同步电动机励磁控制器的研究Word下载.docx
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Instructor:
ABSTRACT
Theuseofsynchronousmotorisbecomingwiderandwiderbecauseofitisprovidedwithgoodstability,highefficiency,thespeedhardlychangedwiththeload,stablerunning,largesingle-machinecapacity,adjustablegridpowerfactorandabilityofbackingtothegridreactivepower.Excitationsystemhasanimportanteffectforthecontrolofsynchronousmotor,butthetraditionalexcitationdeviceexiststhedefectofthehighfailurerateofdeviceandunstableperformancethatresultsinfailingfrequentlyofsynchronousmotorduringitsoperationanddirectlytheproductionofenterprises.Thisdesignmakestheimprovementinallusiontotheproblemsexistedintraditionalexcitationsystemtoimprovingtheoperationalstabilityofsynchronousmotor.
Thispaperstudiesthesynchronousmotorexcitationsystemprincipleofwork,usingpowerfulTMS320F2812asmaincontrolchip,KMB-0011asapulsetransformerpulsegeneratordriver,inordertoLCD12864controlledasdisplaymodule,usingacsamplepartyrootalgorithm,thedesignofthesynchronousmotorexcitationsystem,tothetraditionalexcitationsystemisimproved.
Throughthemathematicaldeduction,hardwareexperimentsandwaveformanalysis,itisconcludedthatthisdesignsystempossesseshighsamplingprecision,widephase-shiftrangeanddirectdisplaycomparedwithtraditionalexcitationsystem.Thissystemhashighdegreeofmodule,simplehardwareline,beeasytocontrolandverifiestheaccuracyofthesystemdesign.
Keywords:
synchronousmotor，excitationcontrol，KMB-0011,TMS320F2812
Thesis:
applicationresearch
目录
前言1
1．绪论2
1.1选题的背景2
1.2应用前景及研究意义2
1.2.1应用前景2
1.2.2研究意义3
1.3本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势3
1.3.1同步电动机励磁系统发展现状3
1.3.2同步电动机励磁控制器的发展趋势4
1.4存在的问题与课题的提出4
1.5本文的主要设计内容6
2．系统整体描述7
2.1同步电动机励磁控制系统总体结构设计7
2.2可控硅的移相触发8
2.3主控模块的结构设计8
3．系统硬件电路设计10
3.1模拟量信号调理电路10
3.2直流采样电路14
3.3同步、测频电路设计15
3.4脉冲隔离电路16
3.5人机界面的实现17
3.6直流电源电路设计19
