖。
系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)由勵(lì)磁主電路及數(shù)字調(diào)節(jié)器兩部分組成，勵(lì)磁裝置的主電路仍采用TKL自併勵(lì)式可控硅三相半控橋，主電路的過(guò)程，過(guò)壓及失磁保護(hù)也按原機(jī)電式繼電器裝置。數(shù)字調(diào)節(jié)器主要由8035單片微機(jī)基本系統(tǒng)。同步電路、模擬量A/D轉(zhuǎn)換及開(kāi)關(guān)量輸入、觸發(fā)脈沖輸出、手動(dòng)←→自動(dòng)控制、監(jiān)視及故障切換等六個(gè)單元電路組成。并設(shè)置防止工作電源中斷的簡(jiǎn)易型自動(dòng)切換備用工作電源。
系統(tǒng)工作特點(diǎn)
 TKL自併勵(lì)勵(lì)磁裝置為恒UF（機(jī)端電壓）調(diào)節(jié)控制，并附加無(wú)功調(diào)差，進(jìn)相無(wú)功最小勵(lì)磁限制，過(guò)勵(lì)限制等輔助功能塊。TKL勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用是不斷根據(jù)發(fā)電機(jī)端電壓與設(shè)定比值比較得出的偏差值所形成的控制電壓去控制可控硅的開(kāi)放角，達(dá)到控制勵(lì)磁裝置輸出的大小，維持發(fā)電機(jī)恒UF運(yùn)行。
 根據(jù)TKL型勵(lì)磁裝置的恒UF控制特點(diǎn)，并降低實(shí)驗(yàn)樣機(jī)軟件的設(shè)計(jì)難度，只設(shè)定經(jīng)調(diào)差單元進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償后的UF及給整定值Uε兩個(gè)模擬量作為主要參數(shù)量輸入單片微機(jī)控制的數(shù)字調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID調(diào)節(jié)輸出控制可控硅的開(kāi)放角，控制發(fā)電機(jī)恒UF運(yùn)行。
數(shù)字調(diào)節(jié)器工作原理：
單片微機(jī)勵(lì)磁數(shù)字調(diào)節(jié)器正常運(yùn)行時(shí)，由同步電路產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)于機(jī)端交流電壓波形的自然過(guò)零點(diǎn)的外部中斷時(shí)鐘脈沖經(jīng)INT端口向單片機(jī)申請(qǐng)中斷，同時(shí)從單片機(jī)P26和P27 兩端口輸入同步電壓相序判別信號(hào)Sa. Sc以作為觸發(fā)可控硅橋臂的選擇，單片機(jī)接到中斷信號(hào)后，經(jīng)信號(hào)變送給A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的輸入數(shù)字參量經(jīng)地址鎖存器送入DB0~DBF數(shù)據(jù)端口，存入內(nèi)存RAM存貯器中，然后對(duì)存入的發(fā)電機(jī)電壓和給定值的數(shù)字量進(jìn)行比較，對(duì)產(chǎn)生的偏差值進(jìn)行比例放大、比例積分、比例微積分PID計(jì)算，計(jì)算出與可控硅控制角э所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)，作為可控硅觸發(fā)參數(shù)送入單片機(jī)內(nèi)CTC定時(shí)/計(jì)數(shù)器，并啟動(dòng)CTC計(jì)數(shù)，當(dāng)CTC計(jì)滿溢出時(shí)，引起定時(shí)到中斷，在定時(shí)到中斷服務(wù)中，查出此瞬刻應(yīng)觸發(fā)的可控硅橋臂號(hào)并由P1口（對(duì)應(yīng)可控硅橋臂的P10、 P11、 P12 某一端口）輸出一觸發(fā)脈沖，然后退出中斷，等待下一個(gè)過(guò)零同步控制信號(hào)的到來(lái)，在此等待進(jìn)程單片機(jī)可進(jìn)行其它計(jì)算、限制、保護(hù)等工作。
單片機(jī)輸出的觸發(fā)脈沖不是以驅(qū)動(dòng)大功率可控硅管，并為了抗干憂，將單片機(jī)輸出的信號(hào)輸入光電耦合器及功率放大三極管構(gòu)成的射極輸出器，由其將控制發(fā)電機(jī)恒UF 運(yùn)行。
 該實(shí)驗(yàn)數(shù)字調(diào)節(jié)器除單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制外，還設(shè)置手動(dòng)操作環(huán)節(jié)，并且手動(dòng)能跟蹤自動(dòng)，使切換過(guò)程平滑進(jìn)行。
硬件簡(jiǎn)介：
圖2 為以8035單片機(jī)為主構(gòu)成的數(shù)字調(diào)節(jié)器硬件電路。
同步電路：
單片機(jī)的外中斷請(qǐng)求時(shí)鐘脈沖信號(hào)和判相同步信號(hào)（數(shù)字量）的形成是根據(jù)三相電壓在一個(gè)周期內(nèi)各相的正負(fù)且有規(guī)律的組合，這個(gè)組合可獲得判相同步信號(hào)（數(shù)字量）和外中斷請(qǐng)求時(shí)鐘脈沖信號(hào)。
