同步电动机励磁控制器研究

1、论文题目：同步电动机励磁控制器的研究专 业：电气工程及其自动化本 科 生： （签名） 指导教师： （签名） 摘 要由于同步电动机具有运行稳定性好、运行效率高、转速不随负载改变、转速稳定、单机容量较大、可调节电网功率因数和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。励磁系统对同步电动机的控制具有重要作用，而传统的励磁装置存在设备故障率高、性能不稳定等缺陷，使同步电动机频繁损坏，直接影响企业的生产，本设计针对传统励磁系统中存在问题进行改进，提高同步电动机运行的稳定性。本文研究了同步电动机励磁系统的工作原理，利用功能强大的TMS320F2812 为主控芯片，以KMB-0011脉冲变压器作为

2、脉冲发生器驱动可控硅，以LCD12864作为显示模块，采用交流采样方均根算法,设计了同步电动机的励磁系统，对传统励磁系统进行改进。通过数学推导、硬件实验以及波形分析得出此设计系统较传统励磁系统具有采样精度高，移相范围广，显示直观等优点，且系统模块化程度较高，硬件线路简单，易于控制，验证了系统设计的正确性。关 键 词: 同步电动机，励磁控制, KMB-0011, TMS320F2812研究类型： 应用研究Subject: The Study on Synchronous Motor Excitation Controller Specialty: Electric Engineering and

3、 its Automation Name: (Signature) Instructor: (Signature) ABSTRACTThe use of synchronous motor is becoming wider and wider because of it is provided with good stability, high efficiency, the speed hardly changed with the load, stable running, large single-machine capacity, adjustable grid power fact

4、or and ability of backing to the grid reactive power. Excitation system has an important effect for the control of synchronous motor, but the traditional excitation device exists the defect of the high failure rate of device and unstable performance that results in failing frequently of synchronous

5、motor during its operation and directly the production of enterprises. This design makes the improvement in allusion to the problems existed in traditional excitation system to improving the operational stability of synchronous motor.This paper studies the synchronous motor excitation system princip

6、le of work, using powerful TMS320F2812 as main control chip, KMB- 0011 as a pulse transformer pulse generator driver, in order to LCD12864 controlled as display module, using ac sample party root algorithm, the design of the synchronous motor excitation system, to the traditional excitation system i

7、s improved.Through the mathematical deduction, hardware experiments and waveform analysis, it is concluded that this design system possesses high sampling precision, wide phase-shift range and direct display compared with traditional excitation system. This system has high degree of module, simple h

8、ardware line, be easy to control and verifies the accuracy of the system design.Key words: synchronous motor ， excitation control ， KMB-0011, TMS320F2812Thesis: application research目 录前言11绪论21.1 选题的背景21.2 应用前景及研究意义21.2.1应用前景21.2.2研究意义31.3 本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势31.3.1同步电动机励磁系统发展现状31.3.2同步电动机励磁控制器的发展趋势4

9、1.4 存在的问题与课题的提出41.5本文的主要设计内容62系统整体描述72.1 同步电动机励磁控制系统总体结构设计72.2可控硅的移相触发82.3主控模块的结构设计83系统硬件电路设计103.1 模拟量信号调理电路103.2直流采样电路143.3同步、测频电路设计153.4 脉冲隔离电路163.5人机界面的实现173.6 直流电源电路设计193.7脉冲功率放大单元203.8 移相触发电路213.9 主控芯片的选型234软件系统设计思路274.1 采样程序设计274.2 同步、采频程序设计294.3 显示程序设计314.4 PWM波形程序设计324.5主体软件流程图335系统调试与分析345.

10、1信号调理电路的调试345.2同步、测频电路的调试345.3六路PWM波形发生的调试：355.4电路的抗干扰措施366总结与展望376.1 实验完成结果总结376.2 实验中所遇到的问题及解决方法376.3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48II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

11、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

12、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11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

13、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

14、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

15、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，

16、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

17、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.

