以单片机为核心的发电机控制器硬件设计

当今大功率电力电子器件的广泛应 用，以及数字控制技术、计算机技术和现 代控制理论的发展和日益成熟，以微处理
器为主要特征的数字电子技 术不断应用到现代发电机电 压调节器的控制系统当中， 取代集成电路构成的传统模 拟式电压调节器（ＡＶＲ）。数 字式发电机电压调节器（简 称ＤＶＲ）并不简单是模拟式 励磁装里数字化的翻版，由 于采用了先进的计算机技 术，除保留了模拟式电压调 节器的功能外还增加了在模 拟式电压调节系统中很难实 现的许多尖端功能。目前， ＤＶＲ的主导产品是以微型 计算机为核心构成的，但其 造价高，需要高技术支持，
３部分硬件原理图设计
３．１通信模块 如图３—１，本模块所涉及的是近程小 批量的数据通信，所以在设计时硬件上采 用３线ＲＸＤ、ＴＸＤ、ＧＮＤ软握手的零 ＭＯＤＥＭ方式即将ＰＣ机和单片机的发送 数据线ＴＸＤ与接收数据ＲＸＤ交叉连接，二 者的地线ＧＮＤ直接相连，而其它信号线如 握手信号线均不用，而采用软件握手这样 既可以实现预定的任务又可以简化电路设 计，节约了成本。但由于Ｒｓ２３２Ｃ是早期为 促进公用电话网络进行数据通信而制定的 标准，其逻辑电对地是对称的，与ＴＴＬ ＭＯＳ逻辑电平完全不同，逻辑０电平规 定为＋５一＋１５Ｖ之间，逻辑１是电平为５ ｍ一１５Ｖ之间，因此在将ＰＣ机和单片机的 ＲＸＤ和ＴＸＤ交叉连接时必须进行电平转
译码电路图如图３—３。
３．３．２数据存储器扩展模块 由于８０５ｌ单片机片内ＲＡＭ仅１２８字 节，当系统需要较大容量ＲＡＭ时就需片 外扩展数据存储器ＲＡＭ，最大扩展６４Ｋ字 节。由于单片机面向控制，实际需要扩展 容量不大，所以一般采用静态ＲＡＭ较方 便，如６２６４为８Ｋ．８位ＲＡＭ。本设计中 采用一片６２６４作为存放采集的数据，扩展 数据存储器地址同扩展程序存储器地址基 本上一样，只是数据的读写指令涉及到 ＡＬＥ引脚，由Ｐ２口提供高８位地址，Ｐ０ 口为分时提供低８位地址和８位双向数据总 线。片外数据存储器ＲＡＭ的读和写由 ８０５１的读（Ｐ３．７）和写（ｐ３．６）信号控制。 扩展外部存储器的原理图如图３—４。 ３．３．３ ８２５５ Ｉ／Ｏ扩展 在ＭＣＳ－５１系列单片机中，单片机本 身提供给用户使用的输入、输出ＩＺｌ线只有 Ｐ１口和部分Ｐ３ ＩＺｌ线。要实现信号数据输 入，控制各个器件信号输出及显示、按键 等控制信号，芯片所需的Ｉ／０多于单片机 所提供的Ｉ／０ １７１，所以采用外部扩展Ｉ／０ 口的方法。本设计中用了一片８２５５来扩展 系统的Ｉ／０口。 ８２５５是Ｉｎｔｅｌ公司生产的可编程外围接 口芯片，它具有３个８位的并行拍口，分 别称为ＰＡ口、ＰＢ口和ＰＣ口，其中ＰＣ 又分为高４位和低４位口。由于８２５５是可 编程的，可以通过软件来设置芯片和Ｉ／Ｏ 口的工作方式，而且８２５５可以与ＭＣＳ－５１ 单片机系列总线直接连接。单片机与８２５５
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图３－２ Ａ／Ｄｒ７４和系统连接 图３—４数据扩展电路
图３－３地址译码电路
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图３－－５ ｉ／ｏ扩展电路
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结构的状态方程可以写成
２系统组成框图
２．１本系统主要是由电压互感器，电 流互感器，采样保持器，多路开关，Ａ／ Ｄ转换器，数字光电隔离器件，５１单片 机，串Ｉ：１电平转换芯片ＭＡＸ２３２等组成。 如图２—１。
２．２其主要工作原理：发电机的输出 电压和电流经过电压互感器和电流互感器 转换后边为电压信号，考虑到后面芯片的 工作电压程度，其电压大约调节在一４Ｖ” ４Ｖ之间，这些电压信号经过采样保持器 采样保持，使得两个电压信号能够保持时 间上的一致，经过多路开关送给Ａ／Ｄ转 换器，考虑到模拟信号与数字信号之间的 相互干扰，在Ａ／Ｄ转换器与单片机之间 采用数字光电隔离器件来隔离两者之间的 干扰。将采集的数据保存在外部的扩展数 据存储器，通过单片机的ＰＩＤ控制算法，输 出控制发电机的励磁电流。为增强控制器 的人性化管理和远程控制，在单片机中设 计一个通信模块，通过串Ｉ：１来传输数据，实 现控制器与ＰＣ机之间的数据通信；在控制 器上设计一个ＬＥＤ显示电路来显示当前的 电压和频率值。
