基于AT89C51的同步發電機勵磁控制系統設計

張秀珍

（福建工程學院 電子信息與電氣工程系 福州 350108）

0 引言

隨著科學技術的快速發展，對電網的質量要求也越來越高。一些小型水電站發電機保護簡單且不可靠，自動化程度低，影響了小型水電站的運行。另外，小型水電站受農村電網和灌溉條件的限制，使其頻繁起停，手動并網操作時間長，縮短了有效發電時間。所以提高小型水電站的自動化水平具有良好的經濟效益。目前，數字式發電機電壓調節器(簡稱DVR)的主導產品是以微型計算機為核心構成的，但其造價高，需要高技術支持，在一些小型電站中不適合推廣，而可以采用小規模的，以單片機為核心的發電機電壓調節器。

1 系統硬件設計

勵磁控制系統的電路結構圖如圖1所示，系統主要硬件電路大致分為信號調理處理及采樣保持電路、A/D轉換電路、LED顯示電路、勵磁控制裝置以及報警裝置，下面分別予以簡單介紹。

圖1 硬件電路結構圖

1.1 數據采集處理電路

發電機的輸出電壓和電流經過電壓互感器和電流互感器轉換后變為電壓信號，經由運算放大器組成的信號調理電路轉化為-5V～＋5V的電壓，再送到采樣保持器采樣保持，使得兩個電壓信號能夠保持時間上的一致，經過多路開關CD4051送給A/D轉換器，把轉換后的數字信號保存在AT89C51的外部擴展數據存儲器。LF398采樣保持器，是利用B2-FET技術獲得超高的直流(DC) 精度，具有信號快速采樣和低下降率。采樣時間低于6μs時達到0.01%。外加Analog Device公司的12位逐次逼近式AD574，實現A/D轉換，滿足系統對轉換速率與精度的要求。

1.2 LED顯示及報警電路

多位LED顯示時，將四位段選碼并聯在一起，由一片移位寄存器芯片74HC595來實現LED的動態顯示。在每一瞬間，4位LED會顯示相同的字符。想要每位顯示不同的字符，就必須采用掃描的方法，即在每一瞬間只使用一位顯示字符。在此瞬間，74HC595并行輸出口輸出相應字符段選碼，而位選則控制I/O口在該顯示位送入選通電平，以保證該位顯示相應字符。如此輪流，使每位分時顯示該位應顯示字符。由于74HC595具有鎖存功能，而且串行輸入段選碼需要一定時間，因此，不需要延時，即可形成視覺暫留效果。

為了使用安全，在計算完數據以后，根據顯示控制標志來判斷要顯示電壓值還是頻率值。在完成上面數據處理的基礎上來判斷發電機過電壓或過電流或頻率過低，只要上面有一個條件成立，馬上輸出報警信號并停止勵磁輸出。如果發電機工作正常，則調用PID控制算法子程序，控制勵磁的輸出。

2 軟件設計

2.1 系統主程序流程圖

在主程序中，要對單片機系統、外部各個芯片進行初始化。系統的主程序流程圖如圖2所示。在初始化各個端口的時候，設置芯片的工作模式。中斷系統初始化是指用戶對這些特殊功能寄存器中的各控制位進行賦值。

圖2 主程序流程圖

（1）開相應中斷源的中斷

其中EA是允許中斷總控位，0為關閉，1為開放。EX0和EX1為外部中斷控制位；ET0，ET1和ET2為定時器的溢出中斷允許控制位；ES為串行口中斷允許控制位。這些控制位均可以由用戶通過程序設定，0為關斷，1為開放。

(2) 設定所用中斷源的中斷優先級

響應中斷時，CPU先響應高優先級中斷，然后響應低優先級中斷。如果兩個中斷處于同一個優先級，單片機將按照系統內部規定的優先級順序響應中斷。其順序從高到低分別為INT0，T0 ，INT1，T1，串行口中斷。本系統中使用兩個中斷，一個是串行口中斷，一個是定時器溢出中斷T1，并設置串行口中斷為高優先級，T1為低優先級。

串口中斷設置。串口工作方式選擇方式3（其波特率可變，11位異步通信方式，起止為各一位，9位數據，其中有一位是校驗位）波特率設置為9600，各寄存器設置如下：SCON=01010000B，SMOD=0，TMOD=02H，計數初值X=0FDH，采用中斷的方式接收和發送數據。