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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TMS320

24、LF2812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

25、调试与实验室试验。422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

26、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

27、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2.3 DSP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

28、OTP ROM、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03 V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/

29、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

30、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03V。这就需要有能将CT、PT二次测相对较大电流、电压信

31、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110相接近的120/1w电阻。由于DSP输入电压为03V，所以二次侧设定输出为2V，则所以选用1k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05V。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

32、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=30，C=100uF。图3.5滤波电路放大电路设计：本文采用10k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02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：为防止信号调理电路与后续电路间相互干扰，所以设置一级电压跟随电路，如图3.7。100电阻为限流电阻。图3.7跟随电路交流采样应用的运放芯片

33、为LM324，该运放为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器，其管脚连接图如图3.8所示。图3.8 LM324管脚连接图3.2直流采样电路励磁电压和励磁电流采用的是直流采样。励磁电流首先经分流器调整为075mV直流信号，再经变送器将其变为420mA的直流信号，再经过如图3.9所示的调理电路将其调整为03V的电压信号接入TMS320LF2812的ADCIN引脚。分流器为50A：75mV级分流器，当原边流过的电流为50A时，负边输出电压为75mV。励磁电压则直接通过变送器将其变换为420mA的直流信号，同样经过如图3.2.1所示的调理电路将其调整为03V的电压信号后接入TMS320LF2812的A

34、DCIN引脚。图3.9直流电压调理电路3.3同步、测频电路设计设计同步测频调理电路，使电量的计算具有实时性，计算更加准确，使误差最小。利用TMS320F2812芯片事件管理器中的捕获单元和通用定时器，实现对电网频率的测量和同步信号的检测，计算有功、无功和功率因数。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。频率的测量在同步电动机微机励磁系统中也具有重要的地位，实时准确地测量到电力系统频率是实现跟踪采样、脉冲形成以及限制保护的基础;DSP励磁控制器要实现稳定的恒无功功率和恒功率因数控制，要求对同步电动机有功、无功和功率因数的准确测量。本文采用在准确测量同步电动机定子进线测

35、电压和电流之间夹角的基础上，计算有功、无功和功率因数。同步测频单元的硬件结构如图3.10所示。它将来自母线或电动机输入口的电压经过降压电阻，再经二极管整流，调理成适合TPL521安全导通的直流信号，接到TPL521光耦一次侧进行光电隔离。光耦二次侧通过分压原理实现：当光耦不导通时，输出2.5V，50Hz的同步电压信号（高电平）。当光耦导通时输出低电平同步信号。整形放大电路将来自母线或发电机出口电压互感器及电流互感器的正弦波信号整形为同频率的方波信号，经数字量输入部分隔离并滤波后送入DSP芯片上的事件管理器(EV)外设，EV通过片内的外设总线(Peripheral Bus)和TMS320C28x

36、TMCPU连接。整形放大后经光电隔离送入DSP的GPIOA8(CAP1)口，用于为触发脉冲提供同步信号和测量频率。当CAP1捕获到方波信号的上升沿时，保存计数器的值T2CNT并复位定时器T2,重新开始计数，这样，利用中断方式便可得到相邻两次上升沿的计数脉冲个数n，家丁计数器频率为fc，则机端电压频率f=fc/n。图3.10 同步测频、测相单元的硬件结构图3.4 脉冲隔离电路为了防止DSP在输出六路脉冲时与脉冲放大电路相互干扰影响，本文应用以光耦HCPL4504（图3.12为其管脚图）为核心的开关量输入/输出电路进行隔离。该光耦的输入输出特性为：当输入为高电平时输出为低电平；当输入为低电平时输出

37、为高电平。其输入输出真值表如图3.11：发光管状态脚6输出状态开低电平关高电平图3.11 HCPL4504导通真值表图3.12 HCPL4504管脚图本课题中采用三相全控桥式整流电路，具有六组结构相同的开关量输入/输出电路，其单路接线图如图3.13所示。图3.13开关量输入/输出电路原理图3.5人机界面的实现人机界面的主要作用是显示电网及同步电动机的运行工况、设定同步电动机的运行参数。显示器供电由DSP供电，供电电压为5V。该显示器各画面之间具有翻页显示的功能，其中DB0DB8管脚依次与DSP的J19 I/O（A0A7）口相连接。按钮Key接在A、K之间，用以控制背光灯开关。Vo和Vout通过

