一、微机调速器的硬件结构
微机调速器的总体结构如图2一3一1所示，包括微机部分和液压随动系统部分。这里着重阐述微机部分的结构。由于微机调速器采用的硬件不同，其结构也有所差别。
系统结构主要有下列三种。
1.单元系统，如图2一3一1所示。其电气部分只有一个模块，当然，一个模块内可以是单CPU，也可以是多CPU.
2.双机系统，如图2一3一5(a)所示。首先，这是一种容错系统，其中一个模块为主机，另一个为辅机，两个模块互为热备用。当主机故障时，切换逻辑需确保自动无扰切换至辅机，辅机成为工作机，因而，这种系统的可靠性大大提高。其次，由于双机之间可以相互通信，因而能进行并行处理，使一些复杂的控制策略(如参数辨识、参数优化、自适应控制等)得以实现;此外，还可以进行互诊断。所以，这种系统的功能和可靠性都得到了很大改善。我国一般均采用这种结构，三峡电站机组的调速器也采用这种结构。
3.三机系统，如图2一3一5(c)所示。这也是一种容错系统。根据少数服从多数的原则，投票表决，确定正确输出。显然，它也只能容许单错误存在。上述原则可用min[(A,B),max(B,C),max(C,A)]表示。它既可用硬件实现，也可用软件实现。WOOD-WARD公司即采用了这种结构。显然，这种系统的可靠性也很高。华中理工大学还提出了一种三机混合容错系统，即在三机状态下，采用投票表决的方法，当其中一机故障时，则以双机容错系统方式运行。
在双机和三机系统中，每个模块可由微机控制器及模拟放大电路组成，也可只含微机控制器。双机系统的内部结构如图2-3一6所示。
各个模块的主要组成部分如下。
1.中央处理器部分。本部分是微机调速器的核心，其主要功能一方面是进行算术和逻辑运算，完成各项调节和控制任务;另一方面，指挥其他各组成部分按设定的功能和程序运行。由于微电子技术的迅猛发展，这一部分是更新最快的。目前，一般采用16位及32位的CPU.
2.输入接口
(1)开关量输入:开关量输入包括命令和状态两类。命令有开机、停机、工况切换等，上位机下达的参数修改命令也可以用开关量。状态含断路器闭合或开断等。
(2)模拟量输入:主要有导叶和桨叶接力器行程、水头(或上下游水位)、电功率等。必要时，也可引入发电机电压和电流(用作相位控制，或在调速与励磁综合控制器中应用)、液压随动系统中主配压阀及电液转换器的行程(用作其故障诊断)等。这些物理量
大多转换为4一20mA的电流信号，也有采用0~5V电压信号的。然后，经模数转换器ADC变为数字量。至于ADC的精度，视不同要求，可取12位或8位。
(3)特殊输入:这里主要指测频输入，将在后文中详述。
3.输出部分
(1>开关量输出:主要用于警报、显示等。
(2)模拟量输出:主要指用来控制导叶和桨叶的控制输出。根据工况和各种输入经计算而得的控制量。经DAC(一般为12位)转换为模拟量，再经功率放大传送给电液随动系统。如前所述，可采用模拟综合和数字综合。在模拟综合时，DAC单向的，如0~5V，而在数字综合时，DAC为双向的，如一5~+5V。此外，还可有用于显示等的其他模拟输出。
4.通信部分
(1)内部通信:当微机调速器采用双机或三机模式或具有多个CPU时，为了相互传送参数和状态，必须进行内部通信。由于距离短，又为了提高速度，通常均采用并行通信。
(2)与上位机的通信:根据电站计算机监控系统结构的不同，与微机调速器相连的上位机可能是置于中央控制室的主机，也可能是RTU或LCU。为了简化连线，通常均采用串行通信，如RS425 ,485等。这部分通信的内容包括参数给定指令(如功率给定、频率给定、永态转差系数等)的下传、调速器运行状态(如调速器及其各模块的工作状态及其相应的故障信息)和参数(如调速器的调节控制参数、导叶及桨叶的接力器行程等)的上送。
近年来，现场总线得到了广泛的应用，在调速器与LCU之间，可采用现场总线;而LCU与中控室之间通常采用以太网。
5.检测及仿真部分(这部分在图中未画出)。为了调试及维修的方便，现代微机调速器往往设有检测及仿真部分，形式如下。
(1)便携式:这是一种外配的设备(如用一台便携机)，通过接口与微机调速器相连。
(2)内嵌式:即检测及仿真功能均内含在微机调速器中，我国研制的这种方式既给运行人员带来了方便，又降低了投资。
