基于单片机的励磁调节器的研究开发

来源:用户上传      作者: 李东蛟

　　摘要：基于励磁系统的整体结构和工作原理，用ARM920T高性能32位单片机作为核心，设计硬件和软件，对励磁调节器的可靠性进行了分析和设计。软件采用高效率的C语言与汇编语言混合编程，程序代码少，执行时间短。设计程序方便，满足快速发电机励磁控制系统对信号响应时间的要求。
　　关键词：同步发电机；微机励磁；ARM920T单片机；PLD；CAN总线
　　中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：1672-3198（2012）06-0156-02
　　1 引言
　　现如今，自动控制理论和计算机技术飞速发展，计算机控制技术得到了广泛的应用，现在逐渐在水电厂开始普及，效果成绩显著，同时也为以后发展积累了丰富的经验，这使得水电厂综合自动化水平得到很大提高，许多类型的微机励磁调节器在发电机励磁控制方面大量涌现。微机励磁调节器以其硬件结构简单、清晰、设备通用性好、标准化程度高、软件灵活、能够方便实现多种功能和满足各种控制规律的要求等优点广泛运用。但是，现有的微机励磁调节器大多只是单方面的利用计算机取代了常规模拟式励磁调节器，不论是在界面显示、通讯能力还是可靠性兼容性方面都不能满足当下的水电厂的要求。本文在调研和总结了之前所有的励磁调节器的优缺点基础之上，研究开发了一种基于ARM920T的微机励磁调节器。
　　2 励磁调节器的工作原理
　　自并励静止可控硅励磁系统的原理是可控硅整流装置整流后供给发电机励磁电流。调节发电机励磁电流的方法是通过检测发电机的端电压（或无功功率）与给定值进行比较运算来改变可控硅的控制角α。
　　2.1 硬件结构
　　调节器运用冗余容错结构、两套微机构成的双通道，从输入到控制输出均可完全独立工作。一套作为系统工作使用，另一套设备作为备用设备，双方的通讯方式用的是CAN总线设备。单套系统的内部结构主要包ARM920T单片机及外围芯片；A/D转换电路；输入输出电路；频率测量电路；CAN总线通讯电路；显示电路；交直流供电电源。系统共用设备有锁相同步与可控硅触发脉冲形成电路、脉冲放大电路。
　　2.2 工作原理
　　励磁调节器运行时，主通道调节，备用通道热备用。调节器首先利用中断测得机组频率，通过频率得到采样的周期，然后对发电机的机端模拟量进行高速交流采样，经过计算算出机端电压、定子电流、有功功率、无功功率、功率因数。与此同时直流采样励磁电流、励磁电压，目的是将这些状态反馈信号数据供调节装置进行计算和分析；调节器还有特殊功能，它会将现实的操作和信号进行分析判断，实现各种运行方式所需的励磁调节和限制、保护、检测、故障判断功能。为了保证调节器控制的实时性，程序在计算模块中首先对采集到的最新模拟量进行计算，由计算的结果推算出可控硅的移相触发角的增量，CPU将此触发角增量以串行脉冲的形式通过输出口送入脉冲形成回路，脉冲形成回路中通过一个双向计数器进行加减计数，从而获得表征移相角的脉冲数。当同步信号到来后进行移相并产生触发脉冲，此脉冲经过功率放大后去触发可控硅组件，通过控制发电机转子励磁电流来控制和调节发电机电压或无功功率的目的。综上所述，励磁调节器完成一次调节任务。而微机调节器输出的可控硅移相触发角则需要满足整流桥输出电流连续可控运行及逆运行。
　　2.3 ARM920T单片机系统
　　CPU是自动调节通道的核心，起主控作用，PLD由高16位地址线控制，为各个外围器件分配地址空间，执行片选功能，同时作为I/O口的扩展，用于开关量输出和发光二极管显示。锁存器，由ARM920T单片机低八位地址与八位数据总线共用。数据存储器，存放调节运算中的各种数据。模拟多路转换器，作为模拟量输入的选择开关。双12位高速低功耗并行A/D转换器，用于把模拟量转换为数字量供CPU调节计算。CAN总线通讯控制器，用于CAN总线通讯。4k SPIEEPROM，用作定值器件，而且内部具有Watchdog Timer circuit，可用于监视微控制器。
　　单片机系统还包括以下几个回路：
　　（1）测频回路：频率测量的基本方法是利用示波器观测波形信号并读取，然后利用信号周期T来获得频率。这样做的主要目的是利用频率确定采样周期。本文测量机组频率的方法将正弦的交流电压信号转变成方波信号，然后将方波信号放大后送入单片机的外中断引脚，当方波信号的每个上升沿到来时，即引起外中断产生中断效果，此时在中断处理程序中读出并记下定时器上的计数值，每次中断就以此操作，两次计数值之差就是方波的周期，也即是正弦电压的周期。
　　（2）开关量输入/输出回路：输入端模拟量经过光电隔离器隔离后送入驱动器，驱动器的输出连接到数据总线上，CPU通过数据总线读取驱动器中存储的内容，判断高低电平，确定有无开关量变位。输出端模拟量经pld输出，经过光电隔离后送入驱动电路，从而输出去驱动继电器的节点。
　　（3）模拟量输入及A/D转换电路：交流电信号的预处理：发电机机端电压、电流需要用与发电机直接连接的电压互感器和电流互感器采集。交流信号的采集工作则需要用小型精密电压、电流互感器实现对交流信号的变换，同时还要采取硬件抗干扰技术和滤波处理。
　　2.4 移相触发单元
　　锁相同步与移相触发脉冲形成回路。微机励磁中主机计算出的是数字量，要把它转换为触发脉冲，这就需要数字/脉冲电路。它是主机与脉冲输出过程通道间的一个接口电路，包括同步、数字移相和脉冲形成三个环节。
　　为了进一步提高调节器的可靠性，在本文中励磁调节器的锁相同步采用了硬件锁相环（PLL）技术，而移相和触发脉冲形成运用PLD来实现。锁相同步的目的是用锁相环跟踪系统交流电压，输出若干倍系统电压频率的脉冲列和与系统保持严格同步的参考电压，基于此作为移相触发脉冲形成部分产生可控硅触发脉冲的角度量化基准和频率相位基准。
　　本文中移相触发脉冲的形成是在可编程逻辑器件基础之上利用VHDL硬件描述语言来完成的。调节器的移相触发脉冲形成回路硬件结构简单，抗干扰能力强，可靠性高，价格便宜。
　　脉冲放大回路：由移相触发脉冲形成回路形成的六路可控硅触发脉冲，首先通过驱动器进行驱动，然后通过光电隔离器进行光电隔离，隔离后的信号由放大器放大再经脉冲变压器输出，触发相应的可控硅导通。
　　2.5 显示单元
　　本励磁调节器的显示回路分两大部分，第一部分为发光二极管显示，另一部分为液晶显示。二极管显示主要是一些特殊的状态显示，点亮或熄灭发光二极管可显示的信息如：断路器分合状态信号；励磁变压器不对称信号；过励限制动作信号；欠励限制动作信号；各种通讯信号等，非常方便调试。
　　液晶显示主要与触摸屏结合用于系统控制参数的显示与设置，状态参数的显示，以及调节器或系统的各种运行状况。液晶显示控制器为S3C2440A，液晶显示的调节器当前状态信息及对触摸屏输入信号的采样都是通过与其相连的ARM920T来完成的，由于芯片内带有CAN控制器，可方便地与两个自动调节通道中的主处理器内部集成的CAN控制器组成现场总线网络，及时的将调试运行人员通过触摸屏设置的各种控制参数实时地传到调节器，同时又将调节通道所得的各种运行参数及状态信息及时送往液晶屏显示。发光二极管能将励磁调节器的重要状态显示出来，二者配合可共同反映当前发电机及调节器运行状态及故障点，便于运行人员掌握当前情况，及时发现问题并作出判断、处理。