定時中斷設置。選擇定時/記數器1作為定時，采用定時方式1，TMOD=10H，由于要在20ms內采集100個數據，所以定時200μs中斷一次，計算記數初值：機器周期 為12/f0sc =1μs。應記數的脈沖個數：200/1=200=C8H，因為記數器是加1記數，所以記數初值為-200=FF38H。

2.2 串行通信服務子程序

AT89C51單片機通過引腳RXD（P3.0，串行數據接收端）和引腳TXD（P3.1，串行數據發送端）與外界通訊。SBUF是串行口緩沖寄存器，包括發送寄存器和接收寄存器。它們有相同名字和地址空間，但不會出現沖突，因為它們兩個一個只能被CPU讀出數據，一個只能被CPU寫入數據。

串行口控制寄存器SCON：它用于定義串行口的工作方式及實施接收和發送控制。字節地址為98H，其各位定義如表1所示。

表1 串行口的工作方式

在單片機與上位計算機之間采用RS232的串行數據傳輸方式。單片機采用中斷方式接收和發送數據，單片機與上位計算機之間的數據傳輸格式為：數據的發送和接收以數據幀為單位。每幀11個字節。數據幀的格式為表2所示。在一幀格式中，先是一個起始位0，然后是8個數據位，規定低位在前，高位在后，接下來是奇偶校驗位(可以省略)，最后是停止位1。用這種格式表示字符，則字符可以一個接一個地傳送。

表2 數據幀格式

當單片機檢測到串口中斷時，進入通信中斷服務子程序，接收數據到ACC寄存器里面(ACC=SBUF)，再將其保存在內部的一個存儲單元里面(shuju=ACC)，判斷奇偶校驗位RB8是否與程序狀態字PSW的第一位P相等，如果相等，說明接收的數據是正確的，接著判斷其是什么命令，如果是0x01則回復0xaa表示單片機以準備就緒，可以發送或接收數據，在單片機發送采集的電壓數據到PC時，為提高數據的通信效率和實時性，發送和接收數據不進行奇偶校驗，只進行簡單的數據傳送，用TI和RI來判斷數據是否已經從SBUF讀取或發送完畢。如果奇偶校驗判斷錯誤則回復0xff表示信息發送錯誤，PC重發命令字。

2.3 PID控制

PID控制是最早發展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用于工業過程控制，至今仍有90%左右的控制回路具有PID結構。尤其適合可建立數學模型的控制系統，其控制規律如式(1)、(2)所示

式中Kp、Ki= Kp/ Ti、Kd= Kp×Td分別為比例系數、積分時間常數、微分時間常數有關的系數。

(1)模糊PID勵磁控制原理

該勵磁控制器是由模糊控制器和PID調節器構成，模糊控制器的輸入變量為偏差值E。

圖3 模糊PID勵磁控制系統原理圖

和電壓偏差變化率EC，輸出變量為PID控制器的3個參數Kp、Ki、Kd，它首先進行模糊化計算，然后根據模糊控制規則進行邏輯推理和判決，得到3個輸出變量Kp、Ki、Kd。將整定出來的3個參數進行常規的PID運算，得到PID的控制量，再經過一定的環節處理后，以達到對同步發電機輸出電壓進行控制的目的。其基本組成如圖3所示。

(2) MATLAB仿真

在MATLAB的SIMULINK環境下對同步發電機勵磁控制系統進行仿真，首先是沒有任何控制的情況下的階躍響應，然后分別采用傳統的PID控制和參數模糊自適應PID控制兩種控制方法，通過仿真比較它們的控制性能。

仿真結果表明：對于同樣一個勵磁控制系統，相對與采用常規的PID勵磁調節規律來控制，擁有了參數自調整功能的模糊自適應PID勵磁調節規律，具有較多的優點。從仿真的波形圖可以看出，采用常規的PID控制，響應速度較慢，且具有一定的超調量，如圖4。而應用模糊自適應PID控制的系統階躍響應曲線響應速度明顯加快了，并且是一條平滑的曲線，基本上消除了超調所帶來的影響，如圖5。因此，可以確定的是，模糊自適應PID勵磁控制較常規PID勵磁控制有著更好的動態品質。

3 結論

從實際應用出發，設計了基于AT89C51的全數字式同步發電機模糊自適應PID勵磁控制系統。從仿真和樣機的試驗結果來看，控制算法精確，可以達到系統控制要求。隨著經濟的快速發展，城鄉電力供應緊張引起的中、小型備用電源需求的增長等等，都將使微機勵磁同步發電機具有廣闊的應用前景和樂觀的市場前景。因此，開發完善的同步發電機微機勵磁系統具有現實意義。

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