1、本 科 毕 业 设 计PID 数字励磁电压调节器设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要本论文以 PID 数字励磁调节器做为研究对象，同时采用具备强大功能的 TMS320LF2407 DSP 芯片做为主控芯片，研究励磁调节器硬件电路的实现以及相关软件的设计，并对其进行调试。PID 控制器是目前国内外广泛应用于小容量同步发电机的一种控制器，也是过程控制中应用最广泛也是最基本的一种数字励磁控制器，它是其它控制思想的基础，具有结构简单、参数易调和良好的适应能力、鲁棒性强等优点。本文所设计的数字励磁调节器不仅硬件电路结构简单，而且软件全部采用汇
2、编程序。在硬件电路中，我们设计到的比较全面，包括数字励磁调节器的主电路、控制电路以及检测电路等。我们通过软件汇编程序，在对硬件电路上的励磁电压、励磁电流等电参量检测上，能够更好的实现励磁电流的实时控制，提高机端电压的稳定，同时提高了效率。运用软件设计能够保证电参量的精确性，从而决定整个励磁调节系统的可靠性。在 PID 控制器设计中，参数整定是尤为重要的，随着计算机技术的迅猛发展，对 PID 控制器的参数整定，我们采用目前应用最广泛的 MATLAB 仿真系统，通过借助此软件中的 SIMULINK 模块，线上综合法和系统辨识法来研究 PID 控制，并通过 MATLAB 中的虚拟示波器，观察系统完善
3、后在阶跃信号下的输出波形，从而分析 PID 数字励磁调节器的动态性能。关键词：数字励磁电压控制器；DSP 励磁控制器；MATLAB 仿真IIAbstractThis paper takes PID digital excitation regulator as research object, using a powerful TMS320LF2407 DSP chip as the main chip, to research the realization of excitation regulator hardware circuit and the design and debug o
4、f its relevant software. PID controller is a digital excitation controller which is widely applied in the small capacity synchronous generator, and also the most widely used in the process of control as the most fundamental kind .It is the basis of other control ideas with the advantages of simple f
5、ramework, easy to regulate parameter and good adaptability and strong robustness. The design of excitation conditioner regulator in this paper is not only have simple hardware circuit structure, but also all of software adopts assembler. The hardware circuit that we design is fairly comprehensive, i
6、ncluding the main circuit of digital excitation regulator, the control circuit, testing circuit and so on. Through software assembler, we can implement real-time control of excitation current better to improve the voltage stability, while improving the efficiency in the aspect of the testing of hard
7、ware circuit excitation voltage, excitation current and so on. Using the software design, we can guarantee the accuracy of electric parameters so that to decide the reliability of the whole excitation control system. In the design of PID controller, parameter setting is particularly important. Along