38、电位器连接，用以调整屏幕对比度。根据需要监视的参数，能够实现设定的参数各画面之间切换的要求，其主要的画面有两个运行参数显示画面、两个参数设置画面、一个调节方式切换画面和一个控制画面。主要显示参数有：电网电压(U)，电网电流(I)，励磁电压(UI)，励磁电流(II)，电动机额定电枢电压，额定电枢电流，额定励磁电压，额定励磁电流，有功功率(P)，无功功率(Q)，功率因数(COS)，电网频率(FF)和可控硅的导通角。本系统采用12864数码液晶显示器来实现。12864引脚定义如表3.1。液晶显示接线图如图3.14。表3.1 12864引脚定义表管脚序名称型态电平功能描述串口串口1VSSI-电源地2V

39、CCI-电源输入（+5V）3VoI-空脚4RSIH/L寄存器选择端： H数据；L指令片选低有效5R/WIH/LH:读；L：写串行数据线6EIH/L使能信号串行时钟输入7-11DB0-DB3I/OH/L数据总线低四位-11-14DB4-DB7I/OH/L数据总线高四位，4位并口时空接-15PSBIH/L并口/串口选择：H并口L串口16NCI空脚17/RSTI复位信号，低电平有效18VEE（Vout）I空脚19BLAI背光负极20BLKI背光正极图3.14 液晶显示接线图3.6 直流电源电路设计 直流电源的设计主要用于给实验中部分元器件电源供电，和试验用直流电源。例如给液晶显示器背光供电5V，给脉

40、冲放大电路的脉冲变压器供电8V。试验中还还用到+15V。该多用途电源设计方法为：通过变压器将电网电压变为小电压，通过整流二极管直流信号，再由稳压管LM7815、LM7808、LM7805依次将电压变化为+15V、+8V、+5V。电容器用以去除电路文波。电源电路接线图如图3.15。图3.15 直流电源电路接线图3.7脉冲功率放大单元触发电路一般由相对独立的低压直流电源供电，为保证触发电路的工作安全，应使其与主电路隔离。因为在绝大多数主电路中，晶闸管的阴极电位之间存在电位差，必须采样电隔离措施。此外，电隔离可减少触发电路对主电路及控制电路的干扰，提高可靠性。为保证可控硅的可靠触发，触发脉冲应具有足

41、够的功率，即应有一定的陡度、幅值和脉宽。对于不同机组，其脉冲形成部分都是相同的，其功率放大部分依据功率器件的不同要求有所不同。本文采用三相全控桥式整流电路，具有六组结构相同的脉冲功率放大电路。脉冲功率放大单元采用脉冲变压器为核心搭建。每组脉冲功率放大电路原理图如图3.16所示。图3.16脉冲功率放大电路原理图3.8 移相触发电路随着大功率电力电子器件的发展，以晶闸管等电力电子器件构成的励磁系统得到广泛应用，下图是晶闸管元件构成的三相全控整流桥，是励磁系统的主电路部分（功率单元）。图3.17三相桥式全控整流电路闸管元件以一定次序导通，为此必须依次对晶闸管施加触发脉冲，这是由移相触发模块实现的。移

42、相触发模块的任务是产生相位可调的脉冲，用来触发整流桥中的晶闸管，使其控制角随综合放大环节输出的控制电压U的大小而改变，从而达到自动调节励磁电流的目的。下图3.18给出了晶闸管导通次序。图3.18三相桥式整流电路的晶闸管导通次序表3.2 三相桥式全控整流电路工作是晶闸管的工作情况回路次序时间阶段导通元件输出电压VT1.6VT1.2VT3.2VT3.4VT5.4VT5.6移相触发脉冲波形分析：图3.19 三相桥式整流电路的波形根据以上分析，晶闸管元件以一定次序导通，为此必须依次对晶闸管施加相应次序触发脉冲，下图给出了移相角为60度的情况为例：得到输出整流电压平均值与输入相电压以及移相角之间的数学关