3.7脉冲功率放大单元20
3.8移相触发电路21
3.9主控芯片的选型23
4．软件系统设计思路27
4.1采样程序设计27
4.2同步、采频程序设计29
4.3显示程序设计31
4.4PWM波形程序设计32
4.5主体软件流程图33
5．系统调试与分析34
5.1信号调理电路的调试34
5.2同步、测频电路的调试34
5.3六路PWM波形发生的调试：
35
5.4电路的抗干扰措施36
6．总结与展望37
6.1实验完成结果总结37
6.2实验中所遇到的问题及解决方法37
6.3展望38
致谢39
参考文献40
附录42
附录一硬件系统总体实物照片42
附录二各个硬件电路实物照片43
附录三软件设计截图48
前言
随着工业技术的发展，电机控制的自动化已成为现代工业生产电气自动化的基础和核心。
同步电动机因其磁场采用直流励磁，功率因数可超前、滞后或等于1，通过增大转子绕组的励磁电流可使同步电动机工作在超前状态，充分发挥其无功补偿能力，实现对供电系统的无功补偿，改善电网的功率因数，降低线路损耗，达到节能的目的，所以在工业中应用广泛。
先进的控制方法在同步电动机的励磁系统中得到越来越多的应用，企业对同步电动机的运行性能要求越来越高，而同步电动机性能的优劣，在很大程度取决于励磁控制系统的控制。
因此，对励磁装置的改进和不断研究成为必要。
本文主要研究基于功能强大的TMS320F2812的32位定点DSP的同步电动机励磁控制器，包括数据采集模块，人机对话模块，控制模块，驱动模块和功率模块，以改善传统励磁控制器的控制速度慢，稳定性不足等缺点。
全文共分六章。
第一章介绍了课题的研究背景，同步电动机励磁控制器的发展状况、发展趋势以及本文的设计目的。
第二章为系统整体描述，描述了同步电动机的相关理论，重点介绍了励磁装置的控制原理和调速原理。
第三章介绍了硬件系统的具体设计方法，包括直流电源的设计，信号调理电路的设计，液晶显示的设计，驱动模块的设计，功率模块的设计。
第四章介绍了系统软件的设计方法。
第五章对整个系统的调试进行描述，对实验过程中采集到得波形进行分析并做出解释。
第六章介绍本课题的研究总结和展望。
本文研究基本完成对同步电动机的系统控制功能，提高了对同步电动机的控制速度和控制精度，与研究目的及设想相符合。
由于水平有限，论文中如有不当和错误之处，恳请读者批评指正。
刘晶
2011年6月
1．绪论
1.1选题的背景
随着工业技术的发展，电机控制的自动化已成为现代工业生产电气自动化的基础和核心。
交流电气传动有同步电动机传动和异步电动机传动，尽管异步电动机具有结构坚固、维修方便、无电刷、重量轻、价格低等优点，但其功率因数普遍较低。
而同步电动机的磁场采用直流励磁，功率因数可超前、滞后或等于1，从同步电动机的“V”型曲线可知，通过增大转子绕组的励磁电流使同步电动机工作在超前状态，可以充分发挥同步电动机的无功补偿能力，实现对供电系统的无功补偿，改善电网的功率因数，降低线路损耗，达到节能的目的。
同步电动机速度稳定和功率因数可调的优良特性使得同步电动机在工业中应用广泛，装机容量远大于异步电动机。
应用最广的是容量在200kW以上的大、中功率同步电动机，如矿山的球磨机、冶炼用鼓风机、化肥厂联合压缩机、冷库用制冷机、轧机等[1]。
先进的控制方法在同步电动机的励磁系统中得到越来越多的应用，企业对同步电动机的运行性能要求越来越高，而同步电动机性能的优劣，在很大程度取决于励磁控制系统的控制。
同步电动机是一多变量、非线性系统，要对其进行精确的控制就要有先进的控制方法，比如以恒定子电流、恒无功功率及恒功率因数控制规律的微机、单片机、DSP数字信号处理器、PLC可编程控制器全数字化励磁控制系统在国内工业控制中得到越来越多的应用。
1.2应用前景及研究意义
1.2.1应用前景
众所周知，无论在工业、农业、生产部门中还是家电设备中，异步电动机作为原动机被广泛的运用。
这是由于它的结构简单，成本低廉，而且坚固耐用，维护方便；
另外，异步电动机的效率高，机械特性较软。
由于异步电动机本身没有外加励磁，它要从系统中吸收感性的无功功率来建立磁场，这使得异步电动机的励磁无功在企业总的无功需求量中占很大比重，异步电动机的广泛应用会使系统的功率因数降低。
如果系统的无功不足，便造成系统电压下降。
在这点上，同步电动机具有绝对的优越性。
