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摘 要：介紹了一種以單片機控制晶閘管觸發脈沖為核心的直流電源控制板系統，該系統實現了晶閘管觸發脈沖信號的同步產生、移相、驅動以及系統過壓/ 過流保護等功能。用戶可通過鍵盤來設置直流電源的輸出，八段數碼管顯示實際輸出電壓/ 電流值; 在硬件與軟件的配合設計下，該系統實現了智能化三相交流電的相序判斷、同步脈沖形成、斷線檢測、脈沖編碼計算、輸出數據采樣、軟啟動控制及比例控制等功能。 0 引 言 多單片機直流電源控制板包括A/ D 采集與轉換、測量、顯示、同步、自動相序判定、移相觸發、過流/ 過壓保護、缺相檢測等部分，與整流變壓器，蓄電池，儀表等部件一起構成成套裝置。裝置有充電、穩流、穩壓等工作方式，可供發電廠，變電站，醫院，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硬件電路簡單清晰，數字觸發脈沖精度高，系統調節速度快、性能指標和可靠性高。 1 系統結構 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，一次側接380 V 交流電源。變壓器二次側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) 觸發脈沖必須與主回路電源同步并有一定的移相范圍;( 2) 觸發脈沖應有一定的寬度，以保證被觸發的晶閘管可靠導通;( 3) 觸發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，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轉發移相脈沖; 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字濾波后與整定值比較，根據偏差值修改控制量，從而達到調整電流電壓的目的。同時將人機聯系的輸入值、修改電壓、電流的整定值存儲于E2 PROM，顯示參數和故障信息。 ( 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，調整其寬度，輸出雙窄脈沖觸發晶閘管。 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導通的最早時刻，即在此時刻，配合中斷,從而實現同步。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出正確的六路觸發脈沖信號。 2. 2 驅動電路 圖4 電路中RV6 ，R V12 ，C+ 12 起分流作用，能提高觸發電路的抗干擾能力，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電路 在圖5 電路中，模/ 數轉換器選用的是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換芯片AD736，簡化了軟件設計。主電路輸出的電流電壓信號經A/ D 轉換后送入單片機U20 ，單片機再根據偏差值修改控制量以及實現過壓過流保護、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 監控電路，即采用了MAX813L 芯片，如圖6 所示。監控電路工作時，若在1. 6 s 內未檢測到其工作，它將持續發復位信號，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 首先根據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，根據三相全控橋整流電路對觸發脈沖的要求來出觸發脈沖。每當到a，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 觸發脈沖移相及脈寬控制 該系統是通過改變單片機片內定時/ 計數器的計數值達到改變觸發角，從而改變直流電壓和直流電流的大小。 U18單片機產生的同步脈沖送到U 20單片機，U20 單片機通過將測量值與整定值進行比較，比例調節，使得測量值等于整定值，同時產生移相脈沖給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°發一個編碼脈沖，一直到最后一個編碼脈沖發送完成，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,實現雙脈沖觸發。在此過程中，T0 作計數器用，計數滿N 次則發觸發脈沖。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N 值以及定時/ 計數器的工作模式，可以計算出定時/ 計數器的初值。 3. 3 比例控制調節程序 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，系統啟動后，在5 s 之內，調節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，調節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、積分系數和微分系數，T 為采用周期。 4 結 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，提高了調節速度及系統性能的可靠性。 |
