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1、7.1 单片机应用系统设计实例1 无功功率补偿控制器设计 7.2 单片机应用系统设计实例2 风力发电并网变流器控制器设计 7.3 单片机应用系统设计实例3 食堂售饭射频卡收费系统设计,7.1.1 需求分析无功功率是指在电源和负载之间进行能量交换，但是却不消耗那部分能量，比如电感负载在一定的时间内吸收能量，在另外一部分时间内释放能量，而电感并不消耗这部分能量。无功功率的存在对于电网具有很大的影响，比如增加设备容量、增加设备及线路损耗，使线路及变压器的电压降增大等。因此对于无功功率严重的公共电网，必须进行无功功率补偿。无功功率的补偿有很多种方法，并联电容器的方法成本较低，而且补偿效果较好，是一种常
2、用的方法。,7.1 单片机应用系统设计实例1无功功率补偿控制器设计,无功功率补偿控制器由单片机控制，实时检测电力系统的无功功率和电压、电流，根据系统无功功率和电压的大小投切电容器组，实现无功功率补偿。该产品具有完善的显示、控制和保护功能，可实时显示功率因数、系统电压、负载电流、无功功率、温度、谐波及电容投切状态。还可实时在线设置CT变比、投入门限、切除门限、过电压、欠电压、谐波上限、无功上/下限等参数。该控制器有12个控制输出，用在无功补偿中可控制12组电容器的投切。此外还有一组继电器用作报警信号(包括电压越上限或下限，温度越上限等)，可启动外接报警器。无功功率补偿控制器的输出是继电器节点信号
3、，用于控制接触器的投切，是一种有触点无功功率补偿装置的控制器。,7.1.2 系统设计1.系统总体设计无功功率补偿控制器能够根据监测到的电力系统的无功功率，投切相应补充容量的电容，从而补偿电力系统的无功功率。并联电容器补偿电力系统无功功率的总体结构如图7.1所示。,图7.1 并联电容器补偿无功功率总体结构,无功功率补偿控制器应具有如下功能：控制器可自动对112组电容器进行循环投切。每组电容器可设定为长期接通或断开。合理控制，按无功功率大小补偿无功功率，杜绝投切振荡。测量及计算相关参数，测量电路中的电压、电流值，并计算无功功率、功率因数、谐波含量等参数。根据不同用户的要求可在线设置电压PT、电流C
4、T、电容器组投切参数、运行电压范围、动作延迟时间、报警限值等参数。,过压或欠压时闭锁电容投切。设置动作延迟时间，防止频繁动作。设置每组电容器动作间隔，保护电容器免受涌流冲击。装置能有效提高功率因数，减少电网损耗。改善供电质量。可实现电流过零时刻投切电容，对系统无涌流冲击，并可对快速变化的无功负荷进行跟踪补偿，响应时间小于20 ms，消除电压波动，抑制电压闪变。循环投切的功能。,温度测量功能，可测量并显示控制器所处的环境温度，温度越限时有报警信号输出，启动冷却风机。保护及报警功能，保护功能包括过压保护、欠压保护、谐波保护、温度保护四种保护。报警功能要求系统在过压、欠压、谐波过高及环境温度过高等情
5、况下都会有报警显示，报警指示灯闪烁，并有报警节点信号输出。自动运行功能，即停电退出，送电后自动恢复运行。根据功能需求，系统硬件组成框图如图7.2所示，包括主控单片机、系统电路模块、键盘模块、液晶显示模块、参数测量模块、继电器驱动及输出模块、保护及报警模块等。,图7.2 无功功率补偿控制器硬件组成框图,各模块的详细设计及功能见各模块设计部分。2.各模块设计键盘模块：键盘模块主要用来向单片机输入数值，完成参数设置。为了简洁和操作方便，本控制器设计6个按键，分别为菜单键、上键、下键、左键、右键、返回键。菜单键用来进行菜单选择，上、下、左、右四个键用来选择菜单的某个选项，选定后具体设置的时候左、右键进
6、行位选择，上、下键进行具体值的调整。返回键用来返回上一级菜单。,液晶显示模块：液晶显示模块用来显示相关参数以及参数设置结果。液晶显示器在上电后，会进入实时数据显示画面，显示如下内容(其中数值均为示例)：功率因数：0.9879。系统线电流：9999。母线间电压：380。系统无功功率：9999 kvar。环境温度：33。谐波：总谐波含量，3、5、7次谐波含量。继电器状态：实时显示目前各继电器的接通状态。,当按下菜单键时，进入菜单选择页面。在第一级菜单选择页面上，主要有参数设置、系数设置、报警设置、极性侦测、继电器测试五个菜单选项。通过上、下、左、右键把光标移动到相应的菜单选项上，按菜单键，则进入相
