同步電動機(jī)勵磁電源的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)論文

1、桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 I 頁 共 49 頁摘 要同步電動機(jī)運(yùn)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(jī)穩(wěn)定性的措施中，提高勵磁系統(tǒng)的控制性能，被認(rèn)為是最為有效和經(jīng)濟(jì)的措施。所以設(shè)計一套能使電勵磁同步電動機(jī)安全穩(wěn)定而又節(jié)能運(yùn)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(jī)實(shí)現(xiàn)的同步電動機(jī)PWM勵磁電源的設(shè)計。首先，就同步電動機(jī)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(jìn)方法等基本原理做了詳細(xì)介紹；然后闡述了同步電動機(jī)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(hù)

2、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(shí)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(jī)作為勵磁電源的直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)，這種勵磁方式取消了全部的運(yùn)動部件，運(yùn)行可靠，經(jīng)濟(jì)性好，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)?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；IGBT桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 II 頁 共 49 頁AbstractSynchronous motor has been running stability of the w

3、orld as issues of common 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 synchro

4、nous motor excitated magnet by direct current.This paper mainly discusses a PIC16F877 microcontroller-based 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 brie

5、f 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

6、 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

7、 system.Comparing 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; Di

8、gital PID; PIC16F877;IGBT桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 III 頁 共 49 頁目 錄緒論 . 11 基本原理介紹 . 41.1 PWM控制技術(shù) . 41.1.1PWM控制技術(shù)的發(fā)展 . 41.1.2PWM控制的基本原理 . 51.1.3直流斬波 . 71.2 數(shù)字PID . 81.2.1PID控制及作用 . 81.2.2數(shù)字PID及其算法 . 101.2.3PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定 . 122 同步電動機(jī)PWM勵磁電源主電路實(shí)現(xiàn) . 142.1 概述 . 142.2 整流電路 . 142.2.1基本整流電路 . 142.2.2整流電路的設(shè)計 . 162.

9、2.3整流二極管參數(shù)計算與保護(hù)電路的設(shè)計 . 172.3 濾波電路 . 172.4 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) . 182.4.1IGBT結(jié)構(gòu)和基本功能 . 182.4.2IGBT 的靜態(tài)特性 . 182.5 所用主要元器件參數(shù)整定與選型 . 202.5.1進(jìn)線熔斷器 . 202.5.2斷路器的選型 . 202.5.3IGBT參數(shù)的計算 . 213 同步電動機(jī)PWM勵磁電源控制電路實(shí)現(xiàn) . 223.1 概述 . 223.2 控制電路的設(shè)計 . 223.3 IGBT的驅(qū)動電路的設(shè)計 . 233.3.1IGBT驅(qū)動電路要求 . 233.3.2HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 . 243.3

10、.3驅(qū)動電路設(shè)計 . 25桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 IV 頁 共 49 頁3.4 PIC16F877 . 263.4.1PICl6F877微處理器的核心特點(diǎn) . 273.4.2CCP模塊 . 273.5 反饋環(huán)節(jié) . 283.5.1霍爾電壓傳感器 . 283.5.2霍爾交流到直流變換器 . 293.5.3反饋環(huán)節(jié)的設(shè)計計算 . 294 同步電動機(jī)PWM勵磁電源軟件實(shí)現(xiàn) . 304.1 概述 . 304.2 軟件程序設(shè)計的特點(diǎn) . 304.3 各模塊軟件設(shè)計 . 304.3.1主程序 . 304.3.2增量式PID子程序 . 314.3.3給定勵磁電壓子程序 . 324.3.

11、4反饋電壓采樣子程序 . 334.3.5外部故障中斷子程序 . 34結(jié)論 . 36謝辭 . 37參考文獻(xiàn) . 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桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 1 頁 共 49 頁緒論課題研究的目的和意義當(dāng)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(yán)重威脅，為此，節(jié)約電能是我國民經(jīng)濟(jì)生活中一件長期而重要的任務(wù)。在世界能源嚴(yán)重不足的今天，節(jié)能降耗便成為各國科研機(jī)構(gòu)研究的首要任務(wù)。我國正在向工業(yè)化國家邁進(jìn)，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(diǎn)

