一種基于單片機的燈光調光控制系統開(kāi)發(fā)

1 引言
調光器是機場(chǎng)助航燈光系統的核心控制設備。目前,國內外使用的調光器主要采用可控硅斬波技術(shù),這種調光器存在波形畸變大、電網(wǎng)要求高、對電網(wǎng)污染嚴重、效率低、負載適應能力差等缺點(diǎn)。針對以往系統存在的不足,提出了正弦波調光器,它采用逆變技術(shù),輸出標準正弦電壓,它的優(yōu)點(diǎn)是對負載適應能力強、對電網(wǎng)要求低、污染輕、效率高、輸出波形好等。正弦波調光器采用逆變技術(shù),輸出幅度可調的標準正弦電壓,通過(guò)控制算法實(shí)現對燈光回路的高精度恒流控制?！罢也?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/調光器">調光器”將極大地提高調光器的技術(shù)水平,改善調光器的性能,增強市場(chǎng)競爭能力。
2 控制系統硬件設計
2.1 系統總體設計
機場(chǎng)燈光調光器控制系統由電壓傳感器、電流傳感器、人機接口、存儲器接口、主回路等部分組成,示意框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖
系統以Intel 16位單片機為控制核心,利用電壓、電流傳感器采集變壓器二次側電壓和回路電流值。由于采集的信號為交流信號不能直接進(jìn)行數模轉換,經(jīng)有效值轉換電路得到它們的有效值直流信號,再經(jīng)低通濾波、信號放大后送入單片機內部10位A/D轉換器進(jìn)行A/D轉換,A/D轉換后的值經(jīng)過(guò)軟件濾波后,電壓值輸出顯示,電流值與光級設定值一同進(jìn)入控制算法,算法的輸出量參與到PWM信號產(chǎn)生機制中,最終調整輸出等效正弦脈寬調制信號(SPWM)。
2.2 硬件詳細設計
1、主回路設計。主回路由整流電路、逆變電路、濾波電路等組成,其框圖如圖2所示。

圖2 調光器主回路框圖
主回路中三相交流電壓經(jīng)全橋整流、濾波后得到直流電壓,將此電壓連接到IGBT(IPM)模塊兩端。單片機輸出的等效正弦脈寬調制信號(SPWM)經(jīng)過(guò)驅動(dòng)電路控制兩塊IGBT(IPM)對加在其兩端的直流電壓進(jìn)行逆變,輸出的信號經(jīng)過(guò)LC濾波電路后得到幅值可調的正弦電壓。逆變后的電壓經(jīng)過(guò)升壓變壓器直接送入燈泡回路,從而改變回路的電流值,最終達到設定值。通過(guò)按鍵可以任意切換光級,當光級改變時(shí)由程序算法控制使電流、電壓快速達到穩定值,完成光級的切換。同時(shí),通過(guò)控制板上的數碼管實(shí)時(shí)顯示出變壓器二次側電壓值和回路電流值,使系統的運行狀態(tài)一目了然。系統工作時(shí),可能由于某些情況產(chǎn)生了過(guò)壓、過(guò)流等情況,導致IPM產(chǎn)生報警信號,單片機采用中斷方式采集報警信號。
2、控制回路設計。核心控制模塊是整個(gè)控制系統中最重要的一部分,它完成控制的全過(guò)程。核心控制器選用的是Intel 16位單片機80C196MC, 80C196MC由一個(gè)C196核心,一個(gè)三相波形發(fā)生器WFG和若干個(gè)其它片內外設構成,其它外設裝置包括一個(gè)A/D轉換器、一個(gè)事件處理陣列(EPA)、兩個(gè)定時(shí)器和一個(gè)脈寬調制單元PWM。由于80C196MC內部的資源有限,需外擴EPROM、RAM,對于16位機實(shí)現外擴EPROM、RAM硬件連接起來(lái)比較麻煩,所以硬件設計時(shí)采用了可編程外圍芯片PSD。通過(guò)編程決定它內部RAM、EPROM的大小?？删幊掏鈬酒倪\用簡(jiǎn)化了電路的設計。系統設計采用的是PSD302/301。

圖3 二階低通濾波器 圖4 同相放大器
3、數據采集模塊。該模塊主要的功能是采集二次側電壓和回路電流,利用電流、電壓互感器采集信號進(jìn)入數據采集模塊中。由于采集的信號為交流信號不能直接進(jìn)行數模轉換,必須經(jīng)過(guò)有效值轉換電路得到它們的有效值直流信號,系統設計時(shí)采用了AD536芯片完成這一功能。此外,信號中必然含有許多干擾信號,它們將直接影響測量精度,所以電路設計中加入了濾波電路,消除干擾信號。轉換、濾波后的信號電壓值偏小,不利于數模轉換,所以電路中又加入了模擬信號的放大部分。
濾波部分采用的是有源濾波器中的無(wú)限增益多環(huán)反饋型濾波器即二階低通濾波器。有源濾波器由電阻、電容和運算放大器組成。其中運算放大器采用的是LM324。二階低通濾波器的示意圖如圖3所示。系統中采用的是增益可調反相放大器,經(jīng)過(guò)調節可得到所需范圍的電壓信號。如圖4所示。