基于PIC單片機的同步電動(dòng)機新型智能勵磁控制系統設計

1 引言

同步電動(dòng)機運行穩定性和可靠性對工業(yè)生產(chǎn)有重要的影響。單片機用于同步電動(dòng)機勵磁控制由于軟件豐富，能使勵磁裝置結構簡(jiǎn)化、功能增多且易于實(shí)現復雜的控制規律，同時(shí)還具有參數整定靈活，使用維護方便和故障自診斷功能。目前，國內許多基于單片機的同步電動(dòng)機勵磁控制系統與傳統的模擬勵磁控制系統相比性能有很大的提高，但因為采用的單片機內部資源較少使得單片機外圍電路復雜，其內部控制程序采用查表的方法，這樣影響了整個(gè)勵磁控制系統的精度、快速性和穩定性。PIC16F877單片機內部資源豐富，廣泛應用于工業(yè)控制領(lǐng)域。我們研制了基于PIC16F877單片機的同步電動(dòng)機新型智能勵磁控制系統，控制程序可以實(shí)時(shí)計算，利用內部的捕捉單元可以很容易實(shí)現自動(dòng)投勵、全壓投切電路。同時(shí)我們通過(guò)控制晶閘管移相整流模塊的控制端電壓來(lái)控制整流模塊的輸出，使得整個(gè)系統硬件電路簡(jiǎn)單、調試維護方便、系統性能較高。

2 系統組成與工作原理

同步電動(dòng)機新型智能勵磁控制系統的硬件結構圖如圖1所示。包括整流變壓器、晶閘管移相整流模塊、滅磁電路、投勵投全壓信號轉換電路、勵磁電流反饋信號轉換電路、PIC單片機控制電路、鍵盤(pán)及液晶顯示電路、保護跳閘電路、RS-232C接口電路。

當同步電動(dòng)機的定子合上電源時(shí)，同步電動(dòng)機進(jìn)入異步運行狀態(tài)，通過(guò)單片機的I/O口控制滅磁繼電器使滅磁電路工作，轉子感應交變電壓的正負半波都通過(guò)滅磁電阻，且正負半波電流對稱(chēng)，以保證同步電動(dòng)機具有良好的異步驅動(dòng)特性。在此期間單片機控制晶閘管移相整流模塊的輸出為零。同步發(fā)電機的投全壓、投勵時(shí)刻通過(guò)檢測電機的滑差確定。當轉速上升到同步轉速的90%左右投全壓;當轉速上升到同步轉速的95%左右采用“超前順極性投勵”方式，自動(dòng)準確的選擇在最佳的分離角處投勵。同時(shí)系統具有后備時(shí)間投全壓、投勵環(huán)節(可以通過(guò)鍵盤(pán)設置)。投勵之后，斷開(kāi)滅磁電路，單片機PWM輸出引腳的輸出經(jīng)光耦隔離、施密特整型電路、濾波電路之后控制晶閘管移相整流模塊的控制端電壓，晶閘管移相整流模塊的輸出直流電壓施加于電動(dòng)機勵磁繞組兩端，同步電動(dòng)機被牽入同步運行，起動(dòng)完畢。

同步電動(dòng)機正常運行時(shí)，系統對勵磁電流進(jìn)行閉環(huán)PID調節實(shí)現恒流勵磁，勵磁電流不受交流電網(wǎng)波動(dòng)及勵磁繞組熱態(tài)電阻變化的影響，并且可以通過(guò)鍵盤(pán)改變勵磁電流的大小。通過(guò)調節勵磁電流的大小可以調節同步電動(dòng)機的功率因數。

由于某些因素造成過(guò)勵、欠勵、失步時(shí)單片機可以自動(dòng)檢測，經(jīng)延時(shí)后自動(dòng)給出跳閘信號并顯示故障類(lèi)型。單片機自動(dòng)檢測勵磁裝置溫度，并與溫度設定值比較自動(dòng)開(kāi)停風(fēng)機。

3 硬件電路設計

3.1 PIC16F877單片機控制單元

PIC16F877具有高性能類(lèi)RISC CPU，20MHz時(shí)鐘輸入時(shí)，指令周期為200ns，8K字(14位字長(cháng))的FLASH程序存儲器，368字節的RAM，256字節的EEPROM，帶有片內RC振蕩器的WDT以保證可靠工作[3]。PIC16F877有強大的外圍功能模塊，有三個(gè)定時(shí)器，16位捕捉輸入的最大分辨率為12.5ns，脈寬調制(PWM)輸出的最大分辨率為10位，10位多通道A/D轉換器。PIC16F877還具有多達14個(gè)的內部/外部中斷源。

3.2 滑差信號捕捉電路

滑差信號捕捉電路如圖2所示。對電機滑差大小的檢測是根據轉子回路內測取的轉子電壓波形經(jīng)過(guò)零比較電路轉換成方波，通過(guò)光耦隔離輸入PIC16F877的CCP1捕捉引腳，根據捕捉到的方波脈沖寬度可以準確的確定投全壓、投勵時(shí)刻。通過(guò)控制單片機的I/O口與隔離電路控制相應的繼電器以實(shí)現投勵、投全壓動(dòng)作。

圖2 滑差信號捕捉電路