全部转换结束后，向单片机发出转换结束 信号，单片机接收采集的数据。系统的硬 件设计在连接上应主要考虑三总线（控制 总线、地址总线、数据总线）的连接。
Ａ／Ｄ５７４接口电路如图３－２。 ３．３外围电路扩展 ３．３．１单片机地址译码电路 在单片机应用系统中，扩展片外数据 存储器与扩展按存储器方式寻址的Ｉ／Ｏ接 ＩＺＩ时要共用单片机的外部８Ｋ字节的数据存 储区，所使用的操作指令也是外部数据存 储区的读写指令。因此，在单片机自身接 ＩＺｌ不够用的情况下，扩展数据存储器与扩 展外部Ｉ／Ｏ接口中十分重要的问题就是如 何合理分配外部数据存储区的地址空间， 在满足存储器扩展的前提条件下，提供一 部分地址空间给Ｉ／０接口使用，换句话 说，就是如何合理地分配单片机的地址线 Ａ０～Ａ１５，使得单片机无论是选通数据存 储区，还是选通外部扩展Ｉ／Ｏ口，其地址 都是唯一的。在本次的地址译码中，Ｐ２．
空间形式，将该结构简化为一个糖葫芦串 剪切模型，则到结构的质量矩阵、刚度矩
制力随着时间变化，因此在每一个计算步－ 读／写以及片选信号的控制来完成的。
内都要做出调整，得到与ｌｓｉｍ求解器同样ｉ
Ｉ／Ｏ扩展图如图３－５。
阵和阻尼矩阵Leabharlann Baidu别为
的结果。
３．４显示模块电路
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本设计对显示的数据要求并不是很 高，考虑到性价比，选择四位的ＬＥＤ来 显示，应用移位寄存器芯片７４Ｈ Ｃ５９５来实 现ＬＥＤ的动态显示。为了简化电路，降 低成本，节省系统资源，将四位段选码并 联在一起，由一片７４ＨＣ５９５控制。由于 所有ＬＥＤ的段选码皆由一个７４ＨＣ５９５并行 输出口控制，因此，在每一瞬间，４位
图２－Ｉ系统组成框图
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１引言 随着社会生产力的发展，人类生产对
电网电力有较高的要求，所以就要求有较 高品质的发电机控制器来控制发电机的工 作。发电机控制器也称为自动电压调节器 （ＡＶＲ），它是电力控制系统中最重要 的自动装置之一，它对于提高电力系统的 稳定性并改善其动态品质具有非常重要的 作用。
有明显降低。
ＬＥＤ会显示相同的字符。想要每位显示不
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假设在结构各层均设置主动控制装
置，如图ｌ，则控制力及其位置矩阵分别
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图３－６动态ＬＥＤ显示
万方数据
地震波输入峰值为２００Ｇａｌ。求解该结构在 无控情况下和采用主动控制算法情况下的
制Ｍａｔｌａｂ程序的时程分析方法，在每一ｊ Ｉ警鞲餮鬻灌鬣骥黉｝鏊
个计算步内都调整地震力作用，即用地震；
时程反应。首先将动力学方程转化为状态 力向量减去最优控制力向量，由于最优控 之间的接口是通过对其数据总线、标准的
Ｒ×Ｄ ＴＸＤ
８０５ｌ
Ｒｌｏｕｔ Ｔｌ虹
ｆｎ“２３２
图３＿１通信模块电路
万方数据
换，这里我们采用ＭＡｘ２３２来作为电源转 换芯片。
３．２数据信号 ３．２．１数据信号的光电隔离 从取样电阻中出来的电压信号虽说已 经与主电路进行了隔离，但是考虑到工作 现场的各种电磁干扰，为了保证单片机系 统工作的稳定性和可靠性，需将从电压传 感器出来的电压信号进行隔离。隔离方法 有两种，一种是数字量隔离，另一种是模 拟量隔离。数字量隔离是将电压信号首先 输入到Ａ／Ｄ转换器中转换为数字信号， 然后用光电耦合器进行隔离。数字隔离虽 然准确，但是每一个二进制数字都需要一 个光电耦，而且其控制线也需要进行隔离， 所以元器件较多，且连接繁杂，故障率较 高。模拟量隔离是将模拟量首先进行隔离， 然后再输入到Ａ／Ｄ转换器中。模拟信号的 隔离方法有隔离放大器法和光电隔离法。 但因模拟信号的隔离器件价格上较高，这 里选择了数字信号隔离的方法。 ３．２．２ Ａ／Ｄ５７４接口电路 ＡＤ５７４是ＡＤ公司生产的１２位逐次逼 近型ＡＤＣ，它的转换速度为２５“Ｓ，转换 精度为０．０５％，可广泛应用在数据采集系统 中，由于ＡＤ５７４芯片内有三态输出缓冲电 路，因而可直接与单片机的数据总线相连， 而无须附加逻辑接口电路。 ＡＤ５７４和单片机系统的基本组成主要 有单片机、Ａ／Ｄ转换器。单片机发出控 制信号以启动Ａ／Ｄ转换器进行采样，然 后将转换结果存入双端口ＳＲＡＭ。当数据
