單片機直流電源控制板

     多單片機直流電源控制板設計
作者：徐春燕, 戴明鑫, 章虎
來源：《現(xiàn)代電子技術》2011年第01期

        摘 要：介紹了一種以單片機控制晶閘管觸發(fā)脈沖為核心的直流電源控制板系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了晶閘管觸發(fā)脈沖信號的同步產(chǎn)生、移相、驅動以及系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)實現(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、脈沖編碼計算、輸出數(shù)據(jù)采樣、軟啟動控制及比例控制等功能。

        關鍵詞：晶閘管; 觸發(fā)脈沖; 單片機控制; 直流電源

        中圖分類號：TN86-34文獻標識碼：A

        文章編號：1004-373X(2011)01-0157-03

        DC Power Supply Control System of Multi MCU

        XU Chun-yan1, DAI Ming-xin2, ZHANG Hu1

        (1.Department of Automation, Wuchang Branch, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430064,China;

        2.College of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,China)

        Abstract： A DC power supply control system is introduced, which takes the MCU-controlled thyristor trigger pulse as its core and realizes the synchronous trigger pulse signal, phase shift signal, drive signal and over-voltage/over-current protection. DC power supply output voltage and output current are adjusted through the keyboard controller, and the actual value is displayed by LED. The control segment realized determination of the phase sequence of the three-phase AC power supply, synchronization ofpulseformation, detection of open circuit, calculation of pulse code, sampling data, soft-start, proportional control，and so on.

        Keywords： thyristor; trigger pulse; MCU control; DC power supply

        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(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(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(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、OTP(One Time Programmable)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U20轉發(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E2PROM，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(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K2-c,K6-b,K4-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 驅動電路

        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，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，T8是脈沖變壓器，L7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(jīng)A/D轉換后送入單片機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。

        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

        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)?/span>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(chǎn)生一下降沿信號給U18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U20(AT89C52)，波形圖如圖7所示。

        圖5 電流電壓采樣電路

        圖6 看門狗電路

        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。

        圖7 同步脈沖波形圖

        U18單片機產(chǎn)生的同步脈沖送到U20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U23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，T0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：

        N=1/f×1/61/F×12=F72f

        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：

        ΔU=KP［(en－en－1)+(T/TI)en+

        (TD/T)(en－2*en－1+en－2)］

        式中:en,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 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 μs，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。

        參 考 文 獻

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