基于微控制器的晶閘管整流裝置數字控制器的設計

0 引 言

　　冶金、化工、電力行業(yè)中廣泛采用了晶閘管可控整流裝置。在這些裝置中通過(guò)控制晶閘管的導通角來(lái)改變電壓或電流，并實(shí)現穩流控制。這類(lèi)裝置大多采用模擬裝置來(lái)實(shí)現觸發(fā)和穩流，其硬件電路復雜，調試困難，不適應現代迅速發(fā)展并大量采用的集散型控制系統（簡(jiǎn)稱(chēng)DCS）的需要。我國現有的數字觸發(fā)裝置大多采用51系列單片機構成，由于受51系列單片機的運行速度和性能的限制，無(wú)法將三相同步信號都檢測出來(lái)，運算速度也不夠快，因此，控制精度和實(shí)時(shí)性均不理想，同內還沒(méi)有性能很可靠的產(chǎn)品。本文介紹的數字觸發(fā)裝置采用先進(jìn)的微控制器80C196KC構成。80C196KC運行速度快（比51系列產(chǎn)品快近十倍），而且它的一些功能對于構成數字觸發(fā)裝置非常實(shí)用。第一，它擁有的六個(gè)高速輸出口剛好用來(lái)發(fā)生整流裝置所需要的六相觸發(fā)脈沖,電流反饋、PID控制及觸發(fā)脈沖的移相由軟件來(lái)實(shí)現，不需要其他移相電路，從而大大簡(jiǎn)化了硬件電路；第二，它的兩個(gè)高速口，可以將三相同步信號都檢測出來(lái)。而已有的基于51系列單片機的數字觸發(fā)裝置只采用了單相或兩相同步，其它相是依靠推算來(lái)確定同步信號到來(lái)的時(shí)間，所以控制精度和控制的實(shí)時(shí)性都不夠理想?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/80C196KC">80C196KC微控制器的系統克服了已有系統的不足，大大改善了系統的整體性能。

1 系統結構

　　80C196KC單片微控制器控制的晶閘管可控整流系統框圖如圖1所示。圖中虛線(xiàn)框內為單片機所完成的工作。




　　(1) CPU主電路

　　由80C196KC為主組成的CPU電路包括程序存儲器（EPROM）電路數據存儲器（RAM）電路、總線(xiàn)及讀寫(xiě)控制電路以及CPU的時(shí)鐘電路、復位電路等，在此不再詳述。

　　(2) 同步信號電路

　　80C196KC的四個(gè)高速輸入／高速輸出復用口中的兩個(gè)用作輸出口后，就只剩下兩個(gè)高速輸入口可用來(lái)作同步信號檢測。也就是說(shuō)，用高速輸入口只能檢測到兩相同步信號。利用80C196KC的新功能，可以檢測剩下的一相同步信號。80C196KC的計時(shí)器T2可采用內部時(shí)鐘即與T1為同一時(shí)鐘，同時(shí)T2信號捕獲口可將信號的上升沿發(fā)生時(shí)間記錄下來(lái)。利用這項功能可將另一相同步信號檢測出來(lái)。
　　
　　同步信號的獲取是將Uab、Ubc、Uca三路線(xiàn)電壓經(jīng)過(guò)光電隔離、濾波整形，獲得三路同步脈沖。將其中兩路脈沖送到80C196KC的高速輸入口，高速輸入口將這兩路信號的正、負跳變的發(fā)生及發(fā)生時(shí)間記錄在HIS的FIFO隊列寄存器中。由于T2捕獲口只能捕獲信號的上升沿發(fā)生時(shí)間，所以另一路同步信號需同時(shí)兩個(gè)單穩觸發(fā)器處理，分別將信號的上升沿和下降沿都轉化為一個(gè)上跳變信號后送到T2信號捕獲口，該口將信號發(fā)生的時(shí)間記錄在T2CAPTURE寄存器中，經(jīng)CPU識別相序后，根據控制要求將相應的觸發(fā)脈沖的發(fā)生及發(fā)生時(shí)間寫(xiě)入高速輸出口的保持寄存器中，在觸發(fā)時(shí)間到來(lái)后，高速輸出口會(huì )自動(dòng)產(chǎn)生6路觸發(fā)脈沖，而無(wú)需CPU的干涉。

