（1）主控模件

主控模件是装置的核心处理单元，采用DSP与CPLD作为控制核心，完成模拟量信号调理、开出处理、信号采集以及控制算法等功能。CPU采用Motorola公司的16位DSP数字信号处理器DSP56F807，该DSP自带60K　Word的程序Flash，8K的数据Flash，因此只需外扩一个数据RAM。该DSP带两个外部中断，4个4通道定时器，两个全双工异步串行通讯接口。CPU通过串口和MMI模件进行数据交换。CPLD采用Altera公司的新型FPGA构造的MAXII系列的MAX1270，内部资源丰富，操作简单，响应速度快，能够实现包括测频、产生三相PWM信号和逻辑控制等功能。采用DSP与CPLD作为控制核心与传统的单片机相比有如下优势：一，将脉冲形成、测频与相位检测、逻辑编码、开入、开出等功能集成在CPLD中，与传统方法相比，极大地简化了外围接口电路，提高了装置整体的可靠性；二，因为很多功能都是在CPLD上完成的，DSP除了运算外仅仅是将控制命令以及相关信息给CPLD，这样既发挥DSP与CPLD本身的优势外还大大的节省了DSP的运算时间，提高了系统的实时性；三，在最重要的脉冲触发环节，DSP与CPLD是相互独立的，DSP仅仅是将触发控制角送给CPLD，控制由CPLD完成，当DSP受到干扰复位时，CPLD依然能正常工作，从而保证了整个系统的稳定性与可靠性。

主控板上13路模拟信号的调理电路，采用四片AD7865实现13路模拟信号的同步采样，对三相机端电流、三相机端电压实现同步交流采样，通过计算同时得到机端电流、机端电压、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数。

（2）MMI模件

MMI模件的CPU采用Philips的单片机P89C669，该单片机为增强型51内核，自带96K的程序flash，同时外扩数据flash和数据RAM。该单片机有2个串口，2个中断。MMI通过串口和CPU模件进行数据交换。GPS同步时钟信号经光电隔离后进入DSP的外部中断A对MMI模件进行对时。实时时钟选用DS12887，同时用MAX813作为监控芯片。

CPU芯片自带两个外部通讯的串行接口，其中一个经485转换器(MAX485)和CPU模件进行通讯，另一个作为对外的调试串口。MMI模件通过16C2552扩展2个串口。两个串口中断共用单片机的外部中断B，然后通过位判断确定是哪个串口中断。对外通讯口接至CPU模件端子输出。装置前面板装有轻触式按键、复位按钮、液晶显示器及指示灯。轻触式按键共有9个，作为开入信号，经总线驱动后由CPU读取。复位按钮对MMI模件及CPU模件进行复位。单片机通过数据总线及总线驱动器输出液晶的显示信号，同时通过I/O口输出液晶控制信号。

（3）电源与交流模件

电源及开入模件提供装置各插件所需的 24V、±15V及 5V电源，同时模件上设计有24V开入信号的接口电路。

交流输入模件将高电压、强电流等交流信号经PT、CT转换为低电压信号，同时起到强电与弱电之间的隔离作用。在励磁调节器中需要采集的电量有三相机端电压、单相系统电压、三相同步电压、单相机端测量电压、三相机端电流、三相励磁电流。电压信号均为额定值100V的交流信号，电流为额定值5A的交流信号。

（4）脉冲信号模件

脉冲信号放大模件将从CPLD发出的3.3V触发脉冲信号，经过光耦隔离，通过三极管将脉冲信号电压放大，提供给脉冲变压器强度合适的脉冲信号。触发脉冲放大板共包含三个功能：一是从CPLD出来的脉冲在脉冲放大板上经过总线驱动、光电隔离、信号放大和脉冲变隔离放大；二是脉冲信号在脉冲变之前返读，返读信号经过调理，经过光电隔离后送入CPU板的CPLD；三是对脉冲信号的闭锁。

脉冲触发信号通过脉冲变压器实现高压电路和低压控制电路之间的隔离，脉冲变压器同时可以通过等效电阻的调整实现控制门极脉冲信号的强度。

图3脉冲变压器隔离电路

3.2软件系统

励磁调节器具备机端电压自动调节和励磁电流手动调节两种方式，具有V/F限制，欠励限制、过励限制、过流反时限和空载过电压等多种限制和保护方式。

（1）软件结构

整个系统软件程序按功能分为以下几个相对独立的模块，主要包括：①系统初始化及上电自检程序模块；②开关量、模拟量的采集计算程序模块；③调节计算程序模块；④励磁限制、保护程序模块；⑤系统参量显示修改模块；⑥在线系统故障自诊断程序模块；⑦运行参数实时保存程序模块；⑧与上位机或LCU及其它智能装置的通讯程序模块；⑨CPLD内VHDL程序。DSP程序结构框图如图：

图4主程序流程框图

（2）控制原理

同步发电机励磁控制理论一直是电力系统中受到广泛关注的研究领域，众多控制理论和方法都被应用到了励磁调节器的设计中，并取得了丰富的研究成果。但是在小水电的励磁系统中，常用的控制算法仍然是PID控制，起到稳定系统的PSS功能一般在5W以上机组上才有必要使用。

PID控制是过程控制中应用最广泛的一种控制规律。其经典的算法公式如下：

由于在下位机的程序设计中，对于积分的累积计算会产生比较大的误差，因此现在常用的增量型的PID计算方法。

增量式PID算法在比位置式PID算法存在不少优点：

算式中不需要做累加，控制增量只和最近的几个采样值有关，容易通过加权处理得到较好的控制效果，并且消除了当偏差存在时发生饱和的危险。采用增量式PID算法，易于实现手动和自动之间的无冲击切换。

PID励磁控制系统应能达到如下控制目标：稳态时有较大的放大倍数，使发电机端电压接近恒定，保证发电机端电压静差率满足标准要求，使系统有较大的静态稳定极限；暂态时有较小的放大倍数，以避免超调和振荡，保证发电机间无功分配的稳定性。

因此在设计中对增量式PID控制有一些改进和处理。

对积分分量进行限幅。积分环节是为了消除静差，提高精度，但当系统中有较大扰动或大幅度改变给定值时，短时间内会有较大的偏差产生，同时系统有惯性和滞后，所以在积分项的作用下，往往会产生较大的超调量和长时间的波动，甚至引起系统的振荡。对积分项进行限幅可以减小超调，使控制性能有较大的改善。

在并网之后，PID控制取消微分项。在并网之后的电压调节都是小幅度变化，微分环节的加入，容易引进高频干扰，造成控制过程振荡，降低调节品质，导致电压调节不稳定。对增量PID计算结果进行限幅。可以使调节效果更为平稳，防止多次振荡。

设定调节死区。可以避免控制动作的过于频繁，消除由于频繁动作所引起的振荡。

4结论

针对小型发电机组，南瑞自控公司开发的励磁系统采用单通道、单桥臂设计结构，采用PID控制规律，具备电压调节、电流调节，具备过励、欠励等多种限制和保护的功能。励磁调节器采用DSP 51单片机 CPLD的双机结构，主回路采用三相全控桥，线性电阻灭磁，具有RC换相过电压保护、过流保护、直流过压保护等功能。整套装置功能完备，结构简洁，使用方便，适合在小水电站推广使用。

参考文献：

[1]周双喜,李丹.同步发电机数字式励磁调节器[M].北京:中国电力出版社,1998.

[2]樊俊等.同步发电机半导体励磁技术及应用[M].北京:水利电力出版社,1991.

来源：中国农村水电及电气化信息网