12、研究與推廣項(xiàng)目。國內(nèi)油田采油設(shè)備主要以游梁式抽油機(jī)為主。由于抽油機(jī)上下沖程負(fù)載相差很大，呈周期性波動，且還配有平衡塊，故電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是由油井負(fù)載和抽油機(jī)平衡塊轉(zhuǎn)矩疊加而成的，由于油田拖動負(fù)載的特殊性，為使抽油機(jī)能順利啟動，常按抽油機(jī)的最大負(fù)載來選配電動機(jī)，這使抽油機(jī)正常運(yùn)行時的平均負(fù)載僅為最大負(fù)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(jī)在抽油機(jī)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(fù)載的工況下，電勵磁同步電動機(jī)的節(jié)能效果比永磁同步電動機(jī)更為顯著。因?yàn)槔硐氲臋C(jī)械特性應(yīng)是軟機(jī)械特性，即當(dāng)負(fù)載增大時轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)負(fù)載減小時轉(zhuǎn)速升高，這樣方能保證在負(fù)載變化的整個

13、周期內(nèi)，功率變化始終較為平緩。由于永磁同步電動機(jī)的磁場不能改變，故其轉(zhuǎn)速無法隨負(fù)載變化而作相應(yīng)調(diào)整。而電勵磁的同步電動機(jī)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(jī)械特性與負(fù)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(jī)勵磁裝置多采用恒勵磁電流運(yùn)行方式，從而導(dǎo)致電網(wǎng)電壓或負(fù)載變化時不能很好地維持在額定功率因數(shù)下運(yùn)行的現(xiàn)象，為解決此問題采用同步電動機(jī)勵磁系統(tǒng)微機(jī)化。實(shí)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(yàn)條件下的恒a角工作方式。同步電動機(jī)具有功率因數(shù)可以超前、運(yùn)行穩(wěn)定性好、效率高和轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載變化而改變等特點(diǎn)，因此在不需要調(diào)速的低速大功率機(jī)械中，為了改善

14、電網(wǎng)的功率因數(shù)，廣泛采用同步電動機(jī)，而勵磁系統(tǒng)對同步電機(jī)及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的作用。同步電動機(jī)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(bǔ)償及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和提高同步電機(jī)運(yùn)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(jī)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(jī)的功率因數(shù)，進(jìn)而改善系統(tǒng)的功率因數(shù)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。勵磁系統(tǒng)經(jīng)歷了由電動機(jī)械型到電磁型到半導(dǎo)體型幾個階段。目前，國內(nèi)外的同步電動機(jī)勵磁系統(tǒng)的控制與保護(hù)電路大多仍采用模擬元器件組成，本身存在很大的缺點(diǎn)，隨著計算機(jī)技術(shù)在許多工業(yè)控制領(lǐng)

15、域的應(yīng)用，加速了控制信息處理向數(shù)字化處桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 2 頁 共 49 頁 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(jī)抗干擾能力強(qiáng)，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(jī)及其輔助電路構(gòu)成，是同步電動機(jī)勵磁系統(tǒng)控制的方向。同步電動機(jī)微機(jī)勵磁裝置采用他勵式靜止可控硅勵磁方式。運(yùn)行方式有三種：一是恒功率因數(shù)閉環(huán)運(yùn)行方式，二是恒勵磁電流閉環(huán)運(yùn)行方式，三是恒給定環(huán)運(yùn)行方式。恒功率因數(shù)運(yùn)行方式是在同步電動機(jī)運(yùn)行時根據(jù)負(fù)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(jìn)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

16、因數(shù)開不變；恒勵磁電流運(yùn)行方式是同步電動機(jī)運(yùn)行時，自動維持設(shè)定的勵磁電流不變，這種運(yùn)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(jī)微機(jī)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(jī)的同步電動機(jī)PWM勵磁電源設(shè)計，其設(shè)計的主要任務(wù)如下：學(xué)習(xí)同步電動機(jī)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。 .控制系統(tǒng)指標(biāo)：ess=0，<5%，c>0.03s-1， m>60o。.電源運(yùn)行指標(biāo)：UN=500V,IN=150A，可調(diào)。.對硬件進(jìn)行原理分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)

17、果討論。給出系統(tǒng)電路原理圖和PCB圖；根據(jù)設(shè)計結(jié)果制作簡單樣機(jī)。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(jī)控制IGBT的通斷實(shí)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(jī)使用MICROCHIP公司推出的PIC16F877單片機(jī)、IGBT的驅(qū)動保護(hù)電路采用IGBT的集成驅(qū)動模塊HCPL-316J、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(jī)、IGBT的驅(qū)動保護(hù)電

