以單片機(jī)控制晶閘管觸發(fā)脈沖為核心的多單片機(jī)直流電源控制板系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

多單片機(jī)直流電源控制板包括A/ D 采集與轉(zhuǎn)換、測(cè)量、顯示、同步、自動(dòng)相序判定、移相觸發(fā)、過(guò)流/ 過(guò)壓保護(hù)、缺相檢測(cè)等部分，與整流變壓器，蓄電池，儀表等部件一起構(gòu)成成套裝置。裝置有充電、穩(wěn)流、穩(wěn)壓等工作方式，可供發(fā)電廠，變電站，醫(yī)院，工廠等部門(mén)用作控制，操作或照明的直流電源。多單片機(jī)電源控制系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單清晰，數(shù)字觸發(fā)脈沖精度高，系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度快、性能指標(biāo)和可靠性高。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1. 1 整流變壓器及主電路

整流變壓器及主電路的電路如圖1 所示。多單片機(jī)直流電源控制系統(tǒng)的變流主電路是三相橋式全控整流電路，整流變壓器一次側(cè)控制保護(hù)器件有繼電器、控制開(kāi)關(guān)、熔斷器、電源指示燈等，一次側(cè)接380 V 交流電源。變壓器二次側(cè)作為三相橋式全控整流電路供電電源，主電路中有六個(gè)晶閘管，該電路中晶閘管的觸發(fā)脈沖電路必須滿(mǎn)足以下條件：

圖1 整流變壓器及主電路

（ 1） 觸發(fā)脈沖必須與主回路電源同步并有一定的移相范圍;（ 2） 觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，以保證被觸發(fā)的晶閘管可靠導(dǎo)通;（ 3） 觸發(fā)脈沖的前沿應(yīng)盡量陡并具有足夠的功率。

1. 2 電源控制板硬件框圖

直流電源控制板由四片51 系列單片機(jī)組成，分別為GMS97C52，GMS97C51 和兩片AT89C2051。

GMS97 系列單片機(jī)由韓國(guó)LG 公司生產(chǎn)，與TntelMCS 51 系列單片機(jī)兼容，且具有低功耗、價(jià)格便宜、OT P（ One Time Pro grammable） 等特點(diǎn)。電源控制板硬件框圖如圖2 所示。

圖2 電源控制板硬件框圖

四塊單片機(jī)功能簡(jiǎn)介如下：

（ 1） U18 （ （ AT89C2051） 用于接收交流電壓，形成矩形同步脈沖，送U 20轉(zhuǎn)發(fā)移相脈沖; 同時(shí)用于判別相序、檢測(cè)斷線功能。

（ 2） U20 （ GMS97C52） 用于A/ D 采集測(cè)量，將采集到的測(cè)量值進(jìn)行數(shù)字濾波后與整定值比較，根據(jù)偏差值修改控制量，從而達(dá)到調(diào)整電流電壓的目的。同時(shí)將人機(jī)聯(lián)系的輸入值、修改電壓、電流的整定值存儲(chǔ)于E2 PROM，顯示參數(shù)和故障信息。

（ 3） U19 （ GMS97C51） 是供遠(yuǎn)控或成組用，接收遠(yuǎn)方控制信息并傳輸給U20 （ GMS97C52） ，同時(shí)處理由U20輸入的報(bào)警信息。

（ 4） U23 （ A T89C2051） ，接收移相脈沖，調(diào)整其寬度，輸出雙窄脈沖觸發(fā)晶閘管。

2 硬件設(shè)計(jì)

2. 1 同步脈沖形成電路

在三相橋式全控整流電路中，控制角是對(duì)應(yīng)的線電壓過(guò)零點(diǎn)，從全控橋整流電路4# ，6# ，2 # 晶閘管的K 端子分別取得abc 三相相電壓接入電路K2 c，K6 b，K4 a端子，如圖3 所示。該電路將兩相電壓接入光電耦合器U 32 ，U32 的4 腳輸出信號(hào)的負(fù)跳變時(shí)刻即為各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻，即在此時(shí)刻，配合中斷，從而實(shí)現(xiàn)同步。另外，因?yàn)槿嚯娫聪辔换ゲ?20 ，可以分析出，無(wú)論電源進(jìn)線接入的順序如何，相序關(guān)系只有正序和負(fù)序兩種，在軟件中可對(duì)其進(jìn)一步判別并對(duì)應(yīng)發(fā)出正確的六路觸發(fā)脈沖信號(hào)。

2. 2 驅(qū)動(dòng)電路

圖4 電路中RV6 ，R V12 ，C+ 12 起分流作用，能提高觸發(fā)電路的抗干擾能力，U 6 為輸出級(jí)功放晶體管，對(duì)來(lái)自單片機(jī)的觸發(fā)脈沖進(jìn)行功率放大，T8 是脈沖變壓器，L7 指示晶閘管工作情況，CF6和RL7能提高晶閘管抗干擾能力，降低門(mén)極輸入阻抗。