同步电动机具有功率因数可以超前、运行稳定性好、运行效率高和转速不随负载而改变、转速稳定、单机容量较大、可调节电网功率因数、支持电网电压和可向电网回馈无功等特点，因此同步电动机的运用越来越广泛。
特别在大型企业中，同步电动机一般拖动球磨机、棒磨机、空压机、大型风机和泵类等负载，是企业生产中长期运行的重要设备[2]。
励磁装置是保证同步电动机稳定、可靠运行的重要环节，一旦励磁装置发生故障导致停机将影响生产的连续运行，给企业造成经济损失。
实践表明，励磁装置故障是导致停机和同步电动机损坏的主要原因[5]。
所以，同步电动机励磁控制系统的控制功能是否完善，运行是否稳定、可靠，对于同步电动机的安全运行非常重要。
综上可知，对于同步电动机励磁控制器的研究具有很好的应用前景。
1.2.2研究意义
励磁系统是同步电动机控制系统的重要组成部分，直接影响同步电动机的运行特性，在保证电能质量、合理分配无功功率、提高电力系统运行稳定性方面都起着十分重要的作用。
随着电力系统规模的不断增大，大规模集成电路技术及计算机技术的发展，系统结构和运行方式的复杂，对同步电机励磁控制器运行的可靠性，稳定性，经济性和灵活性提出了更高的要求。
本文根据这种要求,以DSP（数字信号处理器）作为控制核心,研究了基于DSP的励磁控制器。
励磁调节器控制规律的研究多年来一直是一个极为活跃的领域，长期以来，各国科学工作者在同步电机励磁控制理论和技术的研究方面做了大量的工作，也取得了丰硕的研究成果。
励磁控制器控制规律的发展是同控制理论的发展相适应的，经过了由单变量到多变量，由线性到非线性，最后发展到智能控制阶段的过程。
因此，对同步电动机励磁控制器的研究从理论上来说也是与时俱进的。
1.3本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势
1.3.1同步电动机励磁系统发展现状
同步电动机励磁系统是同步电动机的重要组成部分，其性能好坏、可靠性能直接影响到同步电动机的运行安全性和连续性，影响企业的生产与效益，因而一直被用户所注重。
近十年来，同步电动机励磁系统的控制技术得到了飞速发展，得力于微电子技术、电力电子技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。
单片机、可编程控制器等新型电子元器件的出现与兴起，迅速推动着同步电动机励磁系统从模拟式进化到数字式，实现了质的飞跃。
采用微处理器取代模拟电路作为励磁系统的控制器具有诸多优点。
在功率器件的应用方面，可控硅元件虽然不是最先进的功率器件，但其制造技术和控制技术成熟、可靠性高，仍然被广泛应用，是市场主流功率器件。
目前，国内部分励磁设备生产单位推出了以可编程控制器或单片机作为控制核心的励磁系统，使得励磁系统的总体控制技术水平上了一个台阶。
仔细分析对比各个生产厂家的产品，发现或多或少存在着一些不足之处，有的注重于励磁调节器线路的设计，忽视了包括主回路及功率整流、灭磁单元等部分的研究，有的片面追求价格便宜，功能不够完善。
国外在同步电动机数字控制领域研究较深，以采用新型电力电子器件和应用矢量控制技术及现代控制理论为基础的同步电动机变频调速控制技术日趋成熟，国内部分企业在一些大容量的关键设备引进了国外的先进设备和控制技术，交--直--交型自控式同步电动机变频调速数字控制系统也成为国内一些科研单位的研究重点，因其价格相对昂贵，技术难度较大，限制了其市场应用范围，主要应用在部分大型企业的关键设备上[3]。
1.3.2同步电动机励磁控制器的发展趋势
我国的同步电动机励磁装置的研制和应用水平己达到了国际先进水平，励磁装置今后的发展趋势是:
在励磁功率单元方面，将采用更大功率的可控硅和便于控制的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为励磁装置的功率单元，在核心控制器方面，将采用高速32位单片机、数字信号处理器DSP和可编程计算机控制器（PCC）等作为微机励磁控制器的主控芯片，并且采用全数字的移相触发电路；
在数据采集方面，将采用交流采样算法替代电量变送器，以满足励磁系统的实时性要求，在控制规律方面，将向着智能控制方向发展[4]。
1.4存在的问题与课题的提出
由上述国内外励磁控制器的发展现状可以看出，采用不同的控制核心、不同的硬件平台的励磁控制器具有各自的优缺点。
