基于C8051F350单片机同步电动机励磁控制系统设计.docx

基于C8051F350单片机同步电动机励磁控制系统设计.docx

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基于C8051F350单片机同步电动机励磁控制系统设计

摘要

同步电动机广泛应用于石油、煤炭、电力、水利、供汽等诸多领域中，励磁系统在同步电动机的控制具有重要作用，而传统的励磁技术存在设备故障率高、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。

本设计仔细研究了同步电动机励磁系统的工作原理，利用新华龙C8051F350高性能16位单片机设计主控核心，以TCA785作为脉冲发生器，并以LCD12864作为显示模块，采用交流采样傅式算法设计了无刷同步电机的励磁系统，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，易于控制，证明了此设计的可实施性。

关键词:

同步电动机，励磁控制,TCA785,C8051F350

研究类型：

应用研究

1绪论

1.1课题研究背景和意义

1.1.1课题研究背景

目前,国内外的同步电动机励磁系统的控制与保护电路大多仍采用模拟元器件组成,本身存在很大的缺点,从而导致电网电压或负载变化时不能很好地维持在额定功率因数下运行,为解决此问题采用同步电动机励磁系统微机化。

实现恒励磁电流和恒功率因数工作方式,以及作为调试及试验条件下的恒

角工作方式。

同步电动机广泛应用于石油、化工、煤炭、冶金、电力、水利、城市供水、供汽等诸多领域中，一方面它为工业企业提供源源不断的动力；另一方面它向电网发送无功功率，改善电网质量。

对同步电动机的控制，是通过调节其励磁装置来完成，而传统的励磁技术存在严惩缺陷，使同步电动机频繁损坏，直接影响企业的生产，给企业带来巨大的损失。

随着数字化控制技术和半导体可控硅整流技术的发展，新的励磁技术不断完善，淘汰及改造传统励磁装置的任务尤为迫切。

1.1.2课题研究的目的和意义

随着生产的不断发展，电力供需矛盾越来越突出，然而电能浪费现象也很严重，主要表现在工业技术装备水平和管理水平比较落后，线路功率因数低，用电设备效率低，能源消耗高。

同步电动机与异步电动机相比具有独特的优点,可以通过调节电动机的励磁电流来改变其无功电流和无功功率的消耗。

因此,同步电动机可以在功率因数

时,或者在功率因数超前的情况下运行,是理想的节能型电力拖动设备。

本课题的主要目的是通过分析同步电机的励磁系统的工作原理以及控制规律，设计同步电机的励磁系统的控制器。

控制器是励磁系统工作的重要组成环节。

通过开发试制控制器来分析励磁系统的工作性能，并且提出改善和提高励磁系统性能的方案。

现用同步电动机的励磁装置大部分是老产品,励磁电流的大小是用感应调压器调节电压实现的。

该设备不仅体积大、笨重,而且调压器要消耗大量电能。

同步电动机能发送无功功率，支持电网电压，有助于充分利用电能，过载能力强、功率因数高、转速不变以及转矩受电源电压影响较小等优点，实现电动机励磁的微机控制在当今是非常急迫的，需求空间很大。

1.2论文主要内容

论文首先对同步电动机工作原理进行分析，引入励磁控制系统，主要由信号采集通道、单片机主控系统、移相脉冲输出单元组成，将每个部分模块化以便于理解设计理念。

以C8051F350单片机为核心进行同步电动机励磁控制系统设计，主要包括信号调理电路、LF398采样保持器、电压放大电路和TCA785芯片触发脉冲的发生器。

软件程序基于交流傅式算法对电网信号进行采样和计算，由D/A输出与电网功率因数相对应得电压，对TCA785芯片触发脉冲的发生器进行移相控制。

本设计中加入显示部分，利用LCD12864液晶显示模块可以方便的观察系统的运行状态，更好的进行控制及保护。

2同步电动机的励磁系统工作原理

2.1同步电动机工作原理

同步电动机转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电动机。

其转子转速n与磁极对数p、电源频率f之间满足n=f/p。

转速n决定于电源频率f，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。

同步电动机具有运行稳定性高和过载能力大等特点。

常用于多机同步传动系统、精密调速稳速系统和大型设备（如轧钢机）等。

同步电动机是属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同。

它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。

正由于这样，同步电动机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。

为此，在很多时候，同步电动机是用以改进供电系统功率因数。

当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生了一个旋转磁场，鼠笼绕组切割磁力线而产生感应电流，从而使电动机旋转起来。