18、路采用IGBT的集成驅(qū)動模塊HCPL-316J、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(diǎn)；二是由于三菱公司生產(chǎn)的M57918L集桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 3 頁 共 49 頁 成電路沒有軟關(guān)斷和電源電壓欠壓保護(hù)功能，而惠普生產(chǎn)的HCPL-316J有過流保護(hù)、欠壓保護(hù)和IGBT軟關(guān)斷的功能

19、，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(qiáng)和不損壞被測電路能量等諸多優(yōu)點(diǎn)。下圖為主電路設(shè)計框圖。勵磁電源主電路框圖桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 4 頁 共 49 頁 1 基本原理介紹1.1 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(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用

20、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(jìn)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。1.1.1PWM控制技術(shù)的發(fā)展1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把PWM控制技術(shù)這項(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動中，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(shí)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

21、場合仍在主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。由于PWM可以同時實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)。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(biāo)的各種PWM方案，多重PWM也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化PWM及隨機(jī)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(dú)特的優(yōu)勢（如ABB ACS1000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(shí)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(biāo)。在

22、70年代開始至80年代初，由于當(dāng)時大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5kHz。其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐標(biāo)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(qiáng)度大大削弱。正因?yàn)槿绱?，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(jī)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(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因?yàn)殡S機(jī)PWM技術(shù)提供了一個分析、解決問題的全新思路。桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 5 頁 共 49

23、頁1.1.2PWM控制的基本原理在采樣控制理論中，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。沖量即指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變化分析，則低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖1.1a、b、c所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖1.1a為矩形脈沖，.圖1.1b為三角形脈沖，1.1c為正弦半波脈沖，他們的面積都等于1，那么，當(dāng)他們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)脈寬變?yōu)?圖1.1d的單位脈沖函數(shù)（t）時，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。圖1.1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖面積等效原理：分

24、別將如圖1.1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L電路）上，如圖1.2a所示。其輸出電流i(t)對不同窄脈沖時的響應(yīng)波形如圖1.2b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相圖1.2 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 49 頁 同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。根據(jù)上面理論我們就可以用不同寬度的矩形波來代替正弦波，通過對矩形波的控制來模擬輸出

25、不同頻率的正弦波。例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 n ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形。可以看出，各脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。PWM脈寬調(diào)制，是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改

26、變周期來控制其輸出頻率。而輸出頻率的變化可通過改變此脈沖的調(diào)制周期來實(shí)現(xiàn)。這樣，使調(diào)壓和調(diào)頻兩個作用配合一致，且于中間直流環(huán)節(jié)無關(guān)，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動態(tài)性能。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流電源供電，可用不可控整流器取代相控整流器，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大大改善。利用PWM逆變器能夠抑制或消除低次諧波。加上使用自關(guān)斷器件，開關(guān)頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波。圖1.3 用PWM波代替正弦半波在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在勵磁電源主電路中，整流電路采用不可控的二極管電路即可，PWM逆變電路輸出的脈沖電

27、壓就是直流側(cè)電壓的幅值。桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 49 頁1.1.3直流斬波直流斬波電路實(shí)際上采用的就是PWM技術(shù),這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖,改變脈沖的占空比來獲得所許的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因?yàn)檩斎腚妷汉退枰妮敵鲭妷憾际侵绷麟妷海虼嗣}沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖占空比進(jìn)行控制，這是PWM控制中最為簡單的一種情況。6種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，其中前兩種是最基本的電路。由于本設(shè)計只用到降壓斬波電路，則其他的就不做詳細(xì)的

28、介紹，斬波電路的典型用途之一是拖動直流 電動機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載，兩種情況下負(fù)載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖1.4中Em所示。為使io連續(xù)且脈動小，通常使L值較大。圖1.4 降壓斬波電路原理圖及波形數(shù)量關(guān)系：電流連續(xù)時，負(fù)載電壓平均值：U0=a*Uc桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 8 頁 共 49 頁 a= Ton/T導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?；U0最大為E，減小a，U0隨之減小降壓斬波電，也稱為Buck變換器。 負(fù)載電流平均值： I=Ud/R電流斷續(xù)時，U0平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)。斬波電路三種控制方式：a 脈沖寬度調(diào)制（PWM）或脈沖調(diào)寬型T不變，調(diào)節(jié)ton，應(yīng)用最多；

