晶闸管整流器微机控制系统的研究与开发

摘要

现代电力电子整流技术广泛应用于电力、化工、冶金、钢铁等国民经济的重要领域，基于晶闸管的相控整流技术是其中发展最完善、应用最广泛的一类。触发控制系统是相控整流电路稳定可靠运行的关键。鉴于相控整流电路受控对象的广泛性、多样性和复杂性，设计出性能优良、通用性强的触发控制系统便成为科研和工程领域广泛关注和研究的焦点。
　　 由于微机控制技术和微电子制造技术的飞速发展，以单片机为代表的微控制芯片以其低廉的价格和可靠的性能，已成为微机控制技术在控制工程应用领域的主力军。本文以工业级MPC89系列单片机为核心，将数字触发器与数字控制器结合起来，研制出一种由微机控制的集脉冲触发和控制于一体的晶闸管整流触发控制系统，通过试验表明，由该系统所产生的触发脉冲实时性好、控制精度高，可以实现对相控整流电路长期稳定可靠触发，并能够完成对输出直流电压(电流)的精确调节。本文对该研究开发工作进行了系统的总结，主要内容如下:
　　 首先，本文对晶闸管整流系统的受控对象进行了详细的特性分析，建立了相应的数学模型，而后对整流系统硬件结构进行了设计。硬件结构包括晶闸管整流系统的主回路和控制回路，主回路包括供电电源、晶闸管整流电路;控制回路包括电源与同步信号采集模块、反馈与给定信号采样模块、参数设置与数据存储模块、脉冲移相触发与输出模块、数字电压与电流调节模块及其他辅助功能模块等。
　　 其次，在Keil编译平台上对晶闸管整流器微机控制系统的软件程序进行了详细设计。软件系统包括相序检测与移相触发子程序、信号采样与处理子程序、调节与控制子程序、状态检测与指示子程序、调试与参数整定子程序等子程序。通过测试验证了所设计各部分子程序及整体程序的正确性。
　　 再次，对晶闸管整流器微机控制系统进行了调试，给出了相应的测试波形和数据，对系统调试过程中所出现的问题以及解决办法进行了总结，并完成了该装置的总体测试，测试结果表明该脉冲触发控制装置的触发可靠性高，满足整流电路的控制精度要求，并具备相序自适应功能和故障指示与保护功能。
　　 最后，作为装置升级的备选方案，针对整流系统控制性能要求，设计了基于模糊PID的智能控制算法和基于偏差分离的反馈线性化控制算法，继而分别进行了控制器的仿真实验。由仿真得到的结果验证了上述两种控制策略的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 晶闸管整流装置及其控制系统的基本原理

1．2．1 晶闸管整流电路的基本原理

1．2．2 触发控制系统基本原理

1．3 国内外研究现状与发展

1．4 本文主要的研究内容和创新点

第2章 晶闸管整流系统特性分析及其控制电路设计

2．1 晶闸管整流系统的基本结构

2．1 晶闸管整流系统的特性分析与建模

2．1．1 晶闸管整流电路特性分析与建模

2．1．2 滤波电路与典型负荷的特性分析与建模

2．3 晶闸管整流系统的控制电路设计

2．3．1 工作电源模块

2．3．2 同步检测与相序检测模块

2．3．3 模拟信号采样模块

2．3．4 数据存储与看门狗模块

2．3．5 脉冲产生与输出模块

2．3．6 数字电压与电流调节模块

2．3．7 其他辅助功能模块

2．4 本章小结

第3章 晶闸管整流微机控制系统的软件开发

3．1 主程序设计概述

3．2 脉冲移相与触发

3．2．1 相序检测信号时序分析

3．2．2 触发脉冲信号时序分析

3．2．3 脉冲移相触发程序设计

3．3 信号采样与处理

3．3．1 TLC1543编程时序

3．3．2 信号采样与处理程序设计

3．4 控制与调节算法

3．4．1 控制时间及采样时间的确定

3．4．2 控制调节程序设计

3．5 检测指示与参数整定

3．5．1 X5045编程读写

3．5．2 检测指示与参数整定程序设计

3．6 本章小结

第4章 触发控制系统研发过程中常见问题及分析处理

4．1 晶闸管触发控制系统的调试方案

4．1．1 触发控制系统的实验室调试方案

4．1．2 晶闸管整流柜的现场整机调试方案

4．2 研发过程中出现的问题及解决方案

4．2．1 高频脉冲列触发问题

4．2．2 移相触发角的计算及触发误差的处理问题

4．2．3 脉冲抖动及整流输出电压振荡问题

4．2．4 整流变压器移相与同步设定问题

4．3 测试结果及分析

4．4 本章小结

第5章 晶闸管整流微机控制系统的算法研究

5．1 模糊PID算法

5．1．1 模糊控制的基本概念

5．1．2 模糊控制算法的设计步骤

5．1．3 基于模糊PID算法的控制器设计与仿真

5．2 基于偏差分离的反馈线性化控制算法

5．2．1 状态反馈线性化的基本概念

5．2．2 基于偏差分离的反馈线性化控制原理

5．2．3 基于可控硅整流的静态励磁系统模型

5．2．4 静态励磁系统反馈线性化控制器设计与仿真

5．3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文及主要成果