43、系式： （3-5）即通过改变移相角的大小就可以调节励磁电流，最终达到调节功率因数的目的。3.9 主控芯片的选型TMS320F2812是美国TI公司最新推出的32位定点主频可达150Hz的DSP，片上包含模数转换模块（ADC）、事件管理器模块（EV）、串行外设接口模块（SPI）、串行通信接口模块（SCI）、CAN控制器模块等。其中ADC模块为带内置采样/保持的12位A/D，16路模拟输入通道。事件管理器（EV）分为EVA和EVB两个模块，每个模块包含2个通用定时器、3个比较单元、3个捕获单元。功能完全满足本课题需求。 本文直接采用以TMS320F2812为主处理芯片的TDS2812EVMA开发板

44、（如图3.20）进行试验。TDS2812EVMA开发板接口和功能分类表如表3.3。其J19管脚定义如表3.4。图3.20 TDS2812EVMA开发板表3.3 DSP接口定义表3.4 J19管脚定义表4软件系统设计思路 软件设计主要应用模块化的编程设计方法，根据功能将程序分为主程序和不同功能的子程序模块。系统软件的主要工作为：采用并对采样值进行归算还原；同步信号拾取，频率计算，并将同步信号作为时间基准对脉冲输出进行控制；六路脉冲波形的整定计算与输出；显示菜单的编写并与键盘信号和实时采集信号进行整合显示。4.1 采样程序设计 DSP励磁控制器所要输入的模拟信号包括：机端电压，机端电流，励磁电压，

45、励磁电流和电网电压等。根据AD的采样值，可以计算到这些量的值。理想电压电流信号为正弦交流信号，其表达式为： （4-1） （4-2）Um、Im分别为电压电流信号峰值其有效值为： （4-3） （4-4）有功功率和无功功率为： （4-5） （4-6）在实际应用中，CPU所处理的信号为离散的，所以要对连续的信号进行离散化，即对于一个周期为T的连续信号，在一个周期内均匀的采样N点，进而利用数字信号处理技术即可得到信号的各种特征值。在励磁系统中需要计算电压和电流的有效值以及有功功率，可采用方均根算法进行计算。方均根算法电压和电流有效值表示： （4-7） （4-8）单相有功功率和无功功率分别为： （4-9）

46、 （4-10）N为采样电数；U（k）和I（k）分别为电压采样值和电流采样值；系统采样是一个循环采样过程。要完成采样，需实现系统初始化，中断初始化，CPU各端口输入输出设置，归算处理等。由于采样结果还要应用于显示和其他计算，所以采样结果还应做保护现场处理。图4.1为ADC转换完成中断程序流程框图。图4.1 ADC转换完成中断程序流程框图4.2 同步、采频程序设计 同步信号的采集主要通过DSP捕获单元CAP进行上升沿（过零点）捕获。利用同步信号还可计算出电网频率，所以要对同步信号做保护现场处理。同时，同步信号还是脉冲触发信号的时间基准，脉冲信号对同步信号的延时不同，触发角不同。同步信号捕获中断服务

47、程序框图如图4.2。图4.2 同步信号捕获中断服务程序框图4.3 显示程序设计显示程序要根据需要显示的内容来编写，本文需要显示的有：运行方式，额定参数，运行参数等，一个屏面无法完全显示，需要做菜单和翻页编写，LCD初始化设置，清屏处理，显示坐标设置，中断设置等。其程序框图如下：图4.3液晶显示程序4.4 PWM波形程序设计PWM波形的形成主要靠对CPU I/O（PWM输出端口）的设置实现，当端口设置为1时，输出高电平，当端口设置为0时输出低电平。脉冲宽度的改变靠定时器定时的长短来实现。脉冲的使能信号为同步信号的延时信号，该延时的大小即决定触发角的大小。图4.4 移相触发脉冲形成流程图图4.5单

