【正文】 摘 要同步電動機運行穩(wěn)定性一直是世界各國所普遍關(guān)注的課題，在諸多改善電動機穩(wěn)定性的措施中，提高勵磁系統(tǒng)的控制性能，被認為是最為有效和經(jīng)濟的措施。所以設(shè)計一套能使電勵磁同步電動機安全穩(wěn)定而又節(jié)能運行的勵磁裝置是非常重要的。論文主要論述一個基于PIC16F877單片機實現(xiàn)的同步電動機PWM勵磁電源的設(shè)計。首先，就同步電動機勵磁電源研究的背景和意義以及勵磁控制方式的演繹做了簡要論述；其次針對PWM控制技術(shù)和數(shù)字PID及其改進方法等基本原理做了詳細介紹；然后闡述了同步電動機PWM勵磁電源的主電路設(shè)計、控制電路設(shè)計以及IGBT的驅(qū)動與保護電路的設(shè)計，其中包括元器件的參數(shù)整定計算和各部分方案論證。最后介紹了控制算法的實現(xiàn)和軟件設(shè)計，并分析了設(shè)計中存在的問題。本次設(shè)計利用可控硅整流裝置將交流轉(zhuǎn)化成直流后供給勵磁的整流器勵磁系統(tǒng)，相比用直流發(fā)電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統(tǒng)，這種勵磁方式取消了全部的運動部件，運行可靠，經(jīng)濟性好，技術(shù)已經(jīng)相當?shù)某墒?，正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：勵磁電源；PWM斬波；數(shù)字PID；PIC16F877；IGBTAbstractSynchronous motor has been running stability of the world as issues of mon concern. In many generators to improve the stability of measures to enhance the control of excitation system performance, are considered to be the most effective and economic measures. So it is important that we design a set of stable and reliableexcitation device of synchronous motor excitated magnet by direct current.This paper mainly discusses a PIC16F877 microcontrollerbased achieve synchronous motor excitation PWM power supply design. First, synchronous motor excitation Power study the background and significance of excitation control and interpretation of a brief discussion。 Secondly against PWM control technology and digital PID and its methods of improving the basic tenets of a detailed。 then expounded the PWM synchronous motor excitation power supply circuit design, control circuit design and IGBT drive and protection circuit design, These include parts of the parameter setting and parts of the demonstration program. Finally, the realization of the control algorithm and software design , the analysis of the problems were introduced.The design is using thyristor device which will be exchanged into DC excitation supply after the rectifier excitation with the systern which used a DC generator excitation power as DC exciter excitation system. This exciting way of all the moving parts, reliable, economical, and the technology is already quite mature, is being increasingly widely used.Key Words : Excitation Source。 PWM Chopper。 Digital PID。 PIC16F877。