圖3為同步信號(hào)和外中斷請(qǐng)求的時(shí)鐘形成波形圖。
電路由裝置的同步變壓器△/Y-1，晶體管三極管和非門(mén)電路組成零文鑒別器產(chǎn)生同步信號(hào)Sa、Sb、Sc，并經(jīng)單穩(wěn)觸發(fā)器74LS221及與非門(mén)產(chǎn)生INT中斷請(qǐng)求脈沖信號(hào)。
8035單片機(jī)系統(tǒng)
電路由Intel 8035入位單片機(jī)，外擴(kuò)大2K的EPROM2716可編程序存貯器及入口地址鎖存器74LS373組成。
8035單片機(jī)具有二級(jí)中斷，外部中斷和內(nèi)部中斷，指令周期2.5us，內(nèi)存RAM64B，有一8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器及27條I/O口。
移相觸發(fā)是由同步脈沖啟動(dòng)片內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)外部輸入定時(shí)脈沖進(jìn)行讀數(shù)延時(shí)實(shí)現(xiàn)的，外部是時(shí)脈采用單片機(jī)時(shí)鐘ALE（T=2.5us）,則移相分辨率為0.45°，最大相移138.2°，可控硅三相半控橋?qū)嶋H最大相移為120°，因此移相分辨率基本能夠滿足。對(duì)于主要為恒UF 控制功能的本裝置數(shù)字調(diào)節(jié)器，選用Intel 8035入位單片微機(jī)是基本能夠滿足中斷口以及軟件各個(gè)功能的運(yùn)算速度要求的。
2K的EPROM 2716 除了存放控制程序外，為提高單片機(jī)工作速度，還存放多種固定數(shù)表，如相序輸出表，可控硅控制角對(duì)應(yīng)的定時(shí)時(shí)間表，可控硅觸發(fā)臂號(hào)表等。
接口電路：
（1）.模擬數(shù)據(jù)采用集通道：電路由TKL裝置的調(diào)差單元和入位A/D轉(zhuǎn)換器0809芯片構(gòu)成。
由調(diào)差單元輸入的發(fā)電機(jī)UF 信號(hào)實(shí)際為已進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)男盘?hào)，滿足發(fā)電機(jī)運(yùn)行無(wú)功的合理分配，輸入信號(hào)采用片選分段取樣輸入，雖然速度慢些，但選用低價(jià)格的入位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器在基本滿足調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)精度要求時(shí)是比較全算的。
（2）.開(kāi)關(guān)量輸入：
最大勵(lì)磁電流限制及最小勵(lì)磁電流限制仍采用TKL裝置的電子模擬電路單元改動(dòng)而成，當(dāng)?shù)竭_(dá)限制時(shí)，產(chǎn)生一開(kāi)關(guān)量信號(hào)送入單片機(jī)，由單片機(jī)軟件判別輸出對(duì)可控硅開(kāi)放角限制控制。
（3）.脈沖放大電路：為隔離外部干擾信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，采用4N26光電隔離器和中功率3DK開(kāi)頭三極管組成脈沖放大電路，取代傳統(tǒng)脈沖變壓器。
其它外圍設(shè)備：
主要有手動(dòng)控制，監(jiān)視顯示，備用工作電源等。
軟件：
采樣及采樣周期：
數(shù)字調(diào)節(jié)器采樣對(duì)象為經(jīng)調(diào)差單元輸入無(wú)功補(bǔ)償后的機(jī)端壓UF 給定電壓Uε，變換為0～５伏的直流電壓，由A/D轉(zhuǎn)換為八位數(shù)字量由單片機(jī)定時(shí)采集。
采樣周期，對(duì)于三相半控橋，每秒50周波發(fā)電機(jī)每秒應(yīng)采樣并計(jì)算150次，控制角是不可控的，因此多于每秒150次的采樣及計(jì)算毫無(wú)意義。我們選用每秒50次控制，即每周波計(jì)算，控制一次，每周波第一個(gè)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生后，其余二個(gè)脈沖利用軟件延時(shí)產(chǎn)生，并采用本次采樣，下次控制的方法。
PID計(jì)算
為滿足勵(lì)磁裝置可靠工作，本系統(tǒng)采用增量型PID控制算式，即其控制輸出為對(duì)應(yīng)每次調(diào)節(jié)量的增量。
經(jīng)典的PID算式：,經(jīng)用離散的差分方程并轉(zhuǎn)換后的增量型PID算式如下：
控制增量：△Pk=Kp(ek-ek-1)+Ki·ek+Kd(ek-2ek-1+ek-2 )
控制輸出：  Pk=Pk-1+△Pk
其中各參數(shù)：Ki=Kp　-------------積分增益
 Kd=Kp  -------------微分增量
 Kp  ------------比例放大系數(shù)
 Ti   -----------調(diào)節(jié)器積分時(shí)間
 Td  -----------微分系數(shù)
 T   ----------采樣周期
 K   -----------采樣序號(hào)（K=1.2.3.·······）
