直流发电机组励磁调节回路研制毕业设计（论文） .doc

毕业设计（论文）任务书 信息与电气工程 院 电气工程 系（教研室）系（教研室）主任： （签名） 年 月 日学生姓名： 学号： 专业： 电气工程及其自动化 1 设计（论文）题目及专题： 直流发电机组励磁调节回路研制 2 学生设计（论文）时间：自 年 2 月 16日开始至 年 6月7 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料： (1) 有关介绍直流发电机工作原理的书籍资料 (2) 有关介绍直流可调稳压电压的书籍资料 (3) 有关介绍单片机原理与应用的书籍资料 4 设计（论文）应完成的主要内容：熟悉可调直流稳压电源的基本原理与设计方法，根据直流发电机组励磁电源的技术要求，设计一套可调的直流稳压电源装置，其基本技术指标为：电压在0200vdc之间连续可调，最大输出电流为20a，输出电压稳定度为1%（额定电压时）。要求完成主电路和控制电路的原理线路图设计、主电路参数计算、元器件选型和控制软件开发，其中主电路采用单相桥式全控整流电路，控制电路采用单片机作为控制器。 5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求： (1) 论文打印件及电子版 (2) 原理线路图、元器件表及单片机源程序 6 发题时间： 年 2 月 15 日指导教师： （签名）学 生： （签名）摘要 现代生活离不开电机，在形行色色的电机中直流电机由于其调速性能好受到了很大的青睐。随着现代生活的发展，越来越对具有稳定的、调速性能优越的直流电机提出了更高的要求，而直流电机的能量来源主要是稳定的直流电。目前市场上产生直流电的方法是直流发电机、交直流变换，但其中直流发电机也需要直流电的驱动，所以问题的关键是如何利用市面上广泛存在的交流电获得直流电也就是如何实现交直流变换是我们要解决的重要问题。然而市面上存在的稳压直流电源大都是只有固定的3v、5v、15v 等这种单一的直流电源，它们的缺点是不能根据用户自己的需求自己设定变化的值。随着电力电子技术以及相关控制技术的迅速发展，使得设计连续可调的宽范围的交直流变换成为可能。本课题旨在利用市面上广泛存在的交流电来实现交直流的变换，且变化范围从0-200v连续可调。本课题直流电源的基本环节包括交流电源、交流变压器变压、整流电路整流、滤波稳压电路稳压等环节。本课题介绍了宽范围的直流稳压电源的实现方法，通过at89s52单片机的控制来实现电压在0-200dcv之间连续可调。课题设置了过零检测电路，单片机检测到过零点后，通过延时函数来触发桥式电路的igbt。同时课题分析了稳压工作原理和电压调节方法，给出了主电路的仿真图形，编写出了相关的控制程序。课题仿真的波形证明了该方法设计的电源具有电压调整简便、电压输出稳定等特点。关键词：直流发电机；励磁回路调节；单片机控制；abstractmodern life is inseparable from the motor , the shape seems in colored dc motor speed due to its good performance has been greatly favored , with the development of modern life, more and more on the stability of the superior performance of dc motor speed control proposed a higher demand , while the main energy source for the dc motor is stable dc current method of generating direct current dc generator on the market , ac-dc conversion , but also requires dc dc generator driven , so the key question is how widespread is the use of alternating current market is how to get the dc ac-dc conversion is an important problem we have to solve . this paper aims to use alternating current to achieve widespread market ac-dc conversion . with the rapid development of power electronics technology, the dc power is widely used, which directly affects the performance of electrical equipment or control