0 引 言
多單片機" title="單片機">單片機直流電源" title="直流電源">直流電源控制板" title="控制板">控制板包括A/ D 采集與轉(zhuǎn)換,、測量,、顯示、同步,、自動相序判定,、移相觸發(fā)、過流/ 過壓保護,、缺相檢測等部分,,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,,工廠等部門用作控制,操作或照明的直流電源,。多單片機電源控制系統(tǒng)硬件電路簡單清晰,,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)控制保護器件有繼電器,、控制開關、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,主電路中有六個晶閘管,,該電路中晶閘管的觸發(fā)脈沖電路必須滿足以下條件:
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)脈沖應有一定的寬度,以保證被觸發(fā)的晶閘管可靠導通;( 3) 觸發(fā)脈沖的前沿應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 系列單片機組成,,分別為GMS97C52,GMS97C51 和兩片AT89C2051,。
GMS97 系列單片機由韓國LG 公司生產(chǎn),,與TntelMCS 51 系列單片機兼容,且具有低功耗,、價格便宜,、OT P( One Time Pro grammable) 等特點。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
四塊單片機功能簡介如下:
( 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; 同時用于判別相序、檢測斷線功能,。
?。?2) U20 ( GMS97C52) 用于A/ D 采集測量,將采集到的測量值進行數(shù)字濾波后與整定值比較,,根據(jù)偏差值修改控制量,,從而達到調(diào)整電流電壓的目的。同時將人機聯(lián)系的輸入值,、修改電壓,、電流的整定值存儲于E2 PROM,顯示參數(shù)和故障信息,。
?。?3) U19 ( GMS97C51) 是供遠控或成組用,接收遠方控制信息并傳輸給U20 ( GMS97C52) ,,同時處理由U20輸入的報警信息,。
( 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。
0 引 言
多單片機直流電源控制板包括A/ D 采集與轉(zhuǎn)換,、測量,、顯示、同步,、自動相序判定,、移相觸發(fā)、過流/ 過壓保護,、缺相檢測等部分,,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,,工廠等部門用作控制,操作或照明的直流電源,。多單片機電源控制系統(tǒng)硬件電路簡單清晰,,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)控制保護器件有繼電器,、控制開關、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,,主電路中有六個晶閘管,,該電路中晶閘管的觸發(fā)脈沖電路必須滿足以下條件:
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)脈沖應有一定的寬度,,以保證被觸發(fā)的晶閘管可靠導通;( 3) 觸發(fā)脈沖的前沿應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 系列單片機組成,分別為GMS97C52,,GMS97C51 和兩片AT89C2051,。
GMS97 系列單片機由韓國LG 公司生產(chǎn),,與TntelMCS 51 系列單片機兼容,且具有低功耗,、價格便宜,、OT P( One Time Pro grammable) 等特點。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
四塊單片機功能簡介如下:
?。?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; 同時用于判別相序,、檢測斷線功能。
?。?2) U20 ( GMS97C52) 用于A/ D 采集測量,,將采集到的測量值進行數(shù)字濾波后與整定值比較,根據(jù)偏差值修改控制量,,從而達到調(diào)整電流電壓的目的,。同時將人機聯(lián)系的輸入值、修改電壓,、電流的整定值存儲于E2 PROM,,顯示參數(shù)和故障信息。