　　2.6 通信单元
　　本励磁调节器选用了CAN总线。CAN 即控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其典型的应用协议有：SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。
　　3 励磁调节器软件设计
　　微机励磁调节器软件采用模块化结构设计，各种功能都由相应的子程序来完成。调节器上电后执行初始化和自检，初始化结束后，表明励磁调节器已经准备就绪，接着程序进入起励的设置和起励条件的判别，然后进入主程序。首先是数据采集和处理部分；主要由电机出口交流电压采样子模块、电机出口交流电流采样处理子模块和励磁电压采样处理子模块三部分组成。然后进入功率因数测算模块和PID调节模块；其中，采用数字滤波的方式求得功率因数cosφ，再通过PID调节计算出可控硅的导通角。由于励磁控制系统比较复杂，需要测量的量比较多，因此该系统电压及电流的采集，使用直流采样法和数字PID控制调节法。PID调节计算根据采集的数据结果与额定值进行比较，从而进行PID调节计算出可控硅的触发角α；PID算法采用了一种智能受模态控制规律，根据系统偏差信号的大小、方向及变化趋势做出相应的决策，以选择适当的控制模式进行控制，具有良好的适应能力和极强的鲁棒性。
　　4 励磁系统可靠性分析
　　4.1 系统结构的简化
　　（1）采用可编程逻辑器件，用于CPU外围器件的逻辑译码（即地址分配）和I/O口的扩展，代替了常规的逻辑译码器和并行I/O口扩展器件。
　　（2）采用了高速低功耗并行同步双12位A/D转换器。
　　（3）脉冲形成回路同样也采用了可编程逻辑器件。本文设计时充分利用了其具有的大量PLD门、通用口和寄存器，采用VHDL硬件描述语言来实现移相触发脉冲的形成，而且还完成了互为备用的三相同步信号的故障检测、切换和相位补偿。硬件结构大大简化，且抗干扰能力强，可靠性高。
　　4.2 硬件结构容错冗余技术
　　本调节器采用备用系统的冗余结构。两套系统，一套工作，另一套热备用。两套系统在软、硬件设计上都完全相同，但是两套系统在工作中执行的程序却不一样。整个软件由工作程序与备用程序组成，正常情况下工作系统执行工作程序，备用系统执行备用程序.工作程序包括测频、采样，调节机端电压或励磁电流，进行自检，向备用系统和显示传送数据等；备用程序除了进行测频、采样、调节计算和自检外，还监测工作系统的工作情况和接收工作系统传送来的故障信息，向显示单元传送数据。一旦工作系统自检出故障，备用系统将接收到表明工作系统出故障的信息，或者备用系统监测到工作系统故障，如果此时备用系统自检无故障，则备用系统自动转为工作系统，执行工作程序，而原工作系统退出，发出相应的报警信号。如果两套自动系统都出错，则两套自动系统都退出，由常规手动通道人工调节，同时在显示单元显示故障信号。
　　4.3 提高调节器的抗干扰能力
　　（1）硬件设计时的抗干扰措施。
　　（2）软件设计时的抗干扰措施。
　　5 结束语
　　本文详细介绍了基于单片机的励磁调节器系统，分析了当前发展大趋势下励磁系统在电力系统中的地位，此励磁调节器系统硬件结构简化，高可靠性和实用性，为水电厂综合自动化水平的提高奠定基础。
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