IGBT 目 錄緒論 11 基本原理介紹 4 PWM控制技術(shù) 4 4 5 7 數(shù)字PID 8 8 10 122 同步電動機PWM勵磁電源主電路實現(xiàn) 14 概述 14 整流電路 14 14 16 17 濾波電路 17 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 18 18 的靜態(tài)特性 18 所用主要元器件參數(shù)整定與選型 20 20 20 213 同步電動機PWM勵磁電源控制電路實現(xiàn) 22 概述 22 控制電路的設(shè)計 22 IGBT的驅(qū)動電路的設(shè)計 23 23 24 25 PIC16F877 26 27 27 反饋環(huán)節(jié) 28 28 29 294 同步電動機PWM勵磁電源軟件實現(xiàn) 30 概述 30 軟件程序設(shè)計的特點 30 各模塊軟件設(shè)計 30 30 31 32 33 34結(jié)論 36謝辭 37參考文獻 38附 錄 39附錄一：設(shè)計原理圖及PCB(見上圖) 39附錄二：系統(tǒng)程序清單 39緒論課題研究的目的和意義當前，我國電力供應(yīng)十分緊張，據(jù)初步預(yù)測，我國將每年缺電800多億度，致使工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到嚴重威脅，為此，節(jié)約電能是我國民經(jīng)濟生活中一件長期而重要的任務(wù)。在世界能源嚴重不足的今天，節(jié)能降耗便成為各國科研機構(gòu)研究的首要任務(wù)。我國正在向工業(yè)化國家邁進，節(jié)約能源勢在必行，系統(tǒng)的節(jié)能降耗技術(shù)自然而然成為九五計劃重點研究與推廣項目。國內(nèi)油田采油設(shè)備主要以游梁式抽油機為主。由于抽油機上下沖程負載相差很大，呈周期性波動，且還配有平衡塊，故電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩是由油井負載和抽油機平衡塊轉(zhuǎn)矩疊加而成的，由于油田拖動負載的特殊性，為使抽油機能順利啟動，常按抽油機的最大負載來選配電動機，這使抽油機正常運行時的平均負載僅為最大負載的30%左右，供電效率低下。為節(jié)能降耗，電勵磁同步電動機在抽油機中得到應(yīng)用，并引起人們重視。其原因在于:在拖動周期性波動負載的工況下，電勵磁同步電動機的節(jié)能效果比永磁同步電動機更為顯著。因為理想的機械特性應(yīng)是軟機械特性，即當負載增大時轉(zhuǎn)速下降，當負載減小時轉(zhuǎn)速升高，這樣方能保證在負載變化的整個周期內(nèi)，功率變化始終較為平緩。由于永磁同步電動機的磁場不能改變，故其轉(zhuǎn)速無法隨負載變化而作相應(yīng)調(diào)整。而電勵磁的同步電動機則可通過調(diào)節(jié)勵磁電流來改變其磁場和功率因數(shù)，使輸出的機械特性與負載特性相匹配，故節(jié)能效果良好。勵磁系統(tǒng)的作用目前國內(nèi)外同步電動機勵磁裝置多采用恒勵磁電流運行方式，從而導致電網(wǎng)電壓或負載變化時不能很好地維持在額定功率因數(shù)下運行的現(xiàn)象，為解決此問題采用同步電動機勵磁系統(tǒng)微機化。實現(xiàn)恒勵磁電流和恒功率因數(shù)工作方式，以及作為調(diào)試及試驗條件下的恒a角工作方式。同步電動機具有功率因數(shù)可以超前、運行穩(wěn)定性好、效率高和轉(zhuǎn)速不隨負載變化而改變等特點，因此在不需要調(diào)速的低速大功率機械中，為了改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，廣泛采用同步電動機，而勵磁系統(tǒng)對同步電機及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有著重要的作用。同步電動機勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用主要有：對電網(wǎng)電壓的無功補償及經(jīng)濟運行和提高同步電機運行的穩(wěn)定性。勵磁系統(tǒng)一般由兩部分構(gòu)成：第一部分是勵磁功率部分，向同步電機的勵磁繞組提供可調(diào)節(jié)的直流勵磁電流；第二部分是勵磁調(diào)節(jié)器部分，通過測量、比較、計算等環(huán)節(jié)控制勵磁功率的大小，改變同步電機的功率因數(shù)，進而改善系統(tǒng)的功率因數(shù)，提高系統(tǒng)的運行效率。勵磁系統(tǒng)經(jīng)歷了由電動機械型到電磁型到半導體型幾個階段。目前，國內(nèi)外的同步電動機勵磁系統(tǒng)的控制與保護電路大多仍采用模擬元器件組成，本身存在很大的缺點，隨著計算機技術(shù)在許多工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，加速了控制信息處理向數(shù)字化處理的轉(zhuǎn)變，采用數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)已成為發(fā)展趨勢。而單片機抗干擾能力強，適合工作于惡劣的現(xiàn)場工作環(huán)境，而且造價低，所以在工業(yè)控制系統(tǒng)中，勵磁調(diào)節(jié)器的主控單元由單片機及其輔助電路構(gòu)成，是同步電動機勵磁系統(tǒng)控制的方向。同步電動機微機勵磁裝置采用他勵式靜止可控硅勵磁方式。運行方式有三種：一是恒功率因數(shù)閉環(huán)運行方式，二是恒勵磁電流閉環(huán)運行方式，三是恒給定環(huán)運行方式。