电动机旋转之后，其速度慢慢增高到稍低于旋转磁场的转速，此时转子磁场线圈经由直流电来激励，使转子上面形成一定的磁极，这些磁极就企图跟踪定子上的旋转磁极，这样就增加电动机转子的速率直至与旋转磁场同步旋转为止。

下面由同步电动机的等效电路图进行分析：

图2.1同步电动机的等效电路图

由同步电动机的等效电路图的到同步电动机的基本方程：

由基本方程画出时空相-矢量图：

（a）（b）（c）

图2.2同步电动机的时空相-矢量图

将上图相互比较，只是电流相量的方向以及阻抗的相量的方向变反了，其他的相-矢量的方向一致。

这是由于电动机惯例和发电机惯例相比较，电动势和电压的正方向没变，空间坐标+A的位置也没变，所以相应的电动势及磁动势的方向也不变，只是这是电枢磁动势和电流的方向相反，即产生了负磁动势。

2.2同步电动机的V形曲线

电流正方向改变后，

角就小于90度了，如果算出电功率

为正值，表示电动机从电源吸收电功率；若为负值，为发出电功率。

对于无功功率,

若算出为正值，表示电动机从电源吸收无功功率；若为负值，为发出无功功率。

（a）图为过励磁电流情况，

<0，无功功率为负值，即同步电动机向电网输出无功功率；

（b）图为正常励磁电流情况，

=0，无功功率为0，无功功率处于平衡状态；

（c）图为正常励磁电流情况，

>0，无功功率为正值，即同步电动机从电源吸收无功功率；

三种励磁电流情况下的有功功率

均为正值，说明点击从电源吸收有功功率。

在某一固定负载下，改变它的励磁电流，找出它的电枢电流的变化曲线，当保持另一恒定负载改变励磁电流，又可得到另一条曲线，这就是电动机的V形曲线。

图2.3同步电动机的V型曲线

图2.3中Pm1>Pm2>Pm3>Pm，把各条V形曲线上功率因数相同的点连接，得到等功率因数线，在图中

的点，电枢电流最小；

电枢电流增大，还可总结出，比正常励磁电流小的情况，功率因数是滞后性的，相反的情况，功率因数是超前的。

得到等功率因数线之后各个运行点的功率因数就可以大致估计得到，过分减小励磁电流，同步电动机运行就要进入不稳定区域，影响电机的正常运行。

由此可以总结出励磁控制对于同步电动机的运行情况起着重要的作用

3硬件系统设计

3.1系统整体设计

同步电动机由6KV电网电源给电机定子供电，转子励磁电流由独立的三相电源经晶闸管整流桥整流供电，这构成了系统主回路。

互感器进行一次降压，变压器二次降压送入信号调理电路，信号调理输出接采样保持器构成了控制回路的输入通道。

单片机D/A输出经电压放大电路送到TCA785的移相控制端构成控制回路的输出通道。

以下给出了系统整体框图:

图3.1系统整体硬件框图

励磁系统一般由两部分构成:

第一部分是励磁调节器部分,通过测量、比较、计算等环节控制励磁功率的大小是；第二部分励磁功率部分,向同步电机的励磁绕组提供可调节的直流励磁电流,改变同步电机的功率因数,进而改善系统的功率因数提高系统的运行效率。

第一部分是励磁调节器部分主要由信号采集系统以及单片机主控系统组成。

信号采集系统主要利用LM358以及LM324集成运放器与附加电路组成，分为4部分：

滤波，跟随，偏置，反向，最终形成单片机A/D转换器可以直接采集的直流量。

单片机主控系统选用新华龙C8051F350高性能16位单片机设计主控核心，它具有运算速度高，自身带A/D转换、D/A输出等强大功能，满足设计所需要求。

第二部分励磁功率部分,设计采用德国西门子公司TCA785移相触发器属单片移相触发器，为双列直插式16脚大规模集成电路，具有输出脉冲整齐度好、移相范围宽、输出脉冲宽且可人为调节等优点。

单片机的D/A输出通过电压放大与TCA785的控制端连接，达到自动调节移相角度的要求。

设计加入了LCD12864液晶显示部分，它相对于1602具有显示屏幕更大，内含强大的中文字库等优点，能方便通过观察电压，电流，有功，无功的量了解系统运行状态，方便的进行手动调节，防止故障的扩大。

