1 引言

同步電動機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性對工業(yè)生產(chǎn)有重要的影響。單片機(jī)用于同步電動機(jī)勵磁控制由于軟件豐富，能使勵磁裝置結(jié)構(gòu)簡化、功能增多且易于實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，同時還具有參數(shù)整定靈活，使用維護(hù)方便和故障自診斷功能。目前，國內(nèi)許多基于單片機(jī)的同步電動機(jī)勵磁控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的模擬勵磁控制系統(tǒng)相比性能有很大的提高，但因為采用的單片機(jī)內(nèi)部資源較少使得單片機(jī)外圍電路復(fù)雜，其內(nèi)部控制程序采用查表的方法，這樣影響了整個勵磁控制系統(tǒng)的精度、快速性和穩(wěn)定性。PIC16F877單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。我們研制了基于PIC16F877單片機(jī)的同步電動機(jī)新型智能勵磁控制系統(tǒng)，控制程序可以實時計算，利用內(nèi)部的捕捉單元可以很容易實現(xiàn)自動投勵、全壓投切電路。同時我們通過控制晶閘管移相整流模塊的控制端電壓來控制整流模塊的輸出，使得整個系統(tǒng)硬件電路簡單、調(diào)試維護(hù)方便、系統(tǒng)性能較高。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

同步電動機(jī)新型智能勵磁控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換電路、勵磁電流反饋信號轉(zhuǎn)換電路、PIC單片機(jī)控制電路、鍵盤及液晶顯示電路、保護(hù)跳閘電路、RS-232C接口電路。

當(dāng)同步電動機(jī)的定子合上電源時，同步電動機(jī)進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)，通過單片機(jī)的I/O口控制滅磁繼電器使滅磁電路工作，轉(zhuǎn)子感應(yīng)交變電壓的正負(fù)半波都通過滅磁電阻，且正負(fù)半波電流對稱，以保證同步電動機(jī)具有良好的異步驅(qū)動特性。在此期間單片機(jī)控制晶閘管移相整流模塊的輸出為零。同步發(fā)電機(jī)的投全壓、投勵時刻通過檢測電機(jī)的滑差確定。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到同步轉(zhuǎn)速的90%左右投全壓;當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到同步轉(zhuǎn)速的95%左右采用“超前順極性投勵”方式，自動準(zhǔn)確的選擇在最佳的分離角處投勵。同時系統(tǒng)具有后備時間投全壓、投勵環(huán)節(jié)(可以通過鍵盤設(shè)置)。投勵之后，斷開滅磁電路，單片機(jī)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機(jī)勵磁繞組兩端，同步電動機(jī)被牽入同步運(yùn)行，起動完畢。

同步電動機(jī)正常運(yùn)行時，系統(tǒng)對勵磁電流進(jìn)行閉環(huán)PID調(diào)節(jié)實現(xiàn)恒流勵磁，勵磁電流不受交流電網(wǎng)波動及勵磁繞組熱態(tài)電阻變化的影響，并且可以通過鍵盤改變勵磁電流的大小。通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小可以調(diào)節(jié)同步電動機(jī)的功率因數(shù)。

由于某些因素造成過勵、欠勵、失步時單片機(jī)可以自動檢測，經(jīng)延時后自動給出跳閘信號并顯示故障類型。單片機(jī)自動檢測勵磁裝置溫度，并與溫度設(shè)定值比較自動開停風(fēng)機(jī)。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 PIC16F877單片機(jī)控制單元

PIC16F877具有高性能類RISC CPU，20MHz時鐘輸入時，指令周期為200ns，8K字(14位字長)的FLASH程序存儲器，368字節(jié)的RAM，256字節(jié)的EEPROM，帶有片內(nèi)RC振蕩器的WDT以保證可靠工作[3]。PIC16F877有強(qiáng)大的外圍功能模塊，有三個定時器，16位捕捉輸入的最大分辨率為12.5ns，脈寬調(diào)制(PWM)輸出的最大分辨率為10位，10位多通道A/D轉(zhuǎn)換器。PIC16F877還具有多達(dá)14個的內(nèi)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(jī)滑差大小的檢測是根據(jù)轉(zhuǎn)子回路內(nèi)測取的轉(zhuǎn)子電壓波形經(jīng)過零比較電路轉(zhuǎn)換成方波，通過光耦隔離輸入PIC16F877的CCP1捕捉引腳，根據(jù)捕捉到的方波脈沖寬度可以準(zhǔn)確的確定投全壓、投勵時刻。通過控制單片機(jī)的I/O口與隔離電路控制相應(yīng)的繼電器以實現(xiàn)投勵、投全壓動作。