7、关子菜单页面。参数设置子菜单页面主要有如下参数需要设置：无功上限：当系统感性无功功率大于此值时控制器发出投电容器组的指令。无功下限：当系统容性无功功率大于此值时，控制器发出切电容器组的指令。过压值：(电容器组正常投切的电压最高值)电压超过该设定值时，尽管无功功率大于上限，也不再投入电容，此值一般为1.07UN(UN为PT二次侧值)。,欠压值：(电容器正常投切的电压最低值)电压小于此设定值时，尽管容性无功功率大于下限，也不切除电容，此值一般为0.85UN0.9UN。电容器动作延时：当满足电容器组投切要求时，延时设定值投切电容器组。可设定范围为099 s，一般设为30 s。电容器组间动作延时：当电
8、容器组切下后到再投时的延时，可设定范围为0250 s，根据电容器的充、放电时间确定，一般设为250 s。温度上限：温度高于上限时，发报警信号。谐波上限：当电压的谐波高于此设定值时切除所有的电容器组。,继电器状态设置和每组电容容量及控制方式设定：继电器的属性子选单。电容器投切方式：控制器有循环式和堆叠式两种投切方式，循环式是先投后切，堆叠式是后投先切。通过上、下键选择相关选项，按菜单键进入每个选项的具体值的设定，左、右键选择要设置的值的位(指个位、十位、百位)，然后通过上、下键调整所选位的值。系数设置子菜单页面主要有如下参数需要设置：PT变比。电流系数(误差)。CT变比。,报警设置子菜单页面主要
9、有如下参数需要设置：过压报警开关状态设置。欠压报警开关状态设置。超温报警开关状态设置。谐波报警开关状态设置。极性侦测用来检测从传感器检测的电压和电流值极性是否相反。继电器测试用来对每路继电器的工作状态进行测试。,继电器驱动及输出模块：无功功率补偿控制器对外输出继电器信号，来进行电容的投切。可以对12组电容器进行循环投切，根据无功功率大小，能自动选择需要投切或者断开的继电器。过压或欠压时闭锁电容投切。为了防止频繁动作，设置了动作延时时间。为了保护电容器免受涌流冲击，设置了每组电容器动作间隔。参数测量模块：检测电网的电压、电流和环境温度，并根据检测到的电压和电流计算有功功率、无功功率、功率因数、谐
10、波含量等参数。这些参数均可以通过AD公司的功率检测芯片ADE7758来进行测定。,保护及报警模块：过压保护：母线电压高于过压设定值时，分组切除投入的电容器组。欠压保护：母线电压低于欠压设定值时，切除所有投入的电容器组。谐波保护：母线电压的谐波高于设定值时，切除所有投入的电容器组。报警功能：系统可在线设置电压上、下限和温度上限；系统在过压、欠压及环境温度过高时都会有报警显示，报警指示灯闪烁，并有报警节点信号输出。,3.系统程序设计本控制器从功能上来看，软件可以分为三部分：液晶显示器及键盘部分，主要进行各种参数的设置；主控制及驱动程序部分，根据无功功率和设置的各种参数，按所选择的投切方式驱动继电器
11、，完成电容的投切；电网参数测量部分，主要是通过SPI接口对ADE7758的相关寄存器进行读取，并把读取到的值还原为实际的电网参数。液晶显示器部分程序与主控程序之间通过全局变量的形式进行参数传递，而电网参数测量部分和主控制程序之间通过调用子函数的方式进行参数传递。主控制及驱动程序的软件流程图如图7.3所示。,图7.3 主控制程序流程图,7.1.3 硬件电路原理图及PCB设计硬件电路原理图采用Protel进行设计。1.单片机及其系统控制电路设计单片机及其系统控制电路如图7.4所示。单片机选用了飞利浦公司的PCF80C552-5-16WP，这种单片机有48个I/O口，完全可以满足我们扩展液晶显示器、
12、键盘和驱动继电器的需要。,系统控制电路包括电源电路、时钟电路和复位电路。电源电路采用了一个AC/DC模块，输入为220 V市电，输出为+5 V，供控制器电路使用。为了增强抗干扰能力，电源系统采用容值大小不同的电容并联进行电源滤波，容值分别为47 F和0.1 F(一般相差100倍以上即可)。每个芯片的电源和地之间都加入了0.1 F的去耦电容。复位电路设计了上电复位和手动复位两种方式。时钟电路使用外部晶体和内部振荡器，振荡频率为11.0592 MHz。,图7.4 单片机及系统控制电路,2.键盘及液晶显示电路设计本控制器根据系统功能需求，共设计了六个按键，每个按键对应于一个I/O口。同时所有的按键都