软件由主程序、中断服务程序、AD转换程序、显示程序、以及各个子程序组成。

主程序主要进行参数的显示和修改,中断服务程序为定时中断。

单片机对于励磁装置的所有控制功能均在中断服务程序中实现和完成的,它由两部分组成,分别是投励控制、励磁控制。

各部分相结合对励磁系统进行有效的控制。

单片机系统由C8051F350为主控核心，对LF398控制逻辑端进行采样/保持的控制选择，保证一个信号周期内采到12个点，对波形进行还原，单片机的D/A输出端经过电压放大电路接TCA785的移相控制端，保证TCA785输出可移相的脉冲对晶闸管控制。

图3.2单片机系统图

3.2新华龙C8051F350高性能16位单片机介绍

C8051F350/1/2/3器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU。

下面列出了一些主要特性：

1）高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达50MIPS）

2）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）

3）24或16位单端/差分ADC，带模拟多路器

4）两个8位电流输出DAC

5）高精度可编程的24.5MHz内部振荡器

6）8KB在片FLASH存储器

7）768字节片内RAM

8）硬件实现的SMBus/I

9）增强型UART和SPI串行接口

10）4个通用的16位定时器

图3.3C8051F350/1/2/3内部功能结构图

图3.4C8051F350/1/2/3外部引脚图

具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F350/1/2/3是真正能独立工作的片上系统。

FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。

用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。

C8051F350/1/2/3系列MCU在CIP-51内核和外设方面有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。

CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。

在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。

而对于CIP-51内核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期，没有执行时间超过8个系统时钟周期的指令。

扩展的中断系统允许大量的模拟和数字独立工作，在需要时才中断控制器。

一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，因而有更高的执行效率。

在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。

MCU有多达8个复位源：

上电复位电路（POR）、一个片内VDD监视器（当电源电压低于VRST时强制复位）、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0提供的电压检测器、一个软件强制复位、外部复位输入引脚和FLASH读/写错误保护电路复位。

除了POR、复位输入引脚及FLASH操作错误这三个复位源之外，其他复位源都可以被软件禁止。

在一次上电复位之后的MCU初始化期间，WDT可以被永久性使能。

C8051F350/1/2/3器件的内部振荡器在出厂时已经被校准为24.5MHz±2%。

器件内还集成了外部振荡器驱动电路，允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部CMOS时钟源产生系统时钟。

时钟乘法器允许工作时钟频率达到50MHz。

外部振荡器在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU从一个低频率（节电）外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速（可达25MHz）的内部振荡器。

3.3A/D转换器及D/A输出

新华龙C8051F350高性能16位单片机自身内部有全差分24位（C8051F350/1）或16位（C8051F352/3）Sigma-Delta模/数转换器（ADC），该ADC具有在片校准功能。

两个独立的抽取滤波器可被编程到1KHz的采样率。

可以使用内部的2.5V电压基准，也可以用差分外部基准进行比率测量。

ADC0中包含一个可编程增益放大器，有8种增益设置，最大增益可达128倍。

图3.5ADC0原理框图

C8051F350/1//2/3内部有两个8位电流方式数/模转换器（IDAC）。

IDAC的最大输出电流可以有四种不同的设置：

0.25mA、0.5mA、1mA和2mA。

IDAC具有灵活的输出更新机制，允许无缝满度变化，支持无抖动波形更新。

IDA0有三种更新方式：

软件命令、定时器溢出或与外部信号同步。

图3.5IDAC0原理框图

A/D采样之后利用傅式算法求出三相的有功功率、无功功率、功率因数，再根据求到的功率因数的大小对D/A寄存器的值进行相应的控制，最终达到对触发脉冲的移相控制的目的。

3.4信号采集系统

单片机的A/D只能接收处理0V到2.5V的信号，所以要把电网上的电压电流信号进行多级处理。

实验中用一个变比为220/6的变压器首先将电压信号进行1级处理，变压器次级6V电压经过电位器继续降低到有效值为2V左右的电压值，有效值为2V左右的信号再经过信号调理电路就可以变为单片机可以处理的合适的信号了。

