单片机控制的励磁数字调节器

单片机控制的励磁数字调节器前言
系统工作原理
系统构成
工作特点
调节器工作原理
硬件简介
同步电路
8035单片机系列
接口
其它外围设备
软件
采样及采样周期
PID计算
程序软件
试验结果
六、结束语

内容简介：本义叙述采用Intel 8035单电微机开发研制的励磁数字调节器的基本工作原理，硬件电路和控制软件的构成，以及试验结果。
关键词：单片微机  数字调节口
前言
同步发电机励磁调节器的发展经历了机械式、电磁式、晶体管式及集成电路组成的模拟式各个阶段。近几年，微机工业实时自动控制应用技术及运行可靠性不断提高，价格不断下降，由微机控制的数字式励磁调节装置具备了某些电子模拟调节器较难实现，甚至无法实现的功能，如按发电机运行况可进行在线PID参数（比例、积分、微分）修改，实现装置系统自论断，并可大量减少调节器元器件，插接件，提高装置运行可靠性等优点。推广微机励磁数字调节器的工业应用势在必行。
结合我厂生产的配套中小型同步发电机的自併励TKL11型可控硅装置的特点，我们于1986年起与韩山师专微机室合作，研制用Intel 8035 单片微机为主组成的数字调节器取代原有晶体管分主元件构成的励磁模拟调节器，于90年4月试验型样机闭环调节试验成功。该试验型数字调节器实现了数字PID调节，并具备手动，自动调节控制功能。
系统工作原理：
图1为8035单片微机控制的发电机自併励磁系统原理图。
系统构成
系统由励磁主电路及数字调节器两部分组成，励磁装置的主电路仍采用TKL自併励式可控硅三相半控桥，主电路的过程，过压及失磁保护也按原机电式继电器装置。数字调节器主要由8035单片微机基本系统。同步电路、模拟量A/D转换及开关量输入、触发脉冲输出、手动←→自动控制、监视及故障切换等六个单元电路组成。并设置防止工作电源中断的简易型自动切换备用工作电源。
系统工作特点
 TKL自併励励磁装置为恒UF（机端电压）调节控制，并附加无功调差，进相无功最小励磁限制，过励限制等辅助功能块。TKL励磁调节器的作用是不断根据发电机端电压与设定比值比较得出的偏差值所形成的控制电压去控制可控硅的开放角，达到控制励磁装置输出的大小，维持发电机恒UF运行。
 根据TKL型励磁装置的恒UF控制特点，并降低实验样机软件的设计难度，只设定经调差单元进行无功补偿后的UF及给整定值Uε两个模拟量作为主要参数量输入单片微机控制的数字调节器，经PID调节输出控制可控硅的开放角，控制发电机恒UF运行。
数字调节器工作原理：
单片微机励磁数字调节器正常运行时，由同步电路产生的对应于机端交流电压波形的自然过零点的外部中断时钟脉冲经INT端口向单片机申请中断，同时从单片机P26和P27 两端口输入同步电压相序判别信号Sa. Sc以作为触发可控硅桥臂的选择，单片机接到中断信号后，经信号变送给A/D模数转换得到的输入数字参量经地址锁存器送入DB0~DBF数据端口，存入内存RAM存贮器中，然后对存入的发电机电压和给定值的数字量进行比较，对产生的偏差值进行比例放大、比例积分、比例微积分PID计算，计算出与可控硅控制角э所对应的二进制数，作为可控硅触发参数送入单片机内CTC定时/计数器，并启动CTC计数，当CTC计满溢出时，引起定时到中断，在定时到中断服务中，查出此瞬刻应触发的可控硅桥臂号并由P1口（对应可控硅桥臂的P10、 P11、 P12 某一端口）输出一触发脉冲，然后退出中断，等待下一个过零同步控制信号的到来，在此等待进程单片机可进行其它计算、限制、保护等工作。
单片机输出的触发脉冲不是以驱动大功率可控硅管，并为了抗干忧，将单片机输出的信号输入光电耦合器及功率放大三极管构成的射极输出器，由其将控制发电机恒UF 运行。
 该实验数字调节器除单片机系统自动控制外，还设置手动操作环节，并且手动能跟踪自动，使切换过程平滑进行。
硬件简介：
图2 为以8035单片机为主构成的数字调节器硬件电路。
同步电路：
单片机的外中断请求时钟脉冲信号和判相同步信号（数字量）的形成是根据三相电压在一个周期内各相的正负且有规律的组合，这个组合可获得判相同步信号（数字量）和外中断请求时钟脉冲信号。
图3为同步信号和外中断请求的时钟形成波形图。
电路由装置的同步变压器△/Y-1，晶体管三极管和非门电路组成零文鉴别器产生同步信号Sa、Sb、Sc，并经单稳触发器74LS221及与非门产生INT中断请求脉冲信号。
8035单片机系统
电路由Intel 8035入位单片机，外扩大2K的EPROM2716可编程序存贮器及入口地址锁存器74LS373组成。
8035单片机具有二级中断，外部中断和内部中断，指令周期2.5us，内存RAM64B，有一8位定时/计数器及27条I/O口。
移相触发是由同步脉冲启动片内计数器对外部输入定时脉冲进行读数延时实现的，外部是时脉采用单片机时钟ALE（T=2.5us）,则移相分辨率为0.45°，最大相移138.2°，可控硅三相半控桥实际最大相移为120°，因此移相分辨率基本能够满足。对于主要为恒UF 控制功能的本装置数字调节器，选用Intel 8035入位单片微机是基本能够满足中断口以及软件各个功能的运算速度要求的。
