多單片機(jī)直流電源控制板設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種以單片機(jī)控制晶閘管觸發(fā)脈沖為核心的直流電源控制板系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了晶閘管觸發(fā)脈沖信號(hào)的同步產(chǎn)生、移相、驅(qū)動(dòng)以及系統(tǒng)過壓／過流保護(hù)等功能。用戶可通過鍵盤來設(shè)置直流電源的輸出，八段數(shù)碼管顯示實(shí)際輸出電壓／電流值；在硬件與軟件的配合設(shè)計(jì)下，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能化三相交流電的相序判斷、同步脈沖形成、斷線檢測、脈沖編碼計(jì)算、輸出數(shù)據(jù)采樣、軟啟動(dòng)控制及比例控制等功能。
關(guān)鍵詞：晶閘管；觸發(fā)脈沖；單片機(jī)控制；直流電源

0 引言
    多單片機(jī)直流電源控制板包括A／D采集與轉(zhuǎn)換、測量、顯示、同步、自動(dòng)相序判定、移相觸發(fā)、過流／過壓保護(hù)、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(jī)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(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)脈沖電路必須滿足以下條件：
    (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LG公司生產(chǎn)，與Tnt-elMCS-51系列單片機(jī)兼容，且具有低功耗、價(jià)格便宜、OTP(One Time Programmable)等特點(diǎn)。電源控制板硬件框圖如圖2所示。

    四塊單片機(jī)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U20轉(zhuǎn)發(fā)移相脈沖；同時(shí)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(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E2PROM，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(AT89C2051)，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U32，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，RV12，C+12起分流作用，能提高觸發(fā)電路的抗干擾能力，U6為輸出級(jí)功放晶體管，對(duì)來自單片機(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，降低門極輸入阻抗。
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TI公司12位逐次逼近式芯片TLC2543，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)過壓過流保護(hù)、故障判斷等功能。

2．4 看門狗電路
    控制板上設(shè)置了帶有看門狗定時(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)
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U18單片機(jī)的外部中斷1引腳(INT1)，通過中斷服務(wù)事件產(chǎn)生一個(gè)同步脈沖，同步脈沖送U20(AT89C52)，波形圖如圖7所示。

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(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U20單片機(jī)，U20單片機(jī)通過將測量值與整定值進(jìn)行比較，比例調(diào)節(jié)，使得測量值等于整定值，同時(shí)產(chǎn)生移相脈沖給U23的外部中斷1(INT1)，響應(yīng)外部中斷1后，P1口就開始輸出第一個(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)。在此過程中，T0作計(jì)數(shù)器用，計(jì)數(shù)滿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，步進(jìn)增加，這樣可以防
止電壓上升過快，從而實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。
    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(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；KP，TI，TD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(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1．5μs，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、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。