整个信号调理电路分为四级，包括低通滤波电路、电压跟随器、偏置电路和反相电路。

信号调理电路的输入为变比为220/6的变压器经过电位器降低之后的电压输出，信号调理电路的输入与输出之间的对应关系为：

5.7Vo-6.85=Vi，这样就能保证信号调理电路的输出符合单片机AD转换的输入。

3.4.1信号调理电路

整个信号调理电路分为四级，包括低通滤波电路、电压跟随器、偏置电路和反相电路。

图3.6信号调理电路

1）低通滤波电路：

图3.7低通滤波电路

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。

传递函数：

（3-1）

截止函数：

（3-2）

增益的幅值：

（3-3）

相角为：

（3-4）

参数选取：

，

。

代入式（3-2）可得：

；（3-5）

增益为：

（3-6）

相角为：

（3-7）

实验结果如下图所示：

图3.8电位器输出与滤波输出波形

由示波器波形可以观测到，模拟电压信号幅值为约1.4V，相位为

；低通滤波器输出信号幅值约为1V，A为0.73，相位约为

。

由万用表测量可以得到，模拟电压信号有效值为1V，低通滤波器的输出信号有效值为0.7V。

所以，低通滤波电路设计正确，符合设计要求。

2）电压跟随器

为了避免电压调理电路的偏置电路对低通滤波器的输出信号产生干扰，所以设置了一级电压跟随器。

电压跟随器电路如图3.9所示。

图3.9电压跟随器

实验结果：

电压跟随器的输出波形如图所示。

图3.10电压跟随器输入输出

从波形可以看出跟随器输入和输出波形是完全一致的，因此电压跟随器设计正确，符合设计要求。

3）电压偏置电路

从示波器的显示波形可以很明显的看出，电压跟随器输出的信号依然是正弦波的交流信号，而单片机的ADC模块的输入信号为0～2.5V的直流信号，所以，电压跟随器输出的信号必须经过变换才能输入到单片机的ADC模块。

在设计中选择电压偏置电路，相对于其他整流电流来说，偏置电路原理简单，调试方便，应用也很成熟。

电路图如图所示。

由电路图可以列出输入与输出的理论关系式为：

（3-8）

（3-9）

其中，

为电压偏置电路的输入即为电压跟随器的输出信号；

5（V）为偏置电压；

为偏置电路的输入和输出阻抗；

为限流电阻，不参与输入输出参数的计算。

图3.11电压偏置电路

选取

，代入式（3-9）得

（3-10）

的幅值为1.05V，所以它的取值范围为（+1.05～-1.05），所以，由上式可得：

（3-11）

（3-12）

实验结果：

偏置电路的输入输出波形如图3.12所示

图3.12偏置电路输入波形与输出波形

由波形可以看出，输出信号的值约为-0.95V～-1.58V，基本符合理论结果。

所以，偏置电路正确，符合设计要求。

4）反相电路

由于A/D的输入电压必须为正值，偏置电路的输出信号为负值，依然不能作为输入信号送入A/D，所以选用反相器电路来实现这一功能。

图3.13反相电路

反相比例运放的功能为输入信号和输出信号相位不变，幅值成负比例放大,所以实际上这里的反相比例放大电路其实就是一个反相电路。

输出电压：

（3-13）

其中，

。

所以，可得

，即相位相同，幅值大小相反。

实验结果：

输入输出波形如图3.14所示。

图3.14反相器输入、输出信号比对

由图3.14可以看出，反相比例放大电路的实验结果基本符合理论计算值，反相比例放大电路正确，符合设计要求。

综上所述，整个模拟电压信号调理电路的输入为交流1.45V信号，输出为（0.9～1.57V）的直流信号，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。

3.4.2LF398采样保持器

采样保持电路的基本组成如图所示。

采样保持电路一般由保持电容C、输入输出缓冲器以及控制开关三部分组成。

图3.15采样保持电路的基本组成

采样保持电路有两种工作模式，一种是采样模式，一种是保持模式。

在采样模式期间，开关S闭合，输入缓冲器A1通过闭合的开关S给保持电容C快速充电，使采样保持电路的输出跟随模拟量输入电压变化。

在开关S接通时，电容C充电时间越短越好，使其迅速达到输入电压。

在保持模式期间，模式控制信号使开关S断开，输出缓冲器A2的输入阻抗高，电容将保持充电时的最高值，即保持命令发出时刻的模拟量输入值，直到保持命令撤销时为止。

此时，采样保持电路重新跟踪输入信号的变化，直到下一个保持命令到来为止。

LF398是一种反馈型采样/保持放大器，它由输入缓冲级输出驱动级和控制电路三部分组成。

工作电源为

8角为控制逻辑端，功能框图为：

图3.16LF398功能框图

LF398由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。

控制电路中

主要起比较器的作用：

其中引脚7为参考电压输入。

当输入控制逻辑电平高于参考端电压时，输出一个低电平信号驱动开关K闭合，此时输入信号经过

后跟随输出到

，再由

的输出端跟随输出，同时向保持电容（接引脚6端）充电；而当输入控制逻辑电平低于参考端电压时，输出一个高电平信号驱动开关K断开，以达到非采样时间内保持器仍能保持原来的输入的目的。