圖3 同步脈沖形成電路原理圖

圖4 脈沖控制單元與觸發(fā)電路

2. 3 電流電壓采樣電路

在圖5 電路中，模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器選用的是T I 公司12 位逐次逼近式芯片T LC2543，其帶有采樣保持，串行三態(tài)輸出等功能，在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。電流采樣電路應(yīng)用了真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD736，簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)。主電路輸出的電流電壓信號(hào)經(jīng)A/ D 轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)U20 ，單片機(jī)再根據(jù)偏差值修改控制量以及實(shí)現(xiàn)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)、故障判斷等功能。

圖5 電流電壓采樣電路

2. 4 看門(mén)狗電路

控制板上設(shè)置了帶有看門(mén)狗定時(shí)器的up 監(jiān)控電路，即采用了MAX813L 芯片，如圖6 所示。監(jiān)控電路工作時(shí)，若在1. 6 s 內(nèi)未檢測(cè)到其工作，它將持續(xù)發(fā)復(fù)位信號(hào)，直到程序恢復(fù)正常。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖6 看門(mén)狗電路

3. 1 同步配合的實(shí)現(xiàn)

首先根據(jù)三相同步電壓信號(hào)向單片機(jī)提供中斷信號(hào)，在單片機(jī)響應(yīng)中斷以后，根據(jù)三相全控橋整流電路對(duì)觸發(fā)脈沖的要求來(lái)出觸發(fā)脈沖。每當(dāng)?shù)絘，b 相的換相點(diǎn)時(shí)，如圖3（ a） 所示，a 相與b 相之間的相電壓比較會(huì)產(chǎn)生一下降沿信號(hào)給U 18 單片機(jī)的外部中斷1 引腳（ INT1） ，通過(guò)中斷服務(wù)事件產(chǎn)生一個(gè)同步脈沖，同步脈沖送U 20 （ AT 89C52） ，波形圖如圖7 所示。

圖7 同步脈沖波形圖

3. 2 觸發(fā)脈沖移相及脈寬控制

該系統(tǒng)是通過(guò)改變單片機(jī)片內(nèi)定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到改變觸發(fā)角，從而改變直流電壓和直流電流的大小。

U18單片機(jī)產(chǎn)生的同步脈沖送到U 20單片機(jī)，U20 單片機(jī)通過(guò)將測(cè)量值與整定值進(jìn)行比較，比例調(diào)節(jié)，使得測(cè)量值等于整定值，同時(shí)產(chǎn)生移相脈沖給U 23的外部中斷1（ INT1） ，響應(yīng)外部中斷1 后，P1 口就開(kāi)始輸出第一個(gè)編碼脈沖，同時(shí)定時(shí)，對(duì)應(yīng)每60°發(fā)一個(gè)編碼脈沖，一直到最后一個(gè)編碼脈沖發(fā)送完成，再返回等待外部中斷1（ INT1） 的下一中斷請(qǐng)求，即上層機(jī)發(fā)送移相同步脈沖給U23單片機(jī)。脈沖編碼中采用雙脈沖編碼，實(shí)現(xiàn)雙脈沖觸發(fā)。在此過(guò)程中，T0 作計(jì)數(shù)器用，計(jì)數(shù)滿(mǎn)N 次則發(fā)觸發(fā)脈沖。N 的計(jì)算方法如下：

已知： 電源頻率f = 50 Hz，晶振頻率F = 8 MHz，定時(shí)為60°，則：

根據(jù)N 值以及定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的工作模式，可以計(jì)算出定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的初值。

3. 3 比例控制調(diào)節(jié)程序

為使輸出電壓/ 電流值和整定值吻合，在軟件控制中，使控制量正比于整定值與測(cè)量值之間的偏差，從而使實(shí)際輸出值不斷跟隨整定值，最終達(dá)到一致。另外，在該子程序中，系統(tǒng)啟動(dòng)后，在5 s 之內(nèi)，調(diào)節(jié)子程序只允許控制量以一個(gè)單位為步長(zhǎng)，步進(jìn)增加，這樣可以防止電壓上升過(guò)快，從而實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。

控制量正比于測(cè)量值與整定值的偏差，理論上采用PID 算法，調(diào)節(jié)用離散差分方程表達(dá)式如下：

式中： en ，en- 1 ，en- 2 分別為第n 次，n - 1 次和n - 2 次電壓的偏差值; K P ，T I ，T D 分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，T 為采用周期。

4 結(jié) 語(yǔ)

該直流電源控制板在設(shè)計(jì)中具有以下幾大突出特點(diǎn)：

（ 1） 采用中斷功能： 四片51 系列單片機(jī)，每片有4 個(gè)中斷源，如同步、移相、相序判別及缺相等信號(hào)的傳遞均利用中斷功能，從而明顯提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度和可靠性。

（ 2） A/ D 的分辨率為12 位，定時(shí)器的最小計(jì)數(shù)間隔為1. 5 s，小擾動(dòng)時(shí)電壓電流精度可達(dá)5 ？ 。

（ 3） 具有電源相序自動(dòng)識(shí)別、缺相自動(dòng)檢測(cè)、故障報(bào)警及狀態(tài)顯示等功能。

（ 4） 多單片機(jī)控制設(shè)計(jì)，使單片機(jī)功能單一，提高了調(diào)節(jié)速度及系統(tǒng)性能的可靠性。