检测部分包括对调节参数、静动态特性的测试和录波，静动态特性指标的自动计算和显示等。
仿真部分内装了水轮发电机组数学模型(含水轮机、发电机、引水系统、电网、液压随动系统的模型)，可进行开机、停机、空载扰动、甩负荷、负荷扰动、工况转换等各种仿真试验，对优化控制参数、调试十分方便。我国开发了多种性能优良的便携式及内嵌式水轮机调速器仿真试验装置。
6.人机接口(MMI— Man Machine Interface)部分。友好的人机界面是使运行操作便利的重要条件。目前主要有以下两类。
(1)参数显示采用一组或若干组LED，外加必要的模拟仪表。参数的设定或修改用键盘，必要时设一些按钮或旋钮。
(2)近年来，直接用屏幕显示(CRT或液晶)的方式正在微机调速器领域发展。中国水利水电科学研究院、华中理工大学与东方电机股份有限公司、哈尔滨电机有限责任公司等开发的产品均己采用这种方式。该方式的优点是显示信息量大、直观。例如，华中理工大学与东方电机股份有限公司开发的抽水蓄能机组调速器，采用模拟表的形式显示频率、功率和开度，显示了抽水蓄能机组的各种稳态，以及过渡工况、主从机状态、故障状态及信息、过渡过程曲线等。其他产品也各有特点。这种方式为运行和维修人员提供了极大方便。
设置屏幕显示的人机接口将使调速器发挥更大的功能。
①实时监控除上述各种参数、状态、过程曲线等外，还可显示工作域及当前工作点位置，从而避免机组在振动区、空蚀区、低效区运行，确保机组的优质、可靠、高效运行。
②仿真试验有关仿真己在前面叙述。在双微机或多微机调速器中，备用机可用来进行仿真研究，以优化调速器的各种实时参数。
③人员培训在双微机或多微机调速器中，备用机还可用作人员培训。
在图2一3一6中，还有一下双机间的切换单元及相应的切换逻辑，由此又产生示切换模块的可靠性问题，甚至它还可能成为双微机调速器中的薄弱环节。此外，还存在一个能否高质量地完成无扰切换问题。
值得指出的是，近年来现场总线获得了迅速的发展。在开始阶段，它主要应用于车间级，但最近己被引入至微机调速器内部。各个模块均挂于现场总线上(如CAN总线)，即在调速器内部也构成了一个网络。对水轮机调节而言，现场总线在下述两方面尤显其特殊的意义。
在基于现场总线的双微机调速器中，两个模块均挂于现场总线上，可靠性问题和无扰切换问题均迎刃而解。常规双机系统切换模式与基于现场总线的双机系统的比较。
目前对导叶的控制大多是使用两个接力器通过调速环来实现，这往往带来油压装置及油泵等过于庞大，在大型机组及抽水蓄能机组中尤为突出。为解决这个问题，每个导叶设置一个接力器是一种优选方案。但是，在模拟电调或非基于现场总线的微机调速器中，各接力器间的动作同步性问题并未满意地解决。在基于现场总线的微机调速器中，各导叶接力器均挂于现场总线上，同步性问题就获得了妥善的解决。
二、微机调速器的软件结构
微机调速器的各项功能藉软件完成，主要软件有调节控制软件、人机接口软件、状态检测软件、通信软件、故障诊断及处理软件等。因选用机型的差别及软件设计思想的不同，软件结构各有差异。这里介绍一种典型的软件结构，如图2一3一8所示。
主程序如图2-3-8(a)所示。微机上电、复位后，作初始化处理;然后进行离线自诊断;接着就进入循环，该循环主要进行人机接口处理和实时分时故障诊断及处理。
调控软件由定时中断完成。我国的微机调速器的控制周期一般采用20ms或40ms.调控软件的中断服务程序的框图如图2一3一8(b)所示。
首先，对外来命令及机组当前所处的状态进行检测。命令包括开机令、停机令、各种工况转换令、开度或功率的增减令等，状态包括发电机断路器是闭合或开断、定子电流是否突然变为零值、导叶开度(尤其对零值的检测)、水头以及其他为诊断故障必需的信息等。上述信息在软件中需通过容错措施后才加以确认。
其次，根据本控制周期采集到的信息以及与上一控制周期信息的比较，确定当前处于何种稳定工况或过渡工况。这里还必须处理优先级的问题。例如，由于随机干扰或误操作，同时检测到了开机令及停机令，从机组的安全出发，执行停机令。
再次，根据上一步作出的判断和决策，去执行相应的调控程序。
通信软件(含多微机调速器中的各模块间的通信，及调速器与上位机的通信)等通常也是通过中断实现的。