基于C8051F350单片机同步电动机励磁控制系统设计word格式

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1、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

2、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

3、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

4、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。II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

5、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

6、态，更好的进行控制及保护。2 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

7、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，

8、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

9、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Pm1Pm2Pm3Pm，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

10、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

11、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

12、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

13、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 50 MIPS） 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

14、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3.3 C8051F350/1/2/3内部功能结构图图 3.4 C8051F350/1/2/3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

15、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

16、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

17、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。3.3 A/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

18、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3.5 ADC0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3.5 IDAC0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

19、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

20、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

21、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

22、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02.5V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

23、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

24、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（0.91.57V）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。3.4.2 LF398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

25、，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3.16 LF398功能框图LF398由输入缓冲级、输出驱

26、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3.17 LF398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

27、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TCA 785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

28、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3.18 Tca785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3.19 TCA785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

29、压：+818V或4V9V移相电压范围：O2(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03V 图3.20 TCA785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3.21 TCA785移相脉冲为128度时波形 图3.22 TCA785移相脉冲为180度时波形 图3.23 TCA785移相脉冲宽度和幅值波形实验表明：TCA785移相脉冲宽

30、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，

31、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，下图是晶闸管元件构成的三相全控整流桥，是励磁系统

32、的主电路部分（功率单元）。 图3.25 三相整流桥晶闸管元件以一定次序导通，为此必须依次对晶闸管施加触发脉冲，这是由移相触发模块实现的。移相触发模块的任务是产生相位可调的脉冲，用来触发整流桥中的晶闸管，使其控制角随综合放大环节输出的控制电压U的大小而改变，从而达到自动调节励磁电流的目的。下图给出了晶闸管导通次序。 图3.26 三相桥式整流电路的晶闸管导通次序表 1 三相桥式全控整流电路工作是晶闸管的工作情况回路次序时间阶段导通元件输出电压VT1.6VT1.2VT3.2VT3.4VT5.4VT5.63.7移相触发脉冲波形分析根据以上分析，晶闸管元件以一定次序导通，为此必须依次对晶闸管施加相应次序

33、触发脉冲，下图给出了移相角为60度的情况为例： 图3.27 三相桥式整流电路的波形得到输出整流电压平均值与输入相电压以及移相角之间的数学关系式：即通过改变移相角的大小就可以调节励磁电流，最终达到调节功率因数的目的。3.8 显示12864是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及12864全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示84个(1616点阵)汉字。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。图3.28 LCD12684液晶显示模块接线图表2 LCD12864显

34、示模块管脚说明 管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC3.0+5V电源正3V0-对比度（亮度）调整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7DB0为显示数据RS=“L”,表示DB7DB0为显示指令5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,数据读到DB70R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的数据被写到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15PSBH/LH

35、：8或4位并口方式，L：串口方式16NC-空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效（见注释2）18VOUT-LCD驱动电压输出端19AVDD背光源正端（+5V）（见注释3）20KVSS背光源负端（见注释3）3.9 调试中出现问题及解决方法 1）问题：调试时信号调理电路输出通过LF398之后波形出现畸变，毛刺较大，没有达到预期效果。 分析：LF398工作电源3V到15V，设计首先选用的是12V，电源相对较高，进入LF398的信号是偏置为正值的正弦波信号，直流电源电压值过大会对信号产生干扰，使波形发生畸变，产生毛刺。 解决办法：选用5V作为供电电源，信号输出波形有良好的改善，且电压不能选用太低

36、，否则会使工作性能降低。2）问题：LF398外围电路中的调零电路分为交流调零和直流调零，但是两个调零电路都接入时，调零效果并不理想。分析：两个调零电路相互干扰，使信号产生偏移。解决办法：只选用直流调零电路，信号输出波形有良好的改善，调零效果满足要求3）问题：单片机的A/D转换出现乱码。 分析：根据单片机的使用手册，在使用A/D转换时，需接外部参考电压，并在单片机初始化时对相应寄存器进行配置。解决办法：用电位器从外部电源盒取2.5V作为单片机的参考电压，A/D转换寄存器中乱码消失，证明分析正确。4 软件设计为了开发和调试方便，保证程序及其运行的可靠性，因此程序设计中的一些原则就显得十分重要，关键

37、在于模块化的编程方法，根据功能将程序分为不同的功能模块。系统软件的主要工作为：对采样值进行计算还原，控制输出大小，并显示运行状态。程序设计目标:准确采样模拟电压信号和模拟电流信号；用LCD12864显示计算结果有效值U,I,P,Q；通过C8051F350的DA控制TCA785的控制电压大小；根据无功Q的大小改变TCA785的脉冲，进行相应的移相角调节。4.1主程序设计 图4.1 主程序流程图4.2 信号采集傅式算法 当采用交流采样时，交流信号要经过计算处理才能变成控制需要的量。在实验中采用交流信号的傅式算法。设周期为2的周期可以展开为傅里叶级数即 （4.1）其中 （4.2） （4.3） （4.