13、通过与门输入到单片机的中断引脚上，只要任意一个键按下，都会得到单片机的响应。液晶显示模块采用了深圳拓普微公司的LM2068，它是一款320240点阵的液晶显示器，内部继承了驱动器和中文字库，每个页面最多可显示2015共300个汉字。它与单片机的接口原理请参见相关数据手册和使用指南(可以在拓普微公司的网站上下载)。键盘及液晶显示电路设计如图7.5所示。,3.电网参数检测电路设计电网参数检测芯片采用了AD公司的ADE7758，它可以同时采集三相电压和电流。根据采集的电压和电流能够自动计算无功功率、有功功率、功率因数、谐波、温度等，并把相关参数存储到其内部寄存器中。单片机通过SPI接口读取ADE77
14、58的相关寄存器，即可得到所需的各种参数。,ADE7758的电压检测引脚输入电压范围为-0.5+0.5 V，从电网进来的电压有效值为220 V，峰值为380 V，通过电阻分压，使实际输入到ADE7758的电压为-0.38+0.38 V，在允许的电压范围之内。电流检测采用了电流互感器的方式。具体检测电路如图7.6所示。其相关接口信号请参见相关资料。,图7.5 键盘及液晶显示电路,图7.6 电网参数检测电路,4.继电器驱动及输出电路设计对外的输出有12个投切电容继电器、1个故障信息输出继电器和1个运行/故障灯。对继电器的控制采用I/O引脚控制，单片机的每个I/O口控制一个继电器。由于单片机I/O口
15、的驱动能力有限，因此在单片机和I/O口之间加入达林顿管芯片ULN2003进行功率放大。继电器驱动及输出部分电路如图7.7所示。,图7.7 继电器驱动及输出电路,5.保护及报警模块电路图保护及报警模块的功能主要是当电压、电流、谐波、温度等超过限值时，采取相关保护和报警措施。对于各种参数是否超限的检测主要在软件中进行，一旦检测到故障信号后，就发出报警信号。报警信号的输出采用发光管和继电器输出两种形式，发光管通过闪烁的形式提示故障信号，继电器输出供用户外部连接其他的故障保护设备。具体电路如图7.8所示。,图7.8 保护及故障保护电路,6.接线端子设计本控制器对外的接线端子有输入端子、电容器控制输出端
16、子、报警输出端子，具体设置情况如图7.9所示。7.PCB设计PCB的设计与电路原理图的设计采用同一个设计工具Protel。PCB设计时需要考虑的几个问题是适当的尺寸大小、合理的元器件布局、适当的对外接口位置及较强的抗干扰能力。,本系统中既有强电信号，如继电器、电流互感器等，又有单片机及液晶显示器等弱电信号。为了降低电磁干扰，把强电和弱电分别布在一个电路板上，两个电路板之间通过接口连线进行联系。一个电路板以单片机、液晶显示器、键盘等弱电信号为主，另一个电路板以继电器、参数测量等与强电信号相连的电路为主。,图7.9 无功功率补偿控制器接线端子,为了增强抗干扰能力，加大了电源线宽度，减少了环路电阻。
17、一般电源线和地线的宽度应至少是24 mm。对于功率消耗较大，也就是流过电流较大的单片机系统，电源线的宽度还应该更宽。同时，PCB走线时应尽量降低电源线的长度。对于地线，应在尽可能的情况下采用敷铜技术，把电路板上空余的地方全部敷铜，增大地线宽度。如果技术条件允许，最好采用多层板技术，专门设置一个电源内层。信号线一般不出现锐角。,7.1.4 系统调试1.前期基本调试电路板做好以后，先进行基本连接关系的初步检查调试，主要是看有没有断线或者明显的短路情况。确定没有问题之后再进行相关电器元件的焊接。元器件焊接完成后，在上电之前先检查电源的两个输入端子有没有短路，在没有短路的情况下才可以上电。第一次上电时
18、要小心，应仔细观察上电后是否有异常气味或者声音，有没有芯片发烫严重，发现这些问题后，应立即断电，排查故障。每次电路修改后再上电时都要进行检查。,上电没有故障后，首先用万用表检查各个芯片的电源与地是否正确连接，在电源和地正确连接的情况下再去检测晶振电路是否起振。在电源和晶振都正常工作的情况下，先调试单片机的基本运行情况，运行一个简单程序，看结果是否正确。然后设置I/O口输出，看结果是否正确。,2.功能模块调试当确定单片机可以正常工作后，下面进入功能调试阶段。功能调试阶段按功能模块一步步进行调试，然后再进行系统联调。继电器驱动系统调试时，先使用实验室直流+5 V电源通过达林顿管给继电器线圈供电，检
19、查继电器的输出，看继电器输出系统基本电气连接和输出逻辑是否正确。然后再通过单片机编程I/O口来驱动继电器。,键盘和液晶显示电路调试时，先看当键盘按下时，输入到单片机相关I/O口以及中断引脚的电平是否正确。然后再通过单片机向液晶显示器输出一个简单的显示内容，看是否可以正确显示。无误后再调试通过键盘设置相关参数并通过液晶显示器进行显示的程序。参数检测电路的调试主要是电压、电流的检测，以及电压、电流、无功功率、功率因数、谐波含量等参数的读取。实验室里面的市电电源一般都含有一定的无功功率，通过霍尔传感器或者互感器把电压、电流输入到无功功率补偿控制器相关端子，单片机从ADE7758读出相关参数后，与电源