采用单片机为控制核心的励磁控制器硬件结构简单、体积小、成本低，但由于励磁装置开发商要设计开发大量的硬件，生产过程受到元件选择、检测，焊接及生产工艺的限制，造成励磁装置的可靠性降低，甚至在运行中出现单片机死机，装置失灵等故障，影响了装置的安全可靠运行，并且早期的单片机励磁控制器采用汇编语言编程，程序的可读性差、可继承性差，不便于装置功能的扩展，很难实现友好的人机界面，励磁控制器的研究和开发时间比较长。
基于工控机的微机励磁调节器，其硬件标准化程度高，软件资源丰富，有实时操作系统支持，运行速度快，实时性强，图文显示方便，但装置体积大，成本高，仅适合大型机组。
PLC、PCC等为硬件平台的励磁控制器，各类功能已经模块化，比如在PLC、PCC中有CPU模块、模拟量输入输出模块，开发人员只需根据励磁系统的要求选取各类功能的模块，进而将它们连在一起构成励磁控制器的硬件平台，这种方式缩短了产品的开发周期，有利于实现系统的通用化、标准化和硬件升级与扩展，提高了装置的可靠性，但PLC由于其难以满足同步电动机机励磁调节器中同步信号周期测量及产生可控硅移相触发脉冲的要求，仅作为单片机励磁调节器的外围附加控制模块实现一些开关量控制功能而难于成为励磁控制器的核心；
PCC由于片内资源的限制，用其实现对电气量的交流采样和实时计算尚有困难，还需要附加对电信号有一定延迟时间的电量变送器才能完成对电气量信号的采集，这就使控制器运行的实时性在一定程度上受到影响，加之其造价较高，给在中小电站推广应用带来了一定困难[5]。
另外，由于励磁控制器的控制算法的不断发展和各种附加控制要求的提出，对励磁控制器主控芯片的要求越来越高。
影响一些先进的励磁控制方法如非线性最优控制和智能控制应用于实际的一个最大的原因是目前大多数励磁控制器的控制核心单元处理速度不能适应这些控制方法对运算速度的要求。
为了克服上述励磁装置中所存在的不足，适应励磁控制器发展的要求，本文提出了一种以TMS320LF2812芯片为控制核心的DSP励磁控制器。
该控制器较之单片机、工控机、PLC、PCC为控制核心的微机励磁控制器具有数字信号处理能力强，硬件电路设计简单，网络互连能力强，性价比高等优点。
正是由于上述原因，本课题采用TMS320LF2812作为控制核心进行励磁控制器的研究和开发，该控制器具有运算速度快、集成度高、网络互连能力强、性价比高等优点，完全可以满足励磁系统的要求，适应励磁系统的发展趋势。
1.5本文的主要设计内容
1.同步电动机励磁控制器的总体设计方案规划。
2.同步电动机励磁控制器的硬件开发。
3.同步电动机励磁控制器的软件开发。
4.基于DSPTMS320F2812同步电动机励磁控制器样机的调试与实验室试验。
2．系统整体描述
本文主要对同步电动机励磁控制系统进行模块化设计，各个模块间的联系成为关键。
系统整体描述主要介绍系统的整体设计思路和主要模块的设计方案。
主要模块包括可控硅的移相触发模块和主控模块。
2.1同步电动机励磁控制系统总体结构设计
本课题研究拟采用TI公司推出的TMS320LF2812芯片作为同步电动机励磁控制器的控制核心，充分利用其强大的数据处理能力和高速的实时控制能力，结合其片内外设设计相应的硬件电路。
实现其交流采样、直流采样，频率测量、液晶显示，移相触发和励磁控制算法等功能。
DSP励磁控制器对同步电动机电枢绕组的电压、电流信号进行交流采样,直流采样，同步检测，实时计算后送入PID控制器，由PID控制器送出的控制量再经运算就可得到三相全控桥的触发角
，通过DSP产生六路脉冲波形，该触发脉冲经功率放大后送往可控硅门集，进而改变触发角的大小来控制电动机励磁电流的大小，从而达到控制功率因数角和电动机转速，改变输出的无功功率的目的。
图2.1同步电动机励磁控制器的硬件原理图
2.2可控硅的移相触发
可控硅的移相触发。
在多相变流电路中，每个晶闸管都有相对独立的相控触发电路。
为使各晶闸管具有相同的控制角，各项触发电路采用同一个控制电压进行移相控制。
同步信号为可控硅脉冲的发出提供与可控硅交流电源相位相对应的时间基准。
通过移相控制环节对电枢电压、电流和励磁电压、电流的计算分析，输出六路控制脉冲，该脉冲经过驱动环节（脉冲整形放大）送入控制回路。
图2.2独立同步相控触发电路的构成框图