　　(3) A／D采樣電路

　　80C196KC有內嵌的10位A／D轉換器，但10位的A／D轉換器的精度只有千分之一,不能滿(mǎn)足該系統的要求。雖然可以通過(guò)外接一些高精度的電阻來(lái)完成12位的A／D轉換,但其可靠程度仍然不高。所以，本系統采用外接的12位A／D轉換器AD1674。在A(yíng)D1674與80C196連接時(shí)，其時(shí)序匹配問(wèn)題需要注意。當采用16MHz的時(shí)鐘源時(shí)，80C196KC的時(shí)鐘周期只有125ns，而AD1674的運行速度相對而言比較慢，其使能信號、片選信號及讀／轉換信號的有效寬度都在300ns以上，為了使它們的時(shí)序匹配，要將AD1674的片選信號與80C196的就緒控制端READY相連，并在80C196KC的芯片控制字CCR中寫(xiě)入等待周期,得CPU在對AD1674進(jìn)行操作時(shí)加上等待周期，從而兩者時(shí)序相匹配。在此系統中需要轉換的信號有給定和反饋電流，單片機通過(guò)控制一模擬開(kāi)關(guān)選擇需要轉換的多路信號中的一個(gè)。

　　(4) 鍵盤(pán)控制與顯示電路
　
　　為了進(jìn)行人機對話(huà)，實(shí)現系統的在線(xiàn)控制，并將電流反饋值實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，采用專(zhuān)用的8279接口芯片，配6位LED顯示器。需要改變一些設定值時(shí)，可以通過(guò)按鍵來(lái)實(shí)現。當CPU接受到有鍵按下的信息后，就轉出相應的處理程序。電流反饋值也在LED上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

　　(5) 隔離驅動(dòng)電路

　　從80C196KC的高速輸出口輸出的六相脈沖需要經(jīng)過(guò)隔離、放大后輸出才能驅動(dòng)晶閘管。在此不再詳述。

2 軟件技術(shù)

　　系統軟件由一個(gè)主程序和兩個(gè)中斷子程序組成。主程序框圖見(jiàn)圖2。
　　　　　　　　

　　(1) 數字觸發(fā)大多應用在大功率條件下，其工作電流達十萬(wàn)安培，因此，系統初始化后，為了減小啟動(dòng)電流對設備及電網(wǎng)的影響，應將工作電流從零逐步增加至給定電流（開(kāi)環(huán)狀態(tài)下）。系統啟動(dòng)的軟件模塊就是完成該工作。

　　(2) 開(kāi)HSI和T2捕獲中斷中斷后，系統允許處理HSI和T2捕獲中斷，得到所需要的同步信號的信息。要讓HSO的引腳上輸出要求的觸發(fā)脈沖，應在HSO－CAM中寫(xiě)入脈沖的上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間，該系統采用雙窄脈沖觸發(fā)，脈沖寬度為18度。HSO－CAM中可同時(shí)保存八個(gè)事件，每次同步信號到來(lái)時(shí)，只需向其中寫(xiě)入兩個(gè)事件，而每個(gè)同步信號相距約60度，觸發(fā)角度在0～120度，因此,在第四個(gè)同步信號到來(lái)之前,HSO－C AM中的事件最少已經(jīng)發(fā)生了兩個(gè)，因此，事件可以及時(shí)寫(xiě)入。在HIS中斷程序中，先將同步信號到來(lái)的狀態(tài)（正跳變還是負跳變）和時(shí)間讀出來(lái)，再向HSO－CAM中寫(xiě)入相應的事件；而在T2捕獲中斷程序中，還需先判斷相序?！?BR>
　　(3) 待機狀態(tài)是80C196系列產(chǎn)品的一種特殊的節電工作方式。在這種方式下，CPU停止工作，CPU時(shí)鐘被凍結在邏輯零狀態(tài)，但外設時(shí)鐘繼續工作。當中斷信號到來(lái)時(shí) ,CPU退出待機工作方式，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序的返回地址為鍵盤(pán)查詢(xún),之后進(jìn)入采樣程序模塊，這樣一來(lái)，就保證了在兩次同步信號之間進(jìn)行一次采樣和PID計算。

3 結 論

　　采用80C196KC構成的該系統由于其運算速度很快，采樣、PID運算及顯示全部程序可在兩次同步信號之間完成（本文所涉及的該段程序全部運行只需2．5ms左右），而且每個(gè)同步信號均被采集到了。因此，每次同步信號到來(lái)之后，在中斷程序中都可按最新的電流反饋數據改寫(xiě)觸發(fā)脈沖發(fā)生的時(shí)間，所以，該系統的控制精度和實(shí)時(shí)性幾乎可以與模擬系統相比。