8、 with the rapid development of computer technology, we adopt MATLAB simulation system, which is the most widely used at present, for the PID controller parameter setting. With the help of SIMULINK module, the online multiplayer and system identification method to study the PID control, and through t
9、he MATLAB fictitious oscilloscope to observe the output of Laplace waveform signal after the system improved, we can analyze the dynamic performance of PID digital excitation regulator. Key words: digital excitation voltage regulator；DSP controller；MATLAB simulation III目 录前言 .1第 1 章 绪论 .21.1 励磁调节器的作
10、用 .21.2 励磁调节器的发展 .2第 2 章 同步发电机数学模型的建立 .52.1 励磁控制系统的数学模型 .52.2 同步发电机的各参数计算 .6第 3 章 励磁调节器的设计 .83.1 数字 PID 励磁控制 .83.1.1 数字 PID 控制器的作用 .93.1.2 数字 PID 控制算法 .103.1.2 PID 调节器参数对控制性能的影响 .113.2 其他励磁控制 .123.2.1 线性最优励磁控制 .123.2.2 非线性励磁控制 .133.2.3 自适应励磁控制 .143.2.4 智能励磁控制 .15第 4 章 励磁控制系统的硬件设计 .164.1 励磁控制系统的总体结构
11、.164.2 励磁调节器主电路的设计 .174.3 励磁控制电路的设计 .174.3.1 电参量的采集 .174.3.2 机端电压和励磁电流的检测 .184.3.3 励磁调节器的控制单元 .194.4 励磁驱动电路的设计 .204.5 工作电源的设计 .224.6 显示电路的设计 .23第 5 章 励磁调节器的软件设计 .24IV5.1 主程序结构框图 .245.2 中断服务程序 .245.2.1 电参量的采集程序设计 .245.2.2 励磁调节算法程序的设计 .255.2.3 故障保护中断服务子程序的设计 .265.2.4 显示程序的设计 .26第 6 章 仿真研究及调试 .286.1 仿真
12、软件简介 .286.2 仿真及结果分析 .286.3 实验调试及其波形结果 .29结论 .32致谢 .33参考 文献 .34171前言任何控制系统都有它本身固有的特性，通常采用传递函数、微分方程、状态空间方程等多种数学形式来描述。但是像这样的控制系统若不做任何的系统改造，很难达到最佳的控制效果，比如稳定性、准确性、快速性等系统性能特性。为了得到最佳的控制效果，往往在控制系统的中间加入 PID 控制器并通过调整其参数来改变系统的结构特性，最终达到理想的控制效果。PID 控制器问世至今已将近半个多世纪，它以其结构简单、工作可靠、稳定性好、调节方便等诸多优点而成为工业生产控制中的一个主要控制技术。当
13、被控对象的结构和参数不能够完全掌握或得不到精确的数学模型，并且也不能很好地采用其他的控制理论技术时，可以通过采用 PID 控制对系统控制器的结构和参数进行现场调试，这种方法是目前最为方便的。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量来进行系统控制的。PID 参数 、 、 可以根据过程的动态特性及时整定，例如由负载的变化引起系统iTd动态特性变化，这时可以通过 PID 参数就可以重新整定，这就体现了 PID 控制器调整方便的特点。在一些情况下针对特定系统设计的 PID 控制，它们仍存在一些问题，比如参数自整定要以模型为基础，为了 PID 参数的重新整定在线寻找和保持好过程