2.3主控模块的结构设计
图2.3DSP励磁控制器的硬件原理框图
DSP励磁控制器要完成上述功能需具有：
同步信号检测、电量测量、电量计算、调节控制、脉冲移相触发、。
根据励磁控制器的以上基本要求，DSP励磁控制器也相应地由以下几个基本单元组成:
模拟量输入通道、开关量输入输出通道、同步捕获、移相触发。
主控芯片的选择：
TMS320F2812是基于TMS320C2xx内核的定点数字信号处理器。
在TMS320F2812芯片中，集成了128K的Flash存储器、4K的引导ROM、数学运算表以及2K的OTPROM、串行外设接口模块（SPI）、串行通信接口模块（sci）、CAN控制器模块（eCAN）等。
另外，16通道的高性能12-bit模数转换模块（ADC）有效地保证控制采样信号的同步；
两个事件管理器模块（EV）为电机及功率变换控制提供了良好的控制功能。
所以选其为主控芯片。
本课题研制的DSP励磁控制器的硬件原理框图如图2.3所示。
TMS320F2812的ADC有4种工作模式：
触发顺序模式、触发同步模式、周期顺序模式和周期同步模式。
通道的模拟电压容许输入范围在0～3V之间。
对于交流采样系统，必须为前级的运放电路提供电平偏置和保护。
TMS320F2812有多达56个独立的、可编程双向数字I/O口，通过软件编程模拟慢速液晶控制器的读写时序，实现与液晶的通讯。
TMS320F2812集成了多种先进的外设，为电机以及其他运动控制领域的实现提供了良好的平台，控制生成SPWM只要利用的是片上的事件管理器模块（EVA和EVB），该模块具有以下主要功能：
（1）独立的PWM输出
（2）由比较单元产生的PWM死区可编程
（3）能够产生可编程的非对称、对称和空间矢量PWM波形
（4）比较寄存器和周期寄存器可自动装载，减少CPU的开销
3．系统硬件电路设计
硬件系统设计是本文的主要工作之一。
硬件的设计是分为各个模块电路进行设计的，主要包括：
信号调理电路的设计，直流采样电路的设计，同步测频电路的设计，驱动电路的设计，显示电路的设计。
移相触发电路的设计。
3.1模拟量信号调理电路
电力系统自动控制中，经常采用电量变送器对输入的模拟量进行测量。
电量变送器虽然有接线简单、安装方便的优点，但是因其本身产生的时间延迟比较大，从而使整个装置的时间常数变大（通常都在100ms以上），这对于需要快速响应的励磁系统来说是非常不利的。
针对上述电量变送器的缺点，利用DSP芯片的采样功能，采用交流采样算法计算励磁控制所需的电量。
同步电动机电枢绕组电压、电流分别取于同步电动机定子绕组进线处电压互感器CT和电流互感器PT。
TMS320LF2812的AD输入信号的范围为0~3V。
这就需要有能将CT、PT二次测相对较大电流、电压信号进行降压、偏置、滤波、放大、跟随处理，这种交流采样是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，实时性好。
调理电路结构图如图3.1。
从而供给DSP采样电路，这一电路即信号调理电路。
图3.2和图3.3所示为交流电压、电流输入信号调理电路图。
电压互感器一二次侧电阻的选择：
本文选用2mA:
2mA电压互感器。
一次侧输入电压为220V，所以选用与110Ω相接近的120Ω/1w电阻。
由于DSP输入电压为0~3V，所以二次侧设定输出为2V，则
所以选用1kΩ电阻。
偏置电路设计：
本文采用10k电位器设计偏置电压可调的偏置电路，如图3.4。
其偏置电压范围为0~5V。
图3.1信号调理电路结构图
图3.2交流电压输入信号调理电路
图3.3交流电流输入信号调理电路
图3.4偏置电路
低通滤波电路设计：
理论分析：
低通滤波电路是阻止信号的高频成分，只让低频成分通过的电路，其电路如图3.5。
参数选取：
，（3-1）
，（3-2）
（3-3）
通过计算得出C与R的比例关系确定R=30Ω，C=100uF。
图3.5滤波电路
放大电路设计：
本文采用10kΩ电位器设计放大倍数可调的放大电路，如图3.6。
放大倍数范围为0~2倍。
放大倍数计算：
（3-4）
Rx为滑动触头与输出点间电阻。
图3.6放大电路
跟随电路设计：
为防止
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