20、中的实际无功功率进行比较。电源中的实际无功功率可以通过无功功率检测仪来进行检测。另外，也可以使用可编程电源来模拟含有无功功率和谐波的电网情况。,3.系统联调基本功能调试完成并确定没有错误后，接下来就是把各个基本功能模块结合在一起进行产品的综合调试，我们称为系统联调。系统联调主要检测设备可否完成要求的各种功能，包括正常情况下的电容器投切功能和各种极端情况下的报警和保护功能。这里面的一个关键是如何模拟现场中的各种极端情况，比如电压过高、电压过低、谐波过高等。这些极端情况在实际市电电线中一般情况下是不允许出现的，一旦出现将会引发相关灾害。为了在实验室模拟这些极端情况，我们采用可编程电源来给设备供电，
21、从而来模拟各种极端情况。,为了观测实际的补偿效果，给无功功率补偿设备并联一台无功功率检测仪，实时检测补偿前和补偿后无功功率的变化。同时用一台示波器通过互感器实时观察电源的电压和电流波形，特别是电容器投切的动态过程中电压和电流波形的变化。,7.1.5 文档编制文件既是设计工作的结果，也是以后使用、维修以及进一步开发的依据和基础。因此，设计工作完成后一定要精心编写工作文件，尽可能描述清楚，使数据和资料齐全。文件应包括任务描述、性能测定及现场试用报告与说明、使用指南等。最后，设计人员提交的文档应包括：(1)需求说明，包括具体的产品应用场合、产品应实现的功能、产品设计要求等内容。(2)概要设计说明，主
22、要是系统功能设计、设计指导思想及设计方案论证。,(3)详细设计说明，根据概要设计所采取的方案，对详细设计过程进行说明，包括功能模块的划分，每一模块的具体实现，各模块之间的接口情况，电子元器件的选型，硬件电路设计思路等。(4)各种硬件图纸，包括硬件电路原理图、元件布置图及接线图、线路板图、接插件引脚图等。(5)软件相关资料，包括软件流程图、程序清单、程序说明等。(6)用户手册/使用指南，提供给用户使用，使用户根据手册或指南就能进行各种相关操作。用户手册/使用指南的编写要求语言简洁，内容全面，且不能有歧义。,7.2.1 需求分析随着传统化石燃料能源的日益枯竭，以及化石燃料能源对环境的影响，新能源发
23、电日益成为各国竞相关注的热点。特别是随着技术的进步，新能源发电的发电成本日益降低，而传统能源，如石油、天然气等的价格却日益提升，这使得新能源发电已经具备了和传统化石燃料能源竞争的条件。新能源发电包括太阳能发电、风力发电、生物质能发电等。从技术成熟度和发电成本上来看，目前以风力发电最具有短时间内迅速发展的潜力。,7.2 单片机应用系统设计实例2风力发电并网变流器控制器设计,根据所采用风轮形式的不同，风力发电系统可分为垂直轴风机和水平轴风机两种。目前，水平轴风机在实际应用中占据绝对优势。大功率场合常以双馈发电机和永磁同步发电机为主。双馈发电机的优势在于并网变流器仅流过发电量的三分之一左右，因此在同
24、样的发电量并网的情况下，成本较低；其缺点是不论是发电机本身的设计，还是控制系统的设计，都比较复杂。,永磁同步发电机的优势在于可以实现直接驱动，节省了齿轮箱，降低了系统成本，而且不论发电机的设计还是控制系统都比双馈发电机简单。但是永磁发电机所有的并网电量都要经过并网变流器，对电力电子装置的要求较高。我们的设计使用水平轴风机直接驱动永磁同步发电机这种发电方式。其中，风力发电系统的总体结构如图7.10所示。图中，并网变流器采用了电压源型并网变流器。作为自动化类专业的技术人员，我们的设计主要集中在并网变流器控制器上。,图7.10 风力发电系统总体结构,电网对风力发电并网的要求是：必须遵守电网对电能质量
25、的要求，送入电网中的电能功率因数高，谐波含量少，并且输送功率稳定。由于在实际运行中，风力时大时小，随机变化比较大，使风力发电机发出来的电能波动也比较大，因此必须通过并网变流器的控制，使送入电网中的电能符合电网对电能质量的要求。,7.2.2 系统设计并网变流器包含电机侧的整流电路和电网侧的逆变电路。电机侧的整流电路主要进行最大功率跟踪；电网侧逆变电路主要进行并网电能的电能质量控制。从硬件电路来看，整个控制器包括控制芯片、信号调理电路、驱动电路三部分。从控制算法及软件功能来看，包括电机侧整流电路控制算法及程序和电网侧逆变器控制算法及程序。,1.电机侧整流电路控制电机侧整流电路的作用是把风力发电机发