 ek     ----------------  第K次采樣所獲得偏差信號(hào)
 ek-1   ----------------  第K-1次采樣，所得偏差值倍差
 Pk   ----------------   本次控制量輸出
 Pk-1  -----------------  上次控制量輸出
在調(diào)試中，按權(quán)限靈敏度法及湊試法求取各參數(shù)，由已知采樣周期T=，按Roberts P·D的簡(jiǎn)化權(quán)限靈敏度法進(jìn)行湊試整定。
 經(jīng)簡(jiǎn)化后公式為△Pk=（Aek-Bek-1+Cek-2）
 (其中A.B.C為據(jù)Ziegler-Nichle條件求得轉(zhuǎn)換后的常數(shù)值)剛簡(jiǎn)化為只求取Kp參數(shù)，試驗(yàn)中通過(guò)不斷改變Kp值湊試直至控制效果滿意。
 為改善調(diào)節(jié)精度及快速反應(yīng)能力，在PID調(diào)節(jié)中，對(duì)發(fā)現(xiàn)測(cè)量偏差超限時(shí)，加入分段，
 即   ek ≥B時(shí)，△Pk =K’p·ek
程序：
程序分管理和控制應(yīng)用兩類軟件
管理程序主要由程序?qū)懭耄瑑?nèi)存檢查、監(jiān)視、中斷管理等組成。
控制應(yīng)用軟件為主程序，包括恒UF 控制的PID調(diào)節(jié)程序以及越限限制程序，如最小，最大勵(lì)磁限制，過(guò)勵(lì)反時(shí)限延時(shí)限制等。
 主程序還包括如外中斷；內(nèi)部是時(shí)中斷；A/D轉(zhuǎn)換及加減乘除等功能子程序塊。
 程序流程圖見(jiàn)圖4、圖5.
試驗(yàn)結(jié)果
在一臺(tái)12KW小型同步發(fā)電機(jī)可控硅勵(lì)磁裝置上，對(duì)單片微機(jī)大勵(lì)磁數(shù)字調(diào)節(jié)器進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，包括開(kāi)環(huán)、閉環(huán)試驗(yàn)，併網(wǎng)運(yùn)行等。
空載起勵(lì)試驗(yàn)：利用發(fā)電機(jī)剩磁，以正常自動(dòng)運(yùn)行恒UF 控制啟勵(lì)，在整定值適當(dāng)時(shí)，啟勵(lì)過(guò)程正常，發(fā)電機(jī)電壓沒(méi)有超調(diào)，圖5A 為起勵(lì)波形，啟勵(lì)開(kāi)始階段，可控硅為全開(kāi)放狀態(tài)。
發(fā)電機(jī)單機(jī)帶負(fù)載試驗(yàn)：發(fā)電機(jī)空載下帶1/4額定阻性負(fù)載，進(jìn)行拉合負(fù)載干擾試驗(yàn)。
其調(diào)節(jié)時(shí)間<0.1 秒，見(jiàn)圖6-B波形。
擺動(dòng)次數(shù) < 3 次。
超調(diào)量 ≤ ±27﹪,其中超調(diào)量比標(biāo)準(zhǔn)要求偏大±2﹪左右。
穩(wěn)態(tài)調(diào)整率 ≤ ±3﹪。
發(fā)電機(jī)併網(wǎng)試驗(yàn)：發(fā)電機(jī)併網(wǎng)無(wú)沖擊，併網(wǎng)后無(wú)功調(diào)節(jié)穩(wěn)定。
發(fā)電機(jī)空載手動(dòng)及自動(dòng)調(diào)節(jié)，在40~110﹪UFe范圍內(nèi)能平滑調(diào)節(jié)。
發(fā)電機(jī)空載自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行，人為短接輸入發(fā)電機(jī)端電壓信號(hào)，引起強(qiáng)勵(lì)，強(qiáng)勵(lì)開(kāi)始后，可控硅全開(kāi)放，勵(lì)磁頂值電壓及發(fā)電機(jī)電壓上升很快，見(jiàn)圖6-C，強(qiáng)勵(lì)過(guò)程示波圖。
結(jié)束語(yǔ)：
實(shí)驗(yàn)樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果基本上是令人鼓舞的，對(duì)于中小型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置，采用價(jià)格低廉的單片微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)器，是適宜于工業(yè)上推廣應(yīng)用的。
 為完善提高單片微機(jī)控制的勵(lì)磁數(shù)字調(diào)節(jié)器的控制性能指標(biāo)，還需在下列幾方面繼續(xù)努力：
為提高調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)壓精度，從硬件上必須增加頻率自動(dòng)跟蹤鎖相環(huán)環(huán)節(jié)。
完善軟件功能：應(yīng)在軟件上實(shí)現(xiàn)調(diào)差計(jì)算和最小最大勵(lì)磁限制及過(guò)勵(lì)反時(shí)限制等功能，取代其相應(yīng)的硬件電路，降低整個(gè)裝置成本。
提高裝置自診斷能力
在PID調(diào)節(jié)中，在調(diào)節(jié)上升階段應(yīng)采取加入分離積分項(xiàng)措施，防止起調(diào)現(xiàn)象。