14、模型是较难的。在工作中，插入一个测试信号，这样就会引起扰动，影响控制器产生超调。另外，PID 在控制非线性、时变、耦合及参数和结构的复杂过程时，都不能获得很好的控制特性，但随着计算机技术和控制理论的不断发展，越来越多的控制技术建立在 PID 控制基础上，去完善系统动态性能和静态性能的要求，例如满足现代同步发电机对励磁调节器的要求。虽然有这些不足之处，但也不可否认 PID 控制器是最简单也是最基本的控制器。DSP 是美国 TI 公司生产的一种专门进行数字信号处理的处理器，而基于 DSP 的同步发电机数字励磁调节器能够充分利用 TMS320LF2407 芯片的数据处理能力强、片内外设丰富的运算速度
15、快、集成度高、网络互连能力强等特点，大大简化了励磁调节器的硬件结构，降低了成本，提高系统的可靠性。它具有调节发电机端电压稳定和无功功率的作用，即具有调节电网稳定的作用。TMS320LF2407 器件上集成了许多实用的外设资源，为电机控制应用的实现提供了良好的平台。本文设计的数字励磁调节器是以 DSP 芯片为核心，外部包括多个模块。主电路包括电源模块、人机接口模块、SPI 和隔离驱动模块、采样模块和检测模块组成。TMS320LF2407DSP 芯片内部集成了 A/D 转换和采样保持电路，使得系统在交流采样计算过程中具有快速、准确的优势。交流采样是采集电参量的一种有效方法，它能够对被测量的瞬时值进
16、行采样，比如在对交流电压和交流电流进行采集时，把电力系统的一次电流和一次电压同频率、大小成比例的交流电压信号输入至 A/D 转换口进行采集。PWM 控制技术（脉冲宽度调制）就是对脉冲进行调制的技术，即把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，通过控制一系列脉冲的宽度或周期，来等效的获得所需要的波形从而达到变压目的的一种控制技术。随着电力电子技术和微机控制技术的迅猛发展，带来了变频调速技术的突破性进展。由美国 TI 公司推出的 TMS320LF2407 芯片具有丰富的外设功能模块，可以很容易地用数字方法实现 PWM 技术。在 DSP 技术迅速应用的今天，利用 DSP 的高度集成
17、化，数字化和高速的运算能力，用它来做数字控制时，可获得高稳定性，高可靠性，提高性能等控制效果。pK2第 1 章 绪论在电力系统的运行中，同步发电机的励磁控制系统对整个系统起着重要的作用。随着发电机单机容量和电网规模的增大，发电机组及电力系统对励磁控制在可靠性、稳定性和经济性等方面提出了越来越高的要求，而控制理论的发展和完善，使得控制控制技术在理论和实践上不断进步。1.1 励磁调节器的作用同步发电机是目前最广泛应用的发电设备，其发电量占总发电量的 90%以上。同步发电机的重要组成部分是励磁控制系统，它是同步发电机的运行控制核心，对发电机的运行特性有着直接的影响。当同步发电机的正常运行时，励磁控制
18、系统应当能够稳定提供同步发电机从空载到满载以及过载时所需的励磁电流。励磁控制系统的主要任务就是通过调节发电机励磁绕组两端的励磁电压，进而改变绕组的励磁电流，从而改变发电机的电动势，达到稳定端电压的目的。当电力系统或同步电动机发生故障时，励磁系统也起着非常重要的作用：当电力系统发生故障而使得电网电压下降时，励磁系统应当能够快速强行励磁，来提高系统的稳定性；当同步发电机内部发生短路故障时，为使得故障在最小范围内迅速排除故障，应快速灭磁。无论在稳态运行或暂态过程中，同步发电机的运行状态在很大程度上与励磁性能有关。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，提供合格的励磁电流，而且还可有效提高系统的
19、技术指标。因此在某种程度上说，同步发电机的励磁装置对于系统的运行状态起着决定性的作用。为了维护电力系统的正常运行以及保障发电质量的不断提高，我们必须相应的提高励磁系统的稳定和控制水平，特别是励磁控制系统（即励磁调节器）的好坏和优劣将直接影响同步发电机运行的稳定和特性。总的来说，励磁调节器主要有下面几个作用：1）控制机端电压：当电力系统正常运行时，负载总是存在波动，同步发电机的功率也就相应变化，随着负荷的波动，需要通过对励磁电流进行调节以维持机端或系统中某一点电压保持在给定水平。2）控制无功功率的分配：当发电机并联运行时，通过励磁系统的作用可以使无功功率在机组间得到稳定和合理的分配。3）提高同步
20、发电机并联运行的稳定性：励磁控制系统通过改变励磁电流从而改变空载电动势 值的大小来改善系统稳定性。aE4）改善电力系统的运行条件：当系统发生短路或其他故障使系统电压严重下降时，励磁系统通过强励迅速提高系统故障点电压，为系统恢复稳定创造条件。1.2 励磁调节器的发展励磁控制系统主要由励磁功率单元、励磁调节器、发电机以及负荷等组成。同步发电机的励磁装置有励磁功率单元和励磁调节器两部分组成。励磁功率输出部分（励磁功率单元）用于向发电机的励磁绕组提供直流电流，以建立直流磁场；励磁控制部分（励磁调节器）用于在正常运行或发生事故时调节励磁电流，以满足运行的需要，这一部分包括励磁调节器、3强行励磁、强行减磁