38、4）在励磁调节器中，周期函数为交流信号，周期为T，即有。将和代入（4.2）-（4.4）。得到 （4.5） （4.6） （4.7）n取不同的值，表示交流信号的不同频率分量（谐波分量）。按交流信号的相量表示法，各谐波分量课表示为，初相角。其中 （4.8） （4.9）如果只考虑基波分量，即取n=1,则式（4.8）、（4.9）变为 （4.10） （4.11）假定一个周期内采样N个点，将式（4.8）、（4.9）用矩形法离散化得到（4.12）（4.13）式中，为一个周期内底K个采样值。显然，基波信号的幅值和初相角分别为 （4.14） （4.15）在已知电网电压和电流的实部和虚部的基础上，利用“三表法”，即

39、采集三相电压和电流，可以算出有功功率P和无功功率Q。 （4.16）（4.17）则功率因数为 （4.18）在程序中为了保证在一个周期内能猜到12个点，选用了定时器/计数器0，以保证事件的准确以及可调节。并利用I/O口P1.4对LF398的逻辑控制端进行采样保持控制。4.3 定时器中断子程序控制定时器的工作原理是计数器对机器周期进行计数，设T定时时间，x为计数器的初值，n为计数器的位数，单片机系统时钟频率为，则计数初值可通过如下公式计算： （4.19） （4.20）当采用交流傅式算法，一个周期内要采12个点时，定时器初值计算公式为: （4.21） （4.22）转换为十进制为：OXE454。 图4.

40、2 定时中断子程序4.4 A/D转换 将AD采样到的值二进制数值进行十进制转换，新华龙C8051F350单片机的AD为24位，而在傅式计算中需要对十进制数进行处理，所以首先要对AD采样值进行转换。图4.3 A/D子程序流程图4.5 D/A控制void IDA_Init() IDA0CN=0XF3; IDA0=0XEA;实验中测试得到DA与电压放大器的输出对应关系为：表3 DA与电压放大器的输出对应关系表D/A寄存器值运放电路输出电压(V)0xEA8.00xD57.50xC27.00xAF6.50x9D6.00x8A5.50x785.00x654.50x534.00x413.50x2E3.00x

41、1B2.50x092.00x001.75 5 总结与展望5.1总结 本设计利用信号调理电路、TCA785移相触发集成电路、LCD12864显示、新华龙C8051F350单片机结合设计的的同步电机励磁控制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。本设计针对传统励磁系统大多采用模拟元件，工作问题性较差，移相范围较小的缺点，提出了解决这些问题的方案，在此基础上把系统模块化，便于调试，控制，检测。现对本设计作如下总结：1）以单片机C8051F350为基础设计了硬件电路，充分利用该单片机的资源，简化了系统电路的设计，性能更稳定。2）结合单片机的A/D转换器的特点，采用交流傅式算法对采

42、样值进行计算和还原，满足了高采样精度的控制要求。3）考虑到系统快速实时性强的特点和少占用CPU的资源以提高CPU的处理能力，系统多部分用硬件电路来实现，如信号的调理电路，TCA785移相脉冲发生器等，减小了软件编制的复杂程度提高了系统的运行性能。4）在整个软硬件电路设计过程中，首先对开关电源进行了设计和调试，继而对各部分电路进行实验，都达到了预期的目的。5.2 展望 由于时间所限，本设计还不能成为一个完善的设计品，硬件电路略显复杂，若能在软件中采用更先进的算法以及精简程序，则运行速度可以得到更大的提高。对于设计，还需要大量的实验来验证。但对于现在的同步电动机励磁控制系统无疑是一个有益的尝试。致

43、谢谨向我的导师李忠老师致以最衷心的感谢，李老师待人真诚，作风严谨，在整个设计中对于我们用心指导，每次与导师见面，他都会询任务完成情况及在完成中所遇到的问题，而且会耐心的、认真的给与解答，给我指明设计前进的方向，同时他也会针对我的设计提出关键性问题，通过这样地方法，最终使我从最初的理论学习到外围采样电路及其软件编程设计，再到软件与硬件结合调试控制，真正达到理论与实际结合，活跃了思维，提高了动手能力，为以后工作打下了坚实的基础。在信号调理电路的调试过程中，田小超学长以及同组的曲何钊同学，刘召迎同学，很热心和我一起探讨设计中遇到的问题，感谢他们给予我有力的支持和帮助。衷心感谢 我的家人，是他们辛劳的

44、付出给予了我巨大的精神动力，使我时刻以坚强的意志去迎接生活中的每一个挑战。最后，感谢每一位关心和帮助过我的老师、同学和朋友！ 参考文献1祝龙记，王汝琳基于s一函数的异步电动机变频调速系统的仿真建模J计算机仿真,2004(10)：53542樊俊，陈忠，涂光瑜向步发电机半导体励磁原理及应用M北京，中国水利电力出版社，19913刘尚为新型同步电动机励磁装置的研究J大电机技术，2001(2)：56594陆继明同步发电机微机励磁控制M北京：中国水利电力出版社，20065张立 李莉. 基于89C52单片机同步电动机微机励磁装置的设计. 安徽理工大学，2008 29（2）6乐彬 王仲东. 同步电动机励磁微机