systems. currently, the market fundamental aspects of a variety of dc power supply roughly the same , are included ac power , the ac transformer, rectifier circuit, filter regulator circuit. this paper describes the methods and principles used in the scm system dc power supply , controlled by the microcontroller to achieve a numerical trigger circuit regulating power supply , and the analysis of the working principle of the regulator and voltage regulation method is given main circuit simulation graphics . the power supply has a voltage adjustment is simple, stable output voltage , easy intelligent management features.keywords: dc generator; excitation regulation; scm;目 录第一章 绪论11.1电源技术的发展概况11.2本课题的提出21.3本课题的任务要求2第二章 系统功能元件基本原理32.1直流发电机的基本原理32.1.1直流发电机简介32.1.2直流发电机的原理32.2 igbt管的基本原理及特性42.2.1 igbt的工作原理42.2.2 igbt的特性与参数42.2.3 igbt的保护62.3直流稳压电源的原理62.3.1单片机的供电稳压电源62.3.2主电路的输出电压稳压7第三章 系统的硬件设计93.1系统的总体介绍93.2系统主电路的设计103.2.1主电路变压器参数的计算和选型103.2.2主电路igbt的计算与选型103.2.3主电路的电路原理图113.3系统控制电路的设计133.3.1 at89s52单片机143.3.2键盘输入模块电路153.3.3检测模块173.3.4 a/d转换模块193.3.5显示输出模块213.3.6 igbt触发电路24第四章 系统的软件设计284. 1 pi控制原理284.1.1过程控制的基本概念284.1.2 模拟 pi 调节器：284.1.3 数字 pi 控制器294.2标准pi算法积分项的改进304.3数字pi参数的选择304.3.1 采样周期的选择314.3.2 数字 pi 控制参数的选择324.4 中位值滤波技术324.5控制程序设计334.5.1主程序334.5.2中断应用334.5.3键盘中断344.5.4系统程序框图34第五章 系统的psim仿真365.1 psim介绍365.2仿真图形365.2.1仿真原理图365.2.2仿真参数设置375.2.3仿真波形38第六章 结论39参考文献40致 谢41附录a 课题电路总体原理图42附录b 相关程序43第一章 绪论1.1电源技术的发展概况市面上的电源多为交流电源，交流电源由于其供电不够稳定往往使得电子设备工作不正常，所以需要把交流电源变化成直流电源。交流变直流电源设备就是把交流电变为直流电源的设备。交直流电源一般具有输出电压稳定低纹波的特点。传统的交直流电源都是采用惠登斯桥电路，这种电路损耗大效果差，随着电力电子技术的发展逐渐被取代。电力电子技术是对电能进行电力电子变换的技术，它伴随着电力电子器件的发展而发展，电力电子器件的发展给人民的生活带来了很大的变化，现在电力电子技术的应用越发广泛。电源是电力电子技术发展带来的重大改变的领域之一，随着新的电子元器件、新的材料、新的控制技术的应用，电源技术得到前所未有的发展。1区别于传统的电源，采用逆变技术的电源具有许多方面的优越性： 1. 电压或电流的幅度和频率可灵活地调节，采用pwm控制的电源技术使电源能够根据用户的需要灵活的改变输出值。 2. 逆变电路可以把直流电转换成很多其他形式的直流电，这样可以满足不同的需求。 3.逆变技术使得用电设备的体积和重量减少。 4采用逆变技术的电源优越性表现在：1) 采用变频技术调压相比于传统的调节电动机的通电时间的占空比要降低能量的消耗，因为传统的电动机要改变电动机的状态如启动与停止。2)变压器的体积和重量减少，变压器的线圈匝数与面积减少这都会减少了变压器的无功损耗。3)在逆变电源中功率因素约为1,然而在整流式的电源设备中功率因素不会超过0.8,所以逆变电源的节能效果比较明显。25. 随着技术的发展逆变的工作的频率越来越高控制的速度也变得越来越快，这样使得对系统的保护也变得越来越快。随着生活的节奏加快我们的生活也对现代的电子设备提出了更高的要求，同时对电源的性能有更高的要求。