21、和自动灭磁等装置。关于励磁电源，在现代同步发电机中分为他励和自励系统两种形式。他励系统是采用与主机同轴的交流发电机作为交流励磁电源，经硅整流或可控硅进行整流，供给励磁。这种励磁控制系统，按整流是静止或旋转，以及交流励磁机是磁场旋转或电枢旋转的不同，又可分四种励磁方式：（1）交流励磁机（旋转磁场式）加静止硅整流器；（2）交流励磁机（旋转磁场式）加静止可控硅；（3）交流励磁机（电枢旋转式）加旋转硅整流器；（4）交流励磁机（电枢旋转式）加旋转可控硅。上面（3）、（4）两种方式，硅整流元件和交流励磁机电枢与主轴一同旋转，直接给主机转子励磁绕组供给励磁电流，不需要经过转子滑环及碳刷引入，故称为无刷励磁方
22、式。自励系统则是采用变压器作为交流励磁电源，励磁变压器接在发电机出口或厂用电母线上，所以励磁电源是由发电机自身或发电机所在的电力系统供给的。这种励磁系统中整个励磁装置没有转动部分，属于全静态励磁系统，它主要包括自并励方式和自复励方式。如果只用一台励磁变压器并联在机端，则称为自并励方式；如果除了并联的励磁变压器外，还有与发电机定子电流回路串联的励磁变流器（或串联变压器），两者结合起来，则构成自复励方式。两者结合的方案有下列四种：（1）直流侧并联自复励方式；（2）直流侧串联自复励方式；（3）交流侧并联自复励方式；（4）交流侧串联自复励方式。其中在交流侧叠加的自复励方式，由于能够反应发电机的电压，电
23、流及功率因数，故又称为相补偿自励方式。随着控制理论技术的发展，励磁调节器经历了几个发展阶段。早期的励磁调节器为振动型和变阻器型，具有机械部件，称为机电型励磁控制器，但它们不能连续调节，响应速度缓慢，并有死区。到了 20 世纪 50 年代，电力系统广泛采用磁放大器和电磁元件组成的电磁型励磁调节器。这种励磁调节器虽然具有较高的可靠性，但存在时滞性，调节速度较慢，通常用于直流励磁机系统。60 年代，电力系统开始广泛采用由半导体元件组成的半导体励磁调节器。这种励磁调节器采用的半导体元件几乎没有时滞，调节速度较快，功率放大倍数也较高。至 70 年代末，半导体励磁调节器一直被广泛应用于他励交流励磁机系统。
24、电磁型和半导体型励磁调节器都属于模拟式调节器，随着大规模集成电路和微机技术的不断发展，以及发电机单机容量和电网容量的不断扩大，电力系统对励磁控制的可靠性、快速性、准确性以及多功能性等方面提出了更高的要求。显然，传统的模拟式励磁调节器难以满足要求，20 世纪 70 年代中期，美英等国陆续研究出的微机励磁控制系统，它能够成功地应用于实际生产中。国内在这方面也已有一些微机励磁调节器在电厂发电机组上投入运行。数字励磁调节器产生后，凭着其优良的性能，模块化的结构，高可靠性，使得同步发电机采用数字励磁调节器已成为当今发展趋势，与传统的模拟式励磁调节相比，数字励磁调节器具有调节性能好、调节精度高、在线改变参
25、数方便；在硬件组成上采用大规模集成电路和微处理器作为控制核心，降低了电子元件的使用数量；硬件和软件同时进行，大大缩短了研发周期；容易实现通讯功能等优点。这种软件和硬件兼备的数字励磁调节器已经朝着实现多种控制方式以及运行方式，多功能，多通道的方向发展，它将逐步取代模拟式励磁调节器。随着工业生产对数字励磁调节控制性能的更高追求，励磁调节器工作需要更加稳定可靠，硬件电路尽可能的简单、集成化。我国从 80 年代初就开始研制数字式励磁调节器，经过 10 多年的努力，在设计、生产和运行方面已积累了丰富的经验，从国外引进的发电机组上采用数字式励磁调节器，这些数字式调节器在生产运行中都显示了良好的性能。4图
26、1.1 模拟式励磁控制系统图 1.2 数字式励磁控制系统总的来说，励磁调节系统的功率部分最先是从直流发电机开始再发展到现今被广泛采用于励磁控制系统中的可控硅整流装置及其相应的交流电源；控制部分也从最初采用的机电型和电磁型调节器发展到半导体励磁调节器，再到现在的微机励磁调节器；控制算法则经历了由 P 调节、PID 调节、改进的 PID 调节、智能控制的发展过程。目前，同步发电机励磁系统中通常采用的都是发电机自并励励磁系统，控制器采用的是微机励磁控制器（数字励磁控制器） ，控制算法大部分采用传统的 PID 控制。发 电 机功 放 单 元控 制 器参 考 输 入 反 馈 检 测 发 电 机功 放 单 元控 制 器参 考 输 入 反 馈 检 测发 电 机功 放 单 元控 制 器参 考 输 入 反 馈 检 测A/DD/A 发 电 机功 放 单 元控 制 器参 考 输 入反 馈 检 测