2K的EPROM 2716 除了存放控制程序外，为提高单片机工作速度，还存放多种固定数表，如相序输出表，可控硅控制角对应的定时时间表，可控硅触发臂号表等。
接口电路：
（1）.模拟数据采用集通道：电路由TKL装置的调差单元和入位A/D转换器0809芯片构成。
由调差单元输入的发电机UF 信号实际为已进行无功补偿的信号，满足发电机运行无功的合理分配，输入信号采用片选分段取样输入，虽然速度慢些，但选用低价格的入位A/D模数转换器在基本满足调节器调节精度要求时是比较全算的。
（2）.开关量输入：
最大励磁电流限制及最小励磁电流限制仍采用TKL装置的电子模拟电路单元改动而成，当到达限制时，产生一开关量信号送入单片机，由单片机软件判别输出对可控硅开放角限制控制。
（3）.脉冲放大电路：为隔离外部干扰信号进入单片机，采用4N26光电隔离器和中功率3DK开头三极管组成脉冲放大电路，取代传统脉冲变压器。
其它外围设备：
主要有手动控制，监视显示，备用工作电源等。
软件：
采样及采样周期：
数字调节器采样对象为经调差单元输入无功补偿后的机端压UF 给定电压Uε，变换为0～５伏的直流电压，由A/D转换为八位数字量由单片机定时采集。
采样周期，对于三相半控桥，每秒50周波发电机每秒应采样并计算150次，控制角是不可控的，因此多于每秒150次的采样及计算毫无意义。我们选用每秒50次控制，即每周波计算，控制一次，每周波第一个触发脉冲产生后，其余二个脉冲利用软件延时产生，并采用本次采样，下次控制的方法。
PID计算
为满足励磁装置可靠工作，本系统采用增量型PID控制算式，即其控制输出为对应每次调节量的增量。
经典的PID算式：,经用离散的差分方程并转换后的增量型PID算式如下：
控制增量：△Pk=Kp(ek-ek-1)+Ki·ek+Kd(ek-2ek-1+ek-2 )
控制输出：  Pk=Pk-1+△Pk
其中各参数：Ki=Kp　-------------积分增益
 Kd=Kp  -------------微分增量
 Kp  ------------比例放大系数
 Ti   -----------调节器积分时间
 Td  -----------微分系数
 T   ----------采样周期
 K   -----------采样序号（K=1.2.3.·······）
 ek     ----------------  第K次采样所获得偏差信号
 ek-1   ----------------  第K-1次采样，所得偏差值倍差
 Pk   ----------------   本次控制量输出
 Pk-1  -----------------  上次控制量输出
在调试中，按权限灵敏度法及凑试法求取各参数，由已知采样周期T=，按Roberts P·D的简化权限灵敏度法进行凑试整定。
 经简化后公式为△Pk=（Aek-Bek-1+Cek-2）
 (其中A.B.C为据Ziegler-Nichle条件求得转换后的常数值)刚简化为只求取Kp参数，试验中通过不断改变Kp值凑试直至控制效果满意。
 为改善调节精度及快速反应能力，在PID调节中，对发现测量偏差超限时，加入分段，
 即   ek ≥B时，△Pk =K’p·ek
程序：
程序分管理和控制应用两类软件
管理程序主要由程序写入，内存检查、监视、中断管理等组成。
控制应用软件为主程序，包括恒UF 控制的PID调节程序以及越限限制程序，如最小，最大励磁限制，过励反时限延时限制等。
 主程序还包括如外中断；内部是时中断；A/D转换及加减乘除等功能子程序块。
 程序流程图见图4、图5.
试验结果
在一台12KW小型同步发电机可控硅励磁装置上，对单片微机大励磁数字调节器进行了一系列试验，包括开环、闭环试验，併网运行等。
空载起励试验：利用发电机剩磁，以正常自动运行恒UF 控制启励，在整定值适当时，启励过程正常，发电机电压没有超调，图5A 为起励波形，启励开始阶段，可控硅为全开放状态。
发电机单机带负载试验：发电机空载下带1/4额定阻性负载，进行拉合负载干扰试验。
其调节时间<0.1 秒，见图6-B波形。
摆动次数 < 3 次。
超调量 ≤ ±27﹪,其中超调量比标准要求偏大±2﹪左右。
稳态调整率 ≤ ±3﹪。
发电机併网试验：发电机併网无冲击，併网后无功调节稳定。
发电机空载手动及自动调节，在40~110﹪UFe范围内能平滑调节。
发电机空载自动调节运行，人为短接输入发电机端电压信号，引起强励，强励开始后，可控硅全开放，励磁顶值电压及发电机电压上升很快，见图6-C，强励过程示波图。
结束语：
实验样机试验结果基本上是令人鼓舞的，对于中小型同步发电机励磁装置，采用价格低廉的单片微机实现数字调节器，是适宜于工业上推广应用的。
 为完善提高单片微机控制的励磁数字调节器的控制性能指标，还需在下列几方面继续努力：
为提高调节器调节压精度，从硬件上必须增加频率自动跟踪锁相环环节。
完善软件功能：应在软件上实现调差计算和最小最大励磁限制及过励反时限制等功能，取代其相应的硬件电路，降低整个装置成本。
提高装置自诊断能力
在PID调节中，在调节上升阶段应采取加入分离积分项措施，防止起调现象。