因此

、

是跟随器，其作用主要是对保持电容输入和输出端进行阻抗变换，以提高采样/保持放大器的性能。

调零电路图：

图3.17LF398外围调零电路

LF398的直流调零电路时用一个1K的电位器，一端接正电源，中心抽头接芯片调零端，另一端通过电阻接地。

该电阻的大小应使1K电位器上通过电流约为0.6mA左右，调节电位器使输入

=0V时，输出

=0。

LF398的输入时信号调理电路的输出，LF398的输出送往单片机A/D的多路转换开关，把单片机的I/O口与LF398的控制逻辑端相连，即可通过单片机来控制LF398的采样/保持。

3.5脉冲发生及控制器

脉冲发生及控制器主要由单片机通过电压放大对TCA785进行控制组成，以下分别对各个部分进行实验分析。

3.5.1控制芯片TCA785

德国西门子公司TCA785移相触发器属单片移相触发器，为双列直插式16脚大规模集成电路，具有输出脉冲整齐度好、移相范围宽、输出脉冲宽且可人为调节等优点，现在变流技术领域广泛应用。

3个TCA785移相触发器及其脉冲隔离与放大电路共同构成相全控桥主回路可控硅触发电路，每个TCA785移相触发器的14、15引脚产生相位互差120度、

宽度大于60度的脉冲，而3个TCA785移相触发器的14或15引脚的脉冲互差120度。

图3.18Tca785移相触发器工作原理框图

同步电压经电阻由引脚5输入，移相范围由引脚11的电压决定，脉冲宽度由引脚12的外接电容决定，调节引脚10锯齿波斜率即调节6个脉冲一致性和对称性，引脚10锯齿波斜率的精确调节对触发电路性能起至关重要作用。

图3.19TCA785移相触发器外围接线图

（2）TCA785移相触发器的主要参数

电源电压：

+8—18V或±4V～9V

移相电压范围：

O．2～（Vcc一2）V

输出脉冲最大宽度：

1800

最大负载电流：

400mA

输出脉冲高、低电平：

Vcc和0．3V

图3.20TCA785的部分引脚的输入输出波形图

以下给出了实验的一些波形，对TCA785工作性能直观的体现，TCA785的移相范围可从0度到180度，对应整流桥输出电压的最大最小值。

脉冲宽度电容选用0.1微法，脉冲宽度对应0.84ms。

，而一般晶闸管的导通要求为0.7ms。

图3.21TCA785移相脉冲为128度时波形

图3.22TCA785移相脉冲为180度时波形

图3.23TCA785移相脉冲宽度和幅值波形

实验表明：

TCA785移相脉冲宽度和幅值满足晶闸管触发要求,工作特性稳定，移相范围广，达到了设计的要求。

3.5.2同相比例运算放大电路

新华龙C8051F350高性能16位单片机自带2个D/A输出，对应的I/O口味P1.6和P1.7，利用同相比例运算放大电路将单片机D/A输出进行放大送到TCA785的控制脚11,就能对TCA785的脉冲输出进行移相控制。

由于单片机D/A输出电压不够大，为了达到控制目的，设计了同相比例运算放大电路对D/A输出电压进行放大。

图3.24同相比例运算放大电路

图中输入电压来自单片机的P1.6脚，即单片机的DA输出，接入同相输入端，但是为保证引入的是负反馈，输出电压通过电阻R7仍接到反相输入端，同时，反相输入端通过电阻R接地。

为了使集成运放反相输入端和同相输入端对地电阻一致，R的电阻仍应为R与R并联的阻值。

同相比例运算放大电路中反馈的组态为电压串联负反馈，利用理想运放工作在现线性区时的两个特点“虚短”、“虚断”来分析其电压放大倍数。

根据：

，故

（3-14）

而且

（3-15）

由以上二式得

（3-16）

则同相比例运算放大电路的电压放大倍数为

（3-17）

在本设计中

取1K，

取2.5K，所以放大倍数为3.5倍，经试验证明满足设计要求。

3.6三相桥可控整流电路分析

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