29、 b 頻率調(diào)制或調(diào)頻型ton不變，改變T；c 混合型ton和T都可調(diào)，使占空比改變。1.2 數(shù)字PID1.2.1PID控制及作用PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值r（t）與輸出值c（t）進(jìn)行比較構(gòu)成控制偏差 e（t）r（t）c（t）將其按比例、積分、微分運(yùn)算后，并通過線性組合構(gòu)成控制量，如圖1.5所示，所以簡稱為P（比例）、I（積分）、D（微分）調(diào)節(jié)器。圖1.5 模擬PID調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)框圖(1)、比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器的表達(dá)式:u=KPe+u0Kp比例系數(shù)；u0是控制量的基準(zhǔn)，也就是e0時的一種控制作用。比例調(diào)節(jié)器的響應(yīng)比例調(diào)節(jié)器對于偏差階躍變化的時間響應(yīng)如圖1.6所示。比例調(diào)

30、節(jié)器對于偏差e是即時反應(yīng)的，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用使被控量朝著偏差減小的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp的大小。比例調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)是簡單、快速，有靜差。桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 9 頁 共 49 頁圖1.6 P調(diào)節(jié)器的階躍時間響應(yīng)、比例積分調(diào)節(jié)器 比例積分調(diào)節(jié)器的表達(dá)式1u=KP e+ TI0edt+u0tTI積分時間常數(shù) 比例積分調(diào)節(jié)器的響應(yīng)PI調(diào)節(jié)器對于偏差的階躍響應(yīng)如圖1.7所示?？煽闯龀幢壤兓某煞滞?，還帶有累計的成分。只要偏差e不為零，它將通過累計作用影響控制量u并減小偏差，直至偏差為零，控制作用不在變化，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。圖1.7 PI調(diào)

31、節(jié)器的階躍響應(yīng)(3)比例積分微分調(diào)節(jié)器（PID） 比例積分微分調(diào)節(jié)器（PID）表達(dá)式桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 10 頁 共 49 頁 1u=KP(e+TIt0edt+TDde)+u0 dtTD微分時間 比例積分微分調(diào)節(jié)器（PID）的響應(yīng)理想的PID調(diào)節(jié)器對偏差階躍變化的響應(yīng)如圖1.8所示。它在偏差e階躍變化的瞬間tt0處有一沖擊式瞬時響應(yīng)，這是由附加的微分環(huán)節(jié)引起的。圖1.8 PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)環(huán)節(jié)的作用及其控制規(guī)律為ud=KPTDde dt它對偏差的任何變化都產(chǎn)生控制作用ud以調(diào)整系統(tǒng)輸出，阻止偏差的變化。偏差變化越快, ud越大，反饋校正量則越大。故微分作用的加入將有

32、助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。PID調(diào)節(jié)器與PI調(diào)節(jié)器的區(qū)別PI調(diào)節(jié)器雖然可以消除靜差，但卻降低了響應(yīng)速度。PID調(diào)節(jié)器加快了系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。1.2.2數(shù)字PID及其算法因?yàn)槲C(jī)是通過軟件實(shí)現(xiàn)其控制算法。必須對模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行離散化處理，這樣它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，不能對積分和微分項(xiàng)直接準(zhǔn)確計算，只能用數(shù)值計算的方法逼近。用離散的差分方程來代替連續(xù)的微分方程。根據(jù)輸出量u（k）的形式可分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。 、位置式PID控制算法桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 11 頁 共 49 頁圖1

33、.9 位置式PID控制算法的簡化示意圖模擬表達(dá)式：將積分項(xiàng)和微分項(xiàng)離散化：將上兩式代入模擬表達(dá)式中得到離散PID表達(dá)式：上式的輸出與閥門開度位置一一對應(yīng)，也稱為位置型PID算式。用位置型PID算式計算P(K)，需要用到各采樣時刻的偏差值，計算復(fù)雜，且需要占用內(nèi)存。 、增量式PID控制算法當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量（例如去驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)）時，需要用PID的“增量算法”。由位置型PID算式可得出(k-1)時刻的輸出：桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 12 頁 共 49 頁 兩式相減,得出控制量的增量算法:增量型較位置型的優(yōu)點(diǎn)位置式算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)