26、出的交流电能变换为直流电能，供给电网逆变器并网。控制目的有两个：最大功率跟踪和单位功率因数，而对于整流后直流侧电压的大小不进行控制，直流侧电压的控制交由电网侧逆变器负责。控制算法如图7.11所示。图中，所有带*号的变量均为期望的指令信号，其他的都是实际从电路中采集的信号。,图7.11 电机侧整流电路控制算法,根据空气动力学理论，风机从空气运动中获得的能量大小和风速以及风机转速有关系。只有在风速和风机转速保持一个特定的比值时，风机才能捕获最大功率，提高运行效率，这个通过控制风机转速来达到最大功率捕获的过程称为最大功率跟踪控制。对于任何已经安装好的风力发电系统，风机转速与电机转速的比值取决于齿轮箱
27、的变速比，对于没有齿轮箱的直驱式风力发电系统，风机转速等于电机转速。所以实际控制中控制的是电机转速，以此来实现最大功率跟踪(MPPT)。,整个控制算法把三相静止坐标系(a-b-c坐标系)变换到两相同步旋转坐标系(d-q坐标系)进行控制，这样可以把a-b-c坐标系中的交流变量变换为d-q坐标系中的直流量，通过PI控制器可以达到无差控制。同时，变换后，d轴分量对应于有功分量，q轴分量对应于无功分量，通过把q轴分量控制为0，可以实现单位功率因数控制。,控制算法采集电机的实际转速和电机三相电压及电流Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic信号(因为电机三相对称，实际采集的时候只要采集两相电压和电流信号即可)
28、，经过最大功率跟踪控制算法得到期望的电机转速，期望的电机转速与实际电机转速的差值经过PI控制器，得到期望的d轴电流分量，这也是期望的有功电流分量。,从电机中采集的实际电流信号通过3-2变换，得到实际的d轴和q轴电流分量Id、Iq，实际的d轴电流分量与期望的d轴电流分量差值经过PI控制器调节，得到所期望的d轴电压分量。为了得到较高的功率因数，期望的q轴电流分量Iq*一般为0，通过PI的无差控制，把实际的q轴电流分量Iq控制为零。期望的q轴电流分量与实际的q轴电流分量之差经过PI控制，得到期望的q轴电压分量。同步旋转坐标系d-q电压分量经过两相同步旋转坐标系到两相静止坐标系(-坐标系的变换，得到)
29、-坐标系的转换，得到电压值，再经过空间矢量PWM调制(SVPWM)，得到驱动整流电路开关器件的6路PWM信号PWM1PWM6。,根据控制算法的要求，需要从电机侧整流器主电路采集相应电压及电流信号。电机侧整流电路所需要的输入/输出信号如下：模拟量输入信号(4路)：包括两相电流信号(2路)及两相电压信号(2路)。这些信号均来自并网变流器主电路霍尔元件的输出，输入到信号调理板为电流信号。风力发电系统设计功率为3 kW，发电机额定电压为380 V，故每相额定电流为2.3 A。为保证测量精度，我们要求额定电流2.3 A时，霍尔传感器的输出电流为5.75 mA，即霍尔器件的转换率为1400。模拟量输入信号
30、通过A/D转换器输入主控制单片机。,脉冲/频率信号输入(2路)：包括发电机转速信号(1路)和风机的输出转矩(频率量1路)信号。这些信号均来自风机和发电机模块，所有的脉冲/频率信号均为方波信号输入，幅值为5 V。其中，发电机转速信号频率为515 kHz，转距信号频率为09 kHz。所有的频率信号均经过F/V转换模块转换成电压信号，通过A/D转换器进行测量。开关量输入信号(1路)：即过流反馈信号(1路)，是来自并网变流器主电路，幅值为5 V的开关量。过流反馈信号属于故障信号，经过与门后直接接到单片机的中断引脚。输出信号(12路)：为驱动信号，由单片机产生PWM1PWM6，经过驱动板，给并网变流器主
31、电路的电力电子开关器件提供开通和关断脉冲。输出脉冲幅值为3.3 V。,2.电网侧逆变器控制电网侧逆变器的作用是把风力发电机发出的电能送入电网，控制目的有三个：把风力发电机经整流电路传送过的电能完全传送给电网；控制直流侧电压值在一定范围；根据系统需要给电力系统提供一定的无功功率。一般情况下，设计的电网侧逆变器还应对电网的各种故障，如三相不平衡、电压暂升暂降、短路等有一定的抗击能力，但由于故障情况很少出现，因此本设计对这一部分暂不涉及。逆变器主电路采用电压源型(VSI)逆变器，即直流侧有一大的滤波电容，该电容同时可以起到能量缓冲的作用。电网侧逆变器控制算法如图7.12所示。,图7.12 电网侧逆变