恒功率因數(shù)運行方式是在同步電動機運行時根據(jù)負荷及系統(tǒng)參數(shù)改變及時調(diào)整觸發(fā)脈沖的角度a，進而調(diào)整可控硅整流橋輸出的勵磁電流來保證設(shè)定的功率因數(shù)開不變；恒勵磁電流運行方式是同步電動機運行時，自動維持設(shè)定的勵磁電流不變，這種運行方式對由勵磁繞組和整流系統(tǒng)構(gòu)成的小環(huán)是閉環(huán)的；恒給定開環(huán)方式是一種供調(diào)試和備用的調(diào)節(jié)方式。同步電動機微機勵磁裝置的硬件主要由勵磁功率部分和勵磁控制部分等組成。設(shè)計的任務(wù)和要求 本設(shè)計主要是完成基于PIC16F877單片機的同步電動機PWM勵磁電源設(shè)計，其設(shè)計的主要任務(wù)如下：⑴．學習同步電動機勵磁系統(tǒng)工作原理。掌握其晶閘管移相整流電路的控制方法。⑵.控制系統(tǒng)指標：，。⑶.電源運行指標：,，可調(diào)。⑷.對硬件進行原理分析及實驗結(jié)果討論。⑸．給出系統(tǒng)電路原理圖和PCB圖；⑹．根據(jù)設(shè)計結(jié)果制作簡單樣機。設(shè)計方案 本設(shè)計有三種方案，第一種方案是將系統(tǒng)輸入的3AC 380V 50HZ交流電經(jīng)過三相不可控整流器整流，然后用濾波電容將其濾為較平滑的直流電壓，最后通過PIC單片機控制IGBT的通斷實現(xiàn)PWM斬波得到頻率和占空比連續(xù)可調(diào)的脈沖電壓。在電路設(shè)計中單片機使用MICROCHIP公司推出的PIC16F877單片機、IGBT的驅(qū)動保護電路采用IGBT的集成驅(qū)動模塊HCPL316J、電壓反饋電路采用霍爾電壓傳感器和變送器模塊組成。第二種方案采用三相橋式全控整流電路，其它與方案一一致，也是采用PIC16F877單片機、IGBT的驅(qū)動保護電路采用IGBT的集成驅(qū)動模塊HCPL316J、電壓反饋電路采用霍爾電壓傳感器和變換器模塊組成；第三種方案大體與第一種方案設(shè)計相同，只是在選用模塊上有所差異，它的IGBT驅(qū)動模塊采用三菱公司生產(chǎn)的M57918L集成電路，電壓反饋電路采用電容濾波的單相不可控整流電路。在這三種方案中，本設(shè)計采用了第一種方案，一是由于采用電容濾波的三相不可控整流器整流具有提高功率因數(shù)、便于控制等優(yōu)點；二是由于三菱公司生產(chǎn)的M57918L集成電路沒有軟關(guān)斷和電源電壓欠壓保護功能，而惠普生產(chǎn)的HCPL316J有過流保護、欠壓保護和IGBT軟關(guān)斷的功能，且價格相對便宜；三是由于采用霍爾傳感器變送器模塊具有精度高、線性度好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強和不損壞被測電路能量等諸多優(yōu)點。下圖為主電路設(shè)計框圖。勵磁電源主電路框圖1 基本原理介紹 PWM控制技術(shù)隨著電壓型逆變器在高性能電力電子裝置中的應(yīng)用越來越廣泛，PWM（Pulse Width Modulation）控制技術(shù)作為這些系統(tǒng)的共用及核心技術(shù)，引起了人們的高度重視，并得到了更深入的研究。PWM（Pulse Width Modulation）控制方式就是對電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，即可改變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。，從此為交流傳動的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實時在線的PWM信號輸出，可以說直到目前為止，PWM在各種應(yīng)用場合仍在主導地位，并一直是人們研究的熱點。由于PWM可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點。由此在交流傳動及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PWM控制技術(shù)大致可以為為三類，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標的各種PWM方案，多重PWM也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化PWM及隨機PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢（如ABBACS1000系列和美國ROBICON公司的完美無諧波系列等）；而優(yōu)化PWM所追求的則是實現(xiàn)電流諧波畸變率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動最小以及其它特定優(yōu)化目標。在70年代開始至80年代初，由于當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5kHz。其原理是隨機改變開關(guān)頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐標系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機PWM仍然有其特殊的價值（DTC控制即為一例）；別一方面則告訴人們消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因為隨機PWM技術(shù)提供了一個分析、解決問題的全新思路。在采樣控制理論中，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