48、个脉冲产生流程图4.5主体软件流程图本系统主要采用模块化的设计方法，有主程序，数据采集处理子程序，显示程序，PWM移相触发子程序等。主程序主要完成系统初始化，中断设置，各子程序的调用等。主程序流程图如下：图4.6 主体软件流程图5系统调试与分析系统的调试是对整体系统的正确性的验证过程，也是对系统进行发现问题、改正问题的过程。下面列出几个典型电路的调试结果。5.1信号调理电路的调试采样首先通过互感器进行降压，互感器二次侧电压负荷基本计算要求。偏执电压调节范围满足，放大电路能够使输出电压符合要求。电路输出信号谐波成分少，幅值可靠。达到了预期的目的。通过不断调整改变放大倍数，偏置电压，使调理电路输出

49、实时、准确、安全的采样信号。调理输入电压为1.7V，输出电压为2.7V。可以用做A/D的输入信号。整个信号调理电路实验结果基本符合理论计算值，符合设计要求。5.2同步、测频电路的调试该电路输入为正弦信号，输出为方波信号。当输入信号为高时，输出为低电平信号，即0V；当输入信号为低时，输出为高电平，即3V电平信号。将输出信号接入DSP的中断出口处，用中断来启动采样，就可以保证采样是在过零点开始采样。同步电路实验结果如图5.1：图5.1 同步测频电路输出波形由实验结果得出：从电网采集信号电压大小为3V，频率为50Hz，方波信号美观，符合设计要求，达到设计目的。验证了设计的正确性。5.3六路PWM波形

50、发生的调试：本文采用三相全控桥式整流可控硅作为移相触发电路。而该电路需提供六路触发脉冲信号才能正确触发。主控芯片负责产生六路脉冲信号。实验结果如图：图5.2 相邻两路脉冲波形输出图5.3 相邻两路脉冲波形输出比较该实验为任意相邻触发信号的比较调试。相邻波形间相角差为60°。输出波形为5.3V方波信号。脉宽为3°左右，符合触发信号条件。达到设计目的。5.4电路的抗干扰措施同步电动机是励磁驱动，造成了恶劣的电磁环境。为了保证电动机运行的可靠性和稳定性，在设计电路的过程中采取了以下抗干扰措施。（1）模块化设计。整个控制电路设计成三大模块：控制模块，驱动模块，移相触发模块。各模块之

51、间相互独立，用排线连接，减少干扰。（2）光耦隔离。在控制模块和驱动模块之间采用光耦隔离处理。保证高频和低频，高压和低压隔离开，提高系统的稳定性。（3）电容滤波。整个电路设计在很多处采用电容滤波，包括交流采样电路，直流电源中，驱动电路输出端，以及可控硅发射机和集电极间等，目的是滤除谐波。电路经过抗干扰设计之后，电机运行稳定。而且从前面的示波器波形图中可以看出波形比较平滑，谐波较少，达到了预期的目标。6总结与展望6.1 实验完成结果总结本设计利用信号调理电路、KMB-0011脉冲变压器驱动电路、LCD12864显示、TMS320F2812 DSP结合设计的同步电机励磁控制系统，与传统励磁系统相比具

52、有采样精度高，移相范围广，显示直观，运行稳定等优点。本设计针对传统励磁系统大多采用模拟元件，工作问题性较差，移相范围较小的缺点，提出了解决这些问题的方案，在此基础上把系统模块化，提高了稳定性，便于调试，控制，检测。现对本设计作如下总结：（1）充分利用DSP的A/D转换模块的特点，采用交流方均根算法对采样值进行计算和还原，满足了高采样精度的控制要求。（2）利用光耦隔离电路有效的将DSP与驱动电路间相互隔离，保证了DSP的稳定运行，提高了可靠性，也使得软硬件调试方便。（3）利用脉冲变压器设计驱动电路，为保证可控硅的可靠触发提供了足够的功率，保证可控硅的可靠触发。同时它又使触发电路和光耦开关电路相互隔离，消除了互相间干扰的可能性。提高了稳定性和可靠性。（4）以TMS320F2812为核心设计了硬件电路，充分利用该DSP的强大资源和计算能力，简化了系统电路的设计，且性能更稳定，达到预期目的。6.2 实验中所遇到的问题及解决方法（1）问题：调试时信号调理电路输出通过LM324输出之后电压为4V左右，大于DSP