32、器控制算法,电网侧逆变器对于输出电压不进行控制，因为输出端直接接到电网，而电网容量相对于风力发电机来说可以认为无穷大，所以输出电压被电网电压钳位。输出功率的控制通过控制输出电流来实现。由于采用了VSI，因此要求直流侧电压大于交流侧线电压峰值，并留有一定的裕量。对于输出功率大小的控制是通过对直流侧电压的控制来进行的。当输出功率大于风力发电机输送过来的功率时，直流侧电容对外释放能量，直流侧电压就会降低；当输出功率小于风力发电机输送过来的功率时，直流测电容吸收能量，直流侧电压就会升高。这样，我们控制直流侧电压为无差，就能保证风力发电机发出的电能完全送入电网。,为便于有功功率和无功功率分别控制，同样整
33、个控制是在两相同步旋转坐标系(d-q坐标系)中进行的。在d轴进行传输的有功功率控制，在q轴进行传输的无功功率控制。一般情况下都希望电网侧逆变器达到单位功率因数，因此在我们的控制算法中把q轴电流分量置为0。,控制算法首先采集直流侧电压Udc，Udc跟期望的直流侧电压进行比较，比较结果经过PI控制器，得到期望的有功电流。期望有功电流与实际有功电流Id差值经过PI控制得到期望的d轴电压分量，无功电流经过PI控制后得到期望的q轴电压分量。然后经过2-3变换，把d-q坐标系中的电压分量变换为自然坐标系(abc坐标系)中的电压分量，然后经过正弦PWM调制(SPWM)，得到驱动逆变器开关器件的6路PWM信号
34、：PWM1PWM6。,根据控制算法的要求，需要从电网侧逆变器主电路采集相应的电压和电流信号，具体信号形式及数量如下：模拟量输入(5路)：包括逆变器输出电流(2路)、电网侧电压(2路)和直流侧电压(1路)，这些信号均来自并网变流器主电路模块。采用霍尔器件进行检测，对于控制器为电流信号输入。风力发电系统初步设计功率为3 kW，发电机额定电压为380 V，故每相额定电流为2.3 A。为保证测量精度，我们要求额定电流2.3 A时，霍尔传感器的输出电流为5.75 mA，即霍尔器件的转换率为1400。这些模拟量输入信号通过A/D转换器输入到单片机。,开关量输入信号(1路)：即过流反馈信号(1路)，来自并网
35、变流器主电路智能功率模块IPM1。过流反馈信号属于故障信号，为幅值为5 V的开关量，低电平有效，直接接到单片机的中断引脚。输出信号(6路)：为驱动信号，由单片机产生PWM7PWM12，经过驱动板，给并网变流器主电路的电力电子开关器件提供开通和关断脉冲。输出脉冲幅值为3.3 V。,3.并网变流器控制器设计根据前述功能需求及电机侧整流器和电网侧逆变器控制算法的要求，并网变流器应包含主控单片机、模拟量输入、开关量输入、频率信号输入、PWM输出、故障保护等几部分，如图7.13所示。,图7.13 并网变流器控制器功能框图,模拟量输入模块共需采集9路模拟量，由于均从主电路采集，因此要做好隔离和滤波。开关量
36、输入模块共2路开关量输入信号，分别为电机侧整流器和电网侧逆变器的过流反馈信号。频率信号输入模块共2路信号，分别为发电机转速信号(1路)和风机的输出转矩(频率量1路)信号。这些信号均来自风机和发电机模块，所有的脉冲/频率信号均为方波信号，幅值为5 V。PWM输出模块共输出12路PWM信号。故障保护模块当电机或者电网发生故障时，封锁输出的PWM脉冲。所需要考虑的故障有风速过大、风速过低、电机转速过大、电机转速过低、电网电压过高、电网电压过低、变流器电路过流等7种。,7.2.3 硬件电路原理图及PCB设计硬件电路原理图设计工具采用了Protel。1.单片机及其系统控制电路设计本控制器安装在风力发电机
37、控制柜内，控制柜尺寸较大，对本控制器没有严格的尺寸限制。为了加快开发速度，单片机及其系统控制电路没有自行设计，而是直接采用扩展了16路A/D转换器的开发板。开发板对外引出了所有的功能引脚。硬件上只设计了信号调理电路和驱动电路。其中，信号调理电路包括各种输入信号的采集电路；驱动电路包括单片机输出PWM信号与并网变流器开关器件之间的接口(死区、互锁、隔离等)和故障保护电路。,2.模拟量输入电路设计模拟量输入电路通过霍尔传感器采集主电路中的电压和电流信号输送到单片机开发板的A/D转换器上。霍尔传感器本身具有电磁隔离功能，因此模拟量输入电路没有专门再考虑隔离。从传感器过来的信号电压范围为-15+15