45、控制系统. 华中科技大学 2001年4月7付周兴,王清亮，董张卓.电力系统综合自动化.M.北京中国电力出版社,2006.68刘树林.低频电子线路.M.西安工业出版社,2006.19孙肖子,邓建国.电子设计指南.M.高等教育出版社,2006.110何希才.常用集成电路应用实例.M.电子工业出版社.2007.611 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2002-3-312 龚尚福.C/C+语言程序设计.徐州：中国矿业大学，2007.2-113李法海，朱东起.电机学.北京:科学出版社，2007-6-414孙树朴,王勉华.电力电子技术.徐州：中国矿业大学，1999-10-315付周兴.电力系

46、统微机继电保护技术.北京:中国电力出版社，2009-5-116王益全，张炳义.电机测试技术.北京:科学出版社，2004-1-117何仰赞，温增银.电力系统分析（上）.武汉：华中科技大学，2002-3-3 18何仰赞，温增银.电力系统分析（下）.武汉：华中科技大学，2002-3-3 19TI德州中文网.http；/20电子开发网.附录1 C8051F350单片机系统原理图附录2 信号调理电路原理图附录3 同相比例运算放大器及TCA785原理图 图1 同相比例运算放大器电路 图2 TCA785移相触发集成电路附录4 主程序#include c8051f350.h#include math.h#in

47、clude config.h#include 12864div.h#define pi 3.14159265#define JD 15sbit sw=P14;unsigned charcounter=0;floatcode S12=0.00,0.50,0.866,1.00,0.866,0.50,0.00,-0.5,-0.866,-1.00,-0.866,-0.5; floatcode C12=1.00,0.50,0.866,0.00,-0.50,-0.886,-1.00,-0.886,-0.5,0.00,0.5,0.866; floatxdata UAR,UAI,IAR,IAI,AD_resu

48、lt11,AD_result_111;int xdata UA11,IA11,sum=0,sum1=0,sum2=0,yougong,wugong;float xdata cos_1,Y,Q,X,yougong1,wugong1,yougong2,wugong2; void main(void)unsigned char k,n;Init_Device();lcdreset();IDA0=0XEA; delay(6000);while(1) TR0=1; if(counter=12)TR0=0; counter=0; Y=0.00;Q=0.00;cos_1=0.00;UAR=0.00;UAI=

49、0.00;IAR=0.00;IAI=0.00;for(n=0;n12;n+) AD_resultn=(2.5/256)*(float)(UAn); AD_result_1n=(2.5/256)*(float)(IAn);for(k=0;k12;k+)UAR+= (5.37*AD_resultk-6.279)*Sk)/6);UAI+= (5.37*AD_resultk-6.279)*Ck)/6);IAR+= (5.37*AD_result_1k-6.279)*Sk)/6);IAI+= (5.37*AD_result_1k-6.279)*Ck)/6);Q=(10000*(IAR*IAR+IAI*I

50、AI)/2;sum1=(int)(Q);X=pow(sum1,0.5);X=X/0.84; sum1=(int)(X); dispchar(1,0,I,=);dispchar(1,1,sum1/100+0,.);dispchar(1,2,sum1/10%10+0,sum1%10+0);dispchar(1,3,A, );delay(40000);Y=(10000*(UAR*UAR+UAI*UAI)/2;sum=(int)(Y); X=pow(sum,0.5);X=X/0.8; sum=(int)(X); dispchar(0,4,U,=);dispchar(0,5,sum/100+0,.);d

51、ispchar(0,6,sum/10%10+0,sum%10+0);dispchar(0,7, ,V);delay(40000);yougong1=(sum*sum1)/100;yougong2=yougong1*cos(pi*JD/180);yougong=(int)(yougong2);dispchar(0,0,P,=);dispchar(0,1,yougong/100+0,.);dispchar(0,2,yougong/10%10+0,yougong%10+0);dispchar(0,3,w, ); delay(40000);wugong1=(sum*sum1)/100;wugong2=

52、wugong1*sin(pi*JD/180);wugong=(int)(wugong2);dispchar(2,0,Q,=);dispchar(2,1,wugong/100+0,.);dispchar(2,2,wugong/10%10+0,wugong%10+0);dispchar(2,3,v,a);dispchar(2,4,r, ); delay(40000);if(wugong=20) IDA0=0XEA; cos_1=cos(pi*JD/180);cos_1=cos_1*100; sum=(int)(cos_1);dispchar(3,0,c,o);dispchar(3,1,s,=);d

53、ispchar(3,2,0,.);dispchar(3,3,sum/10%10+0,sum%10+0); delay(40000); void time_int()interrupt 1 TR0=0;TH0=th0;TL0=tl0;sw=0;UAcounter=AD_change(0);IAcounter=AD_change(1);counter+;sw=1;TR0=1;附录5 定时器中断子程序Void time_int() interrupt 1 TR0=0; TH0=th0; TL0=tl0; sw=0; UAcounter=AD_change(0);IAcounter=AD_change(1); counter+; sw=1; TR0=1; 其中sw表示单片机的P