34、，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的積累誤差。而增量式只需計算增量，當(dāng)存在計算誤差或精度不足時，對控制量計算的影響較小。對于位置式算法，控制從手動切換到自動時，必須先將計算機(jī)的輸出值設(shè)置為原始閥門開度u0，才能保證無沖擊切換。如果采用增量算法，則由于算式中不出現(xiàn)u0，易于實(shí)現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。此外，在計算機(jī)發(fā)生故障時，由于執(zhí)行裝置本身有寄存作用，故可仍然保持在原位。1.2.3PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定湊試法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)湊試法是通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行（如果允許的話）觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(例如階躍響應(yīng))，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的系統(tǒng)響應(yīng)，從而

35、確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)。PID的參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響比例系數(shù)KP對系統(tǒng)性能的影響增大比例系數(shù)KP一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。積分時間TI對系統(tǒng)性能的影響增大積分時間TI有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢。微分時間TD對系統(tǒng)性能的影響增大微分時間TD，也有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。湊試法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)在湊試時，可參考以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實(shí)行下述先比例，后積分，再微分的整定步驟。首先只整定比例部分。即將比例系數(shù)由小變

36、大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計要求，則須加入積分環(huán)節(jié)。整定時首先置積分時間TI為一較大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略為縮?。ㄈ缈s小為原值的0.8倍），然后減小積分時間，在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下，使靜差桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 13 頁 共 49 頁 得到消除。若使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜差，但動態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整不能滿意，則可加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)器。實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)擴(kuò)充臨界比例度法擴(kuò)充臨界比例度法是以模擬調(diào)節(jié)器中使用的臨界比例度法為基礎(chǔ)的一種PID數(shù)字控制器參數(shù)的整

37、定方法。階躍響應(yīng)曲線法在上述方法中，不需要預(yù)先知道對象的動態(tài)性能，而是直接在閉還系統(tǒng)中行整定的。如果已知系統(tǒng)的動態(tài)特性曲線，數(shù)字控制器的參數(shù)的整定也可采用類似模擬調(diào)節(jié)器的響應(yīng)曲線法來進(jìn)行，稱為階躍響應(yīng)曲線法，也稱擴(kuò)充響應(yīng)曲線法。這一方法適用于多容量自平衡系統(tǒng)。桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 14 頁 共 49 頁 2 同步電動機(jī)PWM勵磁電源主電路實(shí)現(xiàn)本設(shè)計實(shí)現(xiàn)的是一個基于PIC16F877同步電動機(jī)勵磁電源設(shè)計過程及基本原理,他采用三相不可控整流橋?qū)⒔祲汉蟮慕涣麟娮優(yōu)槊}動的直流,然后用濾波電容將其濾波為較平滑的直流電壓,根據(jù)同步電動機(jī)的輸出電壓的變化,將所采集的反饋量與相應(yīng)的給

38、定值比較后,執(zhí)行數(shù)字PID算法,通過MICROCHIP公司推出的PIC16F877單片控制IGBT的通斷實(shí)現(xiàn)PWM斬波得到頻率和占空比連續(xù)可調(diào)的脈沖電壓。整個硬件電路由主電路和控制電路兩大部分組成，由于這部分是設(shè)計的重點(diǎn)，所以分三、四兩章將分別論述。2.1 概述在本章中，將詳細(xì)論述電氣主電路的各個組成部分、元器件的特性和功能、元器件的選型以及參數(shù)的整定計算。本系統(tǒng)的電氣主電路由整流電路和濾波電路兩部分組成。本次設(shè)計的勵磁控制系統(tǒng)電氣主電路圖如圖2.1所示。圖2.1 勵磁控制系統(tǒng)電氣主電路圖2.2 整流電路2.2.1基本整流電路、電容濾波的單相不可控整流電路圖2.2 電容濾波的單相橋式不可控整流

39、電路主要的數(shù)量關(guān)系輸出電壓平均值桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 15 頁 共 49 頁 空載時，R=，放電時間常數(shù)為無窮大，輸出電壓最大，Ud =1.414U2。通常在設(shè)計時根據(jù)負(fù)載的情況選擇電容C值，使RC （1.5-2.5）T，T為交流電源的周期，此時輸出電壓為 Ud =1.2 U2電流輸出平均值輸出電流平均值Id為Id=Ud/R在穩(wěn)態(tài)時，電容C在一個周期吸收的能量和釋放的能量相等，其電壓平均值保持不變，相應(yīng)的流經(jīng)電容的電流一周期的平均值為零，又id=iC+iR得出：Id=IR、電容濾波的三相不可控整流電路在電容濾波的三相不可控整流電路中，最常用的是三相橋式結(jié)構(gòu)如下圖所示電容