38、V，首先经过一个二阶滤波电路滤除开关频率的干扰，然后经过一个比例电路把信号电压范围降到-1.5+1.5 V，再经过一个加法电路把信号电压范围变到0+3 V，输入到A/D转换器引脚。A/D转换器引脚要求的电平为0+3.3 V，过大或者过小的输入电压都会对A/D转换器造成损害。因此在模拟量进入A/D转换器引脚之前使用了两个稳压二极管，以把信号电压稳定在0+3.3 V之间。其中一路模拟量输入电路如图7.14所示。,图7.14 模拟量输入电路,3.开关量输入电路设计开关量输入信号为+5 V的电平信号，反映变流器主电路的过流故障，低电平有效。因此可以直接把开关量信号输入到单片机的中断引脚，以保证单片机能
39、及时对过流故障做出反应。由于整流器和逆变器任意一个发生过流，都要关闭整个并网变流器，因此得两路开关量通过与门连接到一个中断引脚上。开关量输入电路如图7.15所示。,图7.15 开关量输入电路,4.频率输入电路设计频率量输入信号共有三路，分别是发电机转速信号、风机的输出转矩信号和风速信号。由于随着实际风速的变化，这三个量的频率变动范围也比较大，因此我们采用了F/V电路，把频率信号首先变换为电压信号，然后通过A/D转换器进行采集。频率输入通道电路如图7.16所示。,图7.16 频率输入通道电路,5.PWM输出电路设计PWM输出电路要对单片机输出的PWM信号进行互锁和加入死区。整流器和逆变器的每相桥
40、壁的上、下两个开关器件要互锁，即不能同时导通。由于开关器件的开通和关断都需要一定的过程，因此要在每个器件的开通时刻加入死区。互锁电路通过与门和非门结合完成；死区电路通过电阻和电容组成的一阶惯性环节和比较器结合在一起实现，比较器的反向输入端电压可调，调节该电压就可调节死区时间的大小。为了便于封锁脉冲，PWM加入死区后先经过一个传输门再对外输出。当传输门使能引脚使能时，可对外输出，当该引脚无效时，封锁PWM脉冲的输出。为防止单片机失控时乱发脉冲，传输门的使能引脚可通过故障信号直接封锁，也可以通过硬件按钮来封锁。具体的PWM输出电路如图7.17所示。,图7.17 PWM输出电路,6.故障保护电路设计
41、故障保护电路首先要检测各种故障，包括风速过大、风速过低、电机转速过大、电机转速过低、电网电压过高、电网电压过低、变流器电路过流7种故障。故障检测通过比较器即可完成。对于模拟量信号，直接比较输入电压与门限电压；对于频率信号，比较经F/V转换后的电压与门限电压。比较器的输出逻辑设置为有故障的时候输出高电平，无故障的时候输出低电平。故障信号在故障排除以前要一直保持，因此故障信号先经过锁存器进行锁存，锁存器的复位可以通过单片机I/O来控制，也可以通过手动开关来控制。任意故障发生时，均要封锁输出的PWM脉冲，所以所有故障信号经过或门连接到传输门的使能引脚上。故障保护电路如图7.18所示。,图7.18 故
42、障保护电路,7.PCB设计PCB的设计与电路原理图设计采用同一个设计工具Protel。PCB设计时需要考虑的问题有：适当的尺寸大小、合理的元器件布局、适当的对外接口位置和较强的抗干扰能力。本控制器对于尺寸没有严格限制，所以为了降低干扰，便于调试，可以在不影响信号质量和美观的情况下把电路板尺寸布的稍微大一些。模拟器件要尽量布在一起，数字器件要尽量布在一起。模拟地和数字地不要穿插连接，模拟地连接模拟地，数字低连接数字地，二者最后通过一点进行连接接地即可。,对于信号相仿且传输距离较长的信号线，应尽量平行布线，降低相互之间的干扰。为了增强抗干扰能力，加大了电源线宽度，减少了环路电阻。一般电源线和地线的
43、宽度应至少是24 mm。对于功率消耗较大，也就是流过电流较大的单片机系统，电源线的宽度还应该更宽。同时，PCB走线时应尽量降低电源线的长度。对于地线，应在尽可能的情况下采用敷铜技术，把电路板上空余的地方全部敷铜，增大地线宽度。如果技术条件允许，最好采用多层板技术，专门设置一个电源内层。,7.2.4 系统调试1.前期基本调试电路板做好以后，先进行基本连接关系的初步检查调试，主要是看有没有断线或者明显的短路情况。确定没有问题之后再进行相关电器元件的焊接。元器件焊接完成后，在上电之前先检查电源的两个输入端子有没有短路，没有短路的情况下才可以上电。第一次上电时要小心，仔细观察上电后是否有异常气味或者声
44、音，有没有芯片发烫严重，发现这些问题后，应立即断电，排查故障。每次电路修改后再上电时都要进行检查。由于单片机电路采用了开发板，无须对单片机及其系统控制电路的工作情况进行调试，因此上电没有故障后，即可进入功能模块调试。,2.功能模块调试模拟量输入模块先通过简单的电位器分压电路输入一个变化的电压，然后观察输入到A/D转换器引脚上的电压是否正确。除了正常范围电压的调试，还要测试输入电压超出范围时，稳压二极管工作是否稳定。开关量输入模块的检测比较简单，给输入端加入+5V高电平，看单片机中断引脚是否有有效电平，同时看是否引起PWM脉冲输出封锁即可。频率信号输入电路的调试是通过信号发生器加入一定频率的方波