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利用动力时程分析方法得到的无控制｝ 情况下与主动控制情况下的地震响应对比，ｌ 其ｌ～３层地震时程位移响应如图２～３所ｌ 示。
无控情况和主动控制情况下的结构地ｌ 震响应对比如表ｌ所示。
由表ｌ可以看出在主动控制情况下，ｌ 结构的最大位移、层间位移及振动速度都｝
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控制器；ＡＴ８９Ｃ５１单片机；硬件设计
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Ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｙｈｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ．１ｔｓ ｍａｉｎ ｔａｓｋ ｉｓ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｖｏＩｒａｇｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｅｎｅＰａｔＯｒｓ ｂｙ ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｗｉｎｄｉｎｇｓ，ａｎｄ ｔｏ ｍａｋｅ ｉｔ ｒｅｆｎａｉｎｅｄ ａｔ ａ Ｃ０１］ＳｔａＲｔ ｌｅｖｅｌ．Ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｉｓ ｇｏａｌ． ｗｅ ｍｕｓｔ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｃｃｏｒｄａＩｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｎａｔｕｒｅ ｏｆ ｂａｄ ａｔ ａｎｙ ｔｉｍｅ Ａｉｍｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｌｉｃｓ ａｎｄ
７……Ｐ２．０ Ｐ０．７……Ｐ０．嗽次对应Ａ１５……
Ａ０，我们选择Ｐ２．７、Ｐ２．６、Ｐ２．５作为片选 的译码。Ａ０一Ａ１２作为６２６４的地址线。译 码方式采用全译码，３—８译码器７４ＬＳｌ３８译 码后的Ｙ０～Ｙ７信号输出作为外部扩展芯 片的片选信号线。采用这种译码方式，在单 片机只剩余３根高位地址线时，可外扩８片 外围接口电路及芯片。译码电路图如下， Ｙ０为６２６４的片选，Ｙ１为７４ＬＳ２７３的片选 信号，Ｙ４为８２５５的片选信号。
戮攀终橇为核 心的
在一些小型电站中不适合推广。所以在小 型电站中可以采用小规模的，以单片机为 核心的发电机电压调节器。
发电机控制器硬件设计
张秀珍１，２ 罗大庸１ １、中南大学信息科学与工程学院４１ ００７５ ２、福建工程学院电子信息与电气工程系 ３５００１ ４
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同步发电机励磁控帝ｉ系统是同步发电机控制 系统的重要组成部分，其主要任务是通过调 节发电机励磁绕组的电流来控制发电机的端 电压，并使其维持在一个恒定的水平上。要 实现这个目的．就必须根据负载的大小和性 质随时调节发电机的励磁电流。本文针对小 型同步发电机控制器的特点及发展现状，分 析了微机励磁调节的原理和实现方法．提出 了基于ＡＴ８９Ｃ５１单片机的小型同步发电机控 制器的设计思路，并在此基础上开发出了相 应的硬件系统。