?。?3) U19 ( GMS97C51) 是供遠控或成組用,,接收遠方控制信息并傳輸給U20 ( GMS97C52) ,同時處理由U20輸入的報警信息,。
( 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 硬件設計
2. 1 同步脈沖形成電路
在三相橋式全控整流電路中,,控制角是對應的線電壓過零點,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 腳輸出信號的負跳變時刻即為各相晶閘管能觸發(fā)導通的最早時刻,,即在此時刻,配合中斷,從而實現(xiàn)同步,。另外,,因為三相電源相位互差120 ,可以分析出,,無論電源進線接入的順序如何,,相序關系只有正序和負序兩種,在軟件中可對其進一步判別并對應發(fā)出正確的六路觸發(fā)脈沖信號,。
2. 2 驅(qū)動電路
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 為輸出級功放晶體管,對來自單片機的觸發(fā)脈沖進行功率放大,,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用,。電流采樣電路應用了真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD736,,簡化了軟件設計。主電路輸出的電流電壓信號經(jīng)A/ D 轉(zhuǎn)換后送入單片機U20 ,,單片機再根據(jù)偏差值修改控制量以及實現(xiàn)過壓過流保護,、故障判斷等功能。
圖5 電流電壓采樣電路
2. 4 看門狗電路
控制板上設置了帶有看門狗定時器的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,,若在1. 6 s 內(nèi)未檢測到其工作,,它將持續(xù)發(fā)復位信號,直到程序恢復正常,。
3 軟件設計
圖6 看門狗電路
3. 1 同步配合的實現(xiàn)
首先根據(jù)三相同步電壓信號向單片機提供中斷信號,,在單片機響應中斷以后,根據(jù)三相全控橋整流電路對觸發(fā)脈沖的要求來出觸發(fā)脈沖,。每當?shù)絘,,b 相的換相點時,,如圖3( a) 所示,a 相與b 相之間的相電壓比較會產(chǎn)生一下降沿信號給U 18 單片機的外部中斷1 引腳( INT1) ,,通過中斷服務事件產(chǎn)生一個同步脈沖,,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)是通過改變單片機片內(nèi)定時/ 計數(shù)器的計數(shù)值達到改變觸發(fā)角,,從而改變直流電壓和直流電流的大小。
U18單片機產(chǎn)生的同步脈沖送到U 20單片機,,U20 單片機通過將測量值與整定值進行比較,,比例調(diào)節(jié),使得測量值等于整定值,,同時產(chǎn)生移相脈沖給U 23的外部中斷1( INT1) ,,響應外部中斷1 后,P1 口就開始輸出第一個編碼脈沖,,同時定時,,對應每60°發(fā)一個編碼脈沖,一直到最后一個編碼脈沖發(fā)送完成,,再返回等待外部中斷1( INT1) 的下一中斷請求,,即上層機發(fā)送移相同步脈沖給U23單片機。脈沖編碼中采用雙脈沖編碼,,實現(xiàn)雙脈沖觸發(fā),。在此過程中,T0 作計數(shù)器用,,計數(shù)滿N 次則發(fā)觸發(fā)脈沖,。N 的計算方法如下:
已知: 電源頻率f = 50 Hz,晶振頻率F = 8 MHz,,定時為60°,,則:
根據(jù)N 值以及定時/ 計數(shù)器的工作模式,可以計算出定時/ 計數(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量值之間的偏差,,從而使實際輸出值不斷跟隨整定值,最終達到一致,。另外,,在該子程序中,系統(tǒng)啟動后,,在5 s 之內(nèi),,調(diào)節(jié)子程序只允許控制量以一個單位為步長,,步進增加,這樣可以防止電壓上升過快,,從而實現(xiàn)軟啟動,。
控制量正比于測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
該直流電源控制板在設計中具有以下幾大突出特點:
?。?1) 采用中斷功能: 四片51 系列單片機,,每片有4 個中斷源,如同步,、移相,、相序判別及缺相等信號的傳遞均利用中斷功能,從而明顯提高了系統(tǒng)響應速度和可靠性,。
?。?2) A/ D 的分辨率為12 位,定時器的最小計數(shù)間隔為1. 5 s,,小擾動時電壓電流精度可達5 ,? 。
?。?3) 具有電源相序自動識別,、缺相自動檢測、故障報警及狀態(tài)顯示等功能,。
?。?4) 多單片機控制設計,使單片機功能單一,,提高了調(diào)節(jié)速度及系統(tǒng)性能的可靠性,。