45、信号，看输出电压值是否正确即可。故障保护电路的调试是通过电位器分压电路加入较大或较低的电压值(在故障保护范围内)，看故障保护电路是否正确，同时检查故障复位按钮是否能够复位故障信号。,3.系统联调系统联调的时候，首先分别调试电机侧整流器和电网侧逆变器的控制。调试整流器控制时，由于实验室内很难安装实际的风机，因此需要用一个电动机来模拟风机的运行(电动机带动发电机来模拟风机带动发电机)。因为发电机一旦转动就会发出电能，因此单独调试整流器的时候必须给输出侧加入消耗负载的装置，可以加一个较大的电阻消耗电能。,调试逆变器的时候，直流侧通过电池供电，交流侧通过调压器连接到电网上。由于电池电压恒定，因此直流侧
46、必须给电池串联一个电阻，然后再跟电容相连才能给逆变器提供电能。电池、电阻和电容的接法如图7.19所示。整流器和逆变器分别调试完后，再把整流器和逆变器接在一起，进行整个系统的发电并网产品调试。在调试过程中需要特别注意的是，单片机输出的PWM信号跟并网变流器开关器件的正确连接，一旦接错，就会发生开路或者短路，给设备造成损害。,7.2.5 文档编制整个设计完成后，为便于使用、维修以及进一步开发，一定要精心编写工作文件，尽可能描述清楚，使数据和资料齐全。文件应包括任务描述、性能测定及现场试用报告与说明、使用指南等。最后设计人员提交的文档应包括：(1)需求说明，包括具体的产品应用场合、产品应实现的功能、
47、产品设计要求等内容。(2)概要设计说明，主要是系统功能设计、设计指导思想及设计方案论证。,(3)详细设计说明，根据概要设计所采取的方案，对详细设计过程进行说明，包括功能模块的划分，每一模块的具体实现，各模块之间的接口情况，电子元器件的选型，硬件电路设计思路等。(4)各种硬件图纸，包括硬件电路原理图、元件布置图及接线图、线路板图、接插件引脚图等。(5)软件相关资料，包括软件流程图、程序清单、程序说明等。(6)用户手册/使用指南，提供给用户使用，使用户根据手册或指南就能进行各种相关操作。用户手册/使用指南的编写要求语言简洁，内容全面，且不能有歧义。,7.3.1 需求分析基于智能卡的校园一卡通技术对
48、于推进学校的信息化管理具有很大的推动作用，而食堂售饭则是校园卡应用最“传统”的一种形式，它从最早的饭票开始，经历了光电穿孔卡和接触式IC卡等形式，现在已经逐步被更便捷的非接触式射频卡代替。,7.3 单片机应用系统设计实例3食堂售饭射频卡收费系统设计,整个食堂售饭卡系统应由教工食堂、学生食堂1、学生食堂2若干个子系统组成，各子系统和膳食科组成一个大的局域网络。每个子系统由一台管理计算机通过485总线管理各售饭窗口的若干售饭机。售饭时，各售饭机独立离线工作，不与管理计算机通信，管理计算机在每天的一个特定时间去读取各售饭机的售饭记录。,售饭机应采用市电和蓄电池备份供电两种供电方式，要保证市电断电后能
49、自动切换到蓄电池，并能继续工作一段时间。售饭机应设计为双屏显示，分别供工作人员和就餐者观看售饭信息。售饭信息采用双向“镜像”保存，即从卡中扣除金额的同时，售饭机也保存售饭记录。每次管理计算机读取售饭机的售饭记录后，售饭机把售饭记录空间清空。如果售饭机的售饭记录空间已满，而管理计算机还没有读，则售饭机启动通信程序，向管理计算机发送请求读取记录的指令。,售饭机应具备卡密码鉴别功能，从而可对各种伪卡和挂失卡进行识别并报警；应能够根据管理计算机的设置，对每餐或者每天最高消费上额进行限制。膳食科和各子系统的PC可实现各种营业情况的汇总、统计、报表生成等数据处理功能，并向所管理的售饭机下传挂失卡名单等信息
50、；应可以完成发放新卡、对卡充值、卡挂失、补卡等功能。,7.3.2 系统设计整个售饭系统的设计包括网络管理计算机的管理软件设计、售饭机设计、系统组网设计三个主要部分。另外，根据客户需求还可能包括发卡器、自动充值机、自动挂失机等辅助部分的设计。售饭系统的组成如图7.20所示。,图7.20 售饭系统组成示意图,由于管理计算机和发卡器、自动充值机、自动挂失机使用量比较少，每个系统一般只需要一台，因此我们对这部分没有进行详细的软/硬件设计，而是采用了市场上现有的产品。整个设计针对管理计算机软件、售饭机的软/硬件、组网系统进行。1.管理计算机管理计算机负责整个售饭系统的网络管理和数据库管理功能。网络管理功