对于特定用途的电源在要求安全可靠高效的同时高功率低噪音省电节能也变成了用户选择电源的一个参考的性能指标。可以预见，伴随着生活方式的改变对电源的要求将会越来越高。电力电子技术的发展以及制造工艺的进步必然会产生新的更好的电力电子器件，同时控制技术的成熟必将推动电源技术的发展。1.2本课题的提出目前国内外主要研究的是固定的输出一组或几组稳压的电源，还没有研究连续可调的稳压电源。很多时候我们往往需要用同一个电源装置来实现不同稳压电源输出的要求，比如我们有时候需要3v的,有时候需要30v、50v的电源等等。现在一般市场只有单独3v或者单独15v的电源，没有将他们结合或者制作出根据用户自己的需要来自己设置的电源装置，而这种装置既能够稳压又能够显示输出同时还能够对电路具有保护作用。本课题就是基于这样一个思想而提出的的，目标是基于单片机的控制设计出一个能够连续可调的宽范围的直流稳压电源。1.3本课题的任务要求本课题的主要任务是熟悉可调直流稳压电源的基本原理与设计方法，根据直流发电机组励磁电源的技术要求，设计一套可调的直流稳压电源装置，其基本技术指标为：（1） 电压在0-200vdc之间连续可调；（2） 最大输出电流为20a；（3） 输出电压稳定度为1%（额定电压时）。要求完成主电路和控制电路的原理线路图设计、主电路参数计算、元器件选型和控制软件开发。第二章 系统功能元件的基本原理2.1直流发电机的基本原理2.1.1直流发电机简介能把机械能转化为直流电能的设备是直流发电机。直流发电机主要为直流电动机的驱动、工业电解、电镀，直流充电及交流发电机的励磁等提供良好的直流电能。32.1.2直流发电机的原理在如图2-1所示的电路中可动的圆柱铁芯在固定磁极n-s下面。当用原动机拖动圆柱的铁芯转动时，铁芯在磁极下面转动就会切割磁感线，根据法拉第电磁感应定律，铁芯两端就会产生电压。在2-1图示中，在t0时刻铁芯逆时针旋转，根据右手定则ab端的电压为为a为正极性，b为负极性。同理对于cd边，d为正极性，c为负极性。从而在t0时刻a为负极性，b为正极性。当原动机拖动发电机的铁芯转动到t1时刻的位置时，根据右手定则对于ab边，a为正极性b为负极性，对于cd边此时c为正极性，d为负极性。这样a为负极性端，b为正极性端。同理分析知道不管线圈是在什么位置a总是为负极性，b总是为正极性。 图2-1 直流电机原理图从图2-1下图可以看到元件感应出来的电压为大小相同方向相反的交流电压，而电源引出来的电压为直流电压。这是因为线圈随着原动机在转动的时候感应出来的电动势也在改变，但是接到ab端的电压方向是不变的。2.2 igbt管的基本原理及特性2.2.1 igbt的工作原理由于主电路采用了igbt元件，所以在这里首先简要介绍igbt的原理，以方便地三章的叙述。如图2-2所示为一个n沟道增强型绝缘栅双极晶体管（igbt）结构。在igbt中引出三个引脚，分别为在n+源区上的源极e，控制区栅区上的门极g，还有漏区上的漏极c。如图2-3所示为igbt的等效电路图。控制igbt导通时uge过低，则igbt不能正常的工作器件没有导通。如果uge过高则igbt可能永久的损坏。当igbt的集电极与发射极之间的电流超过容许的最大电流时，igbt也会永久性损坏。 图2-2 igbt结构图 图2-3 igbt等效电路图 2.2.2 igbt的特性与参数1. igbt 的伏安特性和转移特性如图 2-4(a)所示，igbt 的反向电压承受能力很差。从曲线中可知，igbt的反向阻断电压ubm比较小，这就使得需要承受高反压场所时igbt不能使用。如图2-4(b)所示为igbt 的伏安特性曲线，从图中可以考到栅极发射极电压uge与ic的关系。uge越高，ic越大。当ugeuge(th)(开启电压，一般为6伏)图2-4 igbt的特性图时，igbt开通，其输出电流 ic与驱动电压uge基本呈线性关系。当 uge1.4v时（d1与q的导通压降）电流通过d1、r1使三极管导通，由于导通图3-19过零检测电路压降比较小所以电路输出为低电平，当负半周时且|ut|1.4时，q导通使得输出低电平，当|ut|1.4时q不导通，输出高电平。该电路中7805为稳压芯片其作用是使接在q的集电极的电压在没有导通时稳定在高电平。单片机对该电路的检测当检测到从高电平到低电平时，则主电路是从负半周到正半周的过零点，此时给v1和v4触发脉冲。当检测到从低电平到高电平时，则主电路是从正半周到负半周的过零点，此时给v2和v3触发脉冲。利用psim给出仿真波形。如图3-20为过零同步检测电路仿真原理图，由图3-21仿真波形知道同步电路的输出端电压总是在高地电平之间转换。对比标准正弦波知道从高电平到低电平时，则主电路是从负半周到正半周的过零点。从低电平到高电平时，则主电路是从正半周到负半周的过零点。图3-20过零同步检测电路仿真原理图图3-21同步电路仿真波形图二、触发脉冲电路本课题中对igbt管的触发脉冲的给定十分关键，既要保证触发脉冲的正确性还要保证触发脉冲的对称性。当单片机检测到同步过零