圖2 滑差信號捕捉電路

3.3 失步保護(hù)電路

同步電動機(jī)失步時會在其轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生不衰減的交變電流分量，通過測取轉(zhuǎn)子勵磁回路分流器上的交變電流信號，對其波形特征進(jìn)行分析即可快速、準(zhǔn)確判斷電機(jī)是否失步。電動機(jī)失步是很嚴(yán)重的事故，必須快速、準(zhǔn)確的判斷。因此我們把失步毫伏信號通過放大電路、比較電路轉(zhuǎn)換成方波信號經(jīng)光耦隔離接到PIC單片機(jī)的外部中斷輸入管腳。單片機(jī)通過檢測方波信號的頻率來判斷電機(jī)是否失步，還是勵磁回路產(chǎn)生了同步振蕩。失步信號轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

當(dāng)電機(jī)失步后，立即封鎖PWM輸出，復(fù)位投勵繼電器，使電機(jī)進(jìn)入異步驅(qū)動階段。此后電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，待進(jìn)入臨界滑差后，按準(zhǔn)確強(qiáng)勵對電機(jī)實施整步，使電機(jī)恢復(fù)到同步狀態(tài)。如整步失敗，單片機(jī)發(fā)出跳閘信號動作于跳閘回路，保護(hù)繼電器動作，液晶顯示“失步”。

圖3 失步信號轉(zhuǎn)換電路

3.4 勵磁電流采樣電路

從串聯(lián)在勵磁回路的分流器上測取勵磁電流信號。假設(shè)分流器變比為300A/75mv，同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行勵磁電流為150A，那么測得與電流成比例的電壓37.5mv。再通過放大電路經(jīng)光耦隔離(光耦工作在線性工作區(qū)，+5V供電電源)接到PIC單片機(jī)A/D管腳。單片機(jī)對光耦輸出端采樣就可以得到與勵磁電流大小成比例的電流信號。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用PIC單片機(jī)的HI-TECH PIC C語言編程，人機(jī)界面友好，操作簡單。系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，分別由主控程序、顯示程序、捕捉程序、數(shù)據(jù)采集程序、PID運(yùn)算程序、過勵欠勵檢測程序、失步檢測程序、溫度檢測程序及中斷服務(wù)程序等程序模塊組成，軟件流程如圖4所示。可以方便、靈活的添加、刪除功能模塊。

5 結(jié)束語

基于PIC單片機(jī)設(shè)計的同步電動機(jī)新型智能勵磁控制系統(tǒng)，利用PIC16F877單片機(jī)的捕捉單元及方波轉(zhuǎn)換電路方便、準(zhǔn)確的在同步電動機(jī)進(jìn)入“亞同步”狀態(tài)時投勵完全消除了電機(jī)起動過程中的脈振和投勵沖擊現(xiàn)象;采用數(shù)字PID控制算法實時性好、可靠性高;利用PIC單片機(jī)的PWM單元及濾波電路實現(xiàn)了PID控制運(yùn)算結(jié)果的D/A轉(zhuǎn)換，外圍電路簡單系統(tǒng)實時性強(qiáng);軟件設(shè)計采取了抗外界干擾措施，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和較高的可靠性。該系統(tǒng)在某工廠動力分廠拖動空氣壓縮機(jī)的同步電動機(jī)上進(jìn)行了試用，證明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可操作性、可維護(hù)性和可靠性，并且結(jié)構(gòu)簡單、現(xiàn)場安裝調(diào)試方便、運(yùn)行穩(wěn)定。