40、濾波的三相不可控整流電路如圖2.3所示：圖2.3 電容濾波的三相橋式整流電路基本原理該電路中，當(dāng)一對二極管導(dǎo)通時，輸出直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時，由電容向負(fù)載放電，Ud按指數(shù)規(guī)律下降。在wt=0時，二極管VD1和VD5開始同時導(dǎo)通，直流側(cè)電壓等于uab下一次同時導(dǎo)通的一對管子是VD1和VD4，直流側(cè)電壓等于uac這兩段導(dǎo)通之前VD5和VD1是關(guān)斷的，交流側(cè)向直流側(cè)的充電電流id是斷續(xù)的。實(shí)際電路中存在的交流側(cè)電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感。考慮電感時電流波形的前沿平緩很多，有利于電路的工作。主要數(shù)量關(guān)系輸出電壓平均值：輸出電

41、壓平均值Ud在（2.34U2 2.45U2）之間變化。桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 16 頁 共 49 頁 輸出電流平均值： Id=Ud/R二極管的電流平均值為Id 的1/3，即IVD = Id/3=IR/3 。二極管承受的電壓二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值2.45*U2。2.2.2整流電路的設(shè)計整流電路采用電容濾波三相不可控整流電路。采用不可控整流電路可以提高功率因數(shù)便于控制等優(yōu)點(diǎn)。目前大都不采用由單管組成的整流橋，而是采用由模塊組成的整流橋，而整流模塊的種類目前有四種，即全橋整流模塊，共陰極整流模塊、共陽極整流模塊和橋臂整流模塊。圖2.4a全橋整流模塊 圖2.4b共

42、陰極整流模塊圖2.4c共陽極整流模塊 圖2.4d橋臂整流模塊這四種整流模塊都可使用，但從模塊的散熱條件和連接方式等方面考慮，本設(shè)計采用橋臂整流模塊來構(gòu)成功率單元的三相整流橋。整流模塊的主要參數(shù)有額定電壓和額定電流，三相橋式整流電路中，整流管承受電壓的最大值等于三相交流進(jìn)線電壓的峰值。為了在電源電壓波動和出現(xiàn)瞬時過電壓時不致?lián)p壞整流管，整流模塊的額定電壓應(yīng)有23倍的裕度。桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 17 頁 共 49 頁2.2.3整流二極管參數(shù)計算與保護(hù)電路的設(shè)計對于三相橋式整流電路中整流管額定電流的選擇一般是按直流電流的最大電流值來計算： Ie0.367KiIdmIdm :

43、直流電流最大值，Ki:電流儲備系數(shù)， 一般情況下取1.22，但在功率單元中，由于考慮到整流電路中無預(yù)充電限流電阻，故可取為23倍。由于題目所給輸出指標(biāo)：輸出額定電壓500V，輸出額定電流150A。取占空比為1時，輸出電壓為500V根據(jù) 2.34*U2 =500V得 U2=213.68V變壓器變比 N=則變壓器變比取N=1由此 U2=3803*5220V 3803*213.681.02URM=2UM=2*3*220 1075VIVDM=2*150=300A根據(jù)計算的參數(shù)可以選取整流二極管。2.3 濾波電路濾波電路主要由濾波電容器組成，濾波電容器是電壓源型整流器中最重要的元件。因此對它的選擇非常重要，它的性能及其參數(shù)的選擇，直接決定著同步電動機(jī)勵磁電源能否正常工作。濾波電容的參數(shù)主要有額定工作電壓和電容量。濾波電容均采用電解質(zhì)電容器，但目前電解質(zhì)電容器的最高電壓只能達(dá)到450V，因此，當(dāng)其電壓不能滿足要求時，得用分組電容器串聯(lián)。對其額定電壓的選擇可根據(jù)功率單元中間直流電壓的最大值Udm來選 擇:Ue1.11.3UdmUdm=2UL+U1U1：再生電壓增量，一般為Udm10%UL:功率單元進(jìn)線電壓有效值濾波電容器的電壓比較好選擇，但對