作者： 发布日期：2016-03-10 21:53 信息来源：http://www.lp1995.com
0 引言
多单片机直流电源控制板包括a／d采集与转换、测量、显示、同步、自动相序判定、移相触发、过流／过压保护、缺相检测等部分，与整流变压器，蓄电池，仪表等部件一起构成成套装置。装置有充电、稳流、稳压等工作方式，可供发电厂，变电站，医院，工厂等部门用作控制，操作或照明的直流电源。多单片机电源控制系统硬件电路简单清晰，数字触发脉冲精度高，系统调节速度快、性能指标和可靠性高。
1 系统结构
1．1 整流变压器及主电路
整流变压器及主电路的电路如图1所示。多单片机直流电源控制系统的变流主电路是三相桥式全控整流电路，整流变压器一次侧控制保护器件有继电器、控制开关、熔断器、电源指示灯等，一次侧接380 v交流电源。变压器二次侧作为三相桥式全控整流电路供电电源，主电路中有六个晶闸管，该电路中晶闸管的触发脉冲电路必须满足以下条件：
(1)触发脉冲必须与主回路电源同步并有一定的移相范围；
(2)触发脉冲应有一定的宽度，以保证被触发的晶闸管可靠导通；
(3)触发脉冲的前沿应尽量陡并具有足够的功率。
直流电源控制板由四片51系列单片机组成，分别为gms97c52，gms97c51和两片at89c2051。gms97系列单片机由韩国lg公司生产，与tnt-elmcs-51系列单片机兼容，且具有低功耗、价格便宜、otp(one time programmable)等特点。电源控制板硬件框图如图2所示。
四块单片机功能简介如下：
(1)u18(at89c2051)用于接收交流电压，形成矩形同步脉冲，送u20转发移相脉冲；同时用于判别相序、检测断线功能。
(2)u20(gms97c52)用于a／d采集测量，将采集到的测量值进行数字滤波后与整定值比较，根据偏差值修改控制量，从而达到调整电流电压的目的。同时将人机联系的输入值、修改电压、电流的整定值存储于e2prom，显示参数和故障信息。
(3)u19(gms97c51)是供远控或成组用，接收远方控制信息并传输给u20(gms97c52)，同时处理由u20输入的报警信息。
(4)u23(at89c2051)，接收移相脉冲，调整其宽度，输出双窄脉冲触发晶闸管。
2 硬件设计
2．1 同步脉冲形成电路
在三相桥式全控整流电路中，控制角是对应的线电压过零点，从全控桥整流电路4#，6#，2#晶闸管的k端子分别取得abc三相相电压接入电路k2-c，k6-b，k4-a端子，如图3所示。该电路将两相电压接入光电耦合器u32，u32的4脚输出信号的负跳变时刻即为各相晶闸管能触发导通的最早时刻，即在此时刻，配合中断，从而实现同步。另外，因为三相电源相位互差120°，可以分析出，无论电源进线接入的顺序如何，相序关系只有正序和负序两种，在软件中可对其进一步判别并对应发出正确的六路触发脉冲信号。
图4电路中rv6，rv12，c+12起分流作用，能提高触发电路的抗干扰能力，u6为输出级功放晶体管，对来自单片机的触发脉冲进行功率放大，t8是脉冲变压器，l7指示晶闸管工作情况，cf6和rl7能提高晶闸管抗干扰能力，降低门极输入阻抗。
2．3 电流电压采样电路
在图5电路中，模／数转换器选用的是ti公司12位逐次逼近式芯片tlc2543，其带有采样保持，串行三态输出等功能，在仪器仪表中有较为广泛的应用。电流采样电路应用了真有效值转换芯片ad736，简化了软件设计。主电路输出的电流电压信号经a／d转换后送入单片机u20，单片机再根据偏差值修改控制量以及实现过压过流保护、故障判断等功能。
2．4 看门狗电路
控制板上设置了带有看门狗定时器的up监控电路，即采用了max813l芯片，如图6所示。监控电路工作时，若在1．6 s内未检测到其工作，它将持续发复位信号，直到程序恢复正常。
3．1 同步配合的实现
首先根据三相同步电压信号向单片机提供中断信号，在单片机响应中断以后，根据三相全控桥整流电路对触发脉冲的要求来出触发脉冲。每当到a，b相的换相点时，如图3(a)所示，a相与b相之间的相电压比较会产生一下降沿信号给u18单片机的外部中断1引脚(int1)，通过中断服务事件产生一个同步脉冲，同步脉冲送u20(at89c52)，波形图如图7所示。
3．2 触发脉冲移相及脉宽控制
该系统是通过改变单片机片内定时／计数器的计数值达到改变触发角，从而改变直流电压和直流电流的大小。
u18单片机产生的同步脉冲送到u20单片机，u20单片机通过将测量值与整定值进行比较，比例调节，使得测量值等于整定值，同时产生移相脉冲给u23的外部中断1(int1)，响应外部中断1后，p1口就开始输出第一个编码脉冲，同时定时，对应每60°发一个编码脉冲，一直到最后一个编码脉冲发送完成，再返回等待外部中断1(int1)的下一中断请求，即上层机发送移相同步脉冲给u23单片机。脉冲编码中采用双脉冲编码，实现双脉冲触发。在此过程中，t0作计数器用，计数满n次则发触发脉冲。n的计算方法如下：
已知：电源频率f=50 hz，晶振频率f=8 mhz，定时为60°，则：
根据n值以及定时／计数器的工作模式，可以计算出定时／计数器的初值。
3．3 比例控制调节程序
为使输出电压／电流值和整定值吻合，在软件控制中，使控制量正比于整定值与测量值之间的偏差，从而使实际输出值不断跟随整定值，最终达到一致。另外，在该子程序中，系统启动后，在5 s之内，调节子程序只允许控制量以一个单位为步长，步进增加，这样可以防
止电压上升过快，从而实现软启动。
控制量正比于测量值与整定值的偏差，理论上采用pid算法，调节用离散差分方程表达式如下：
式中：en，en-1，en-2分别为第n次，n-1次和，n-2次电压的偏差值；kp，ti，td分别为比例系数、积分系数和微分系数，t为采用周期。
4 结语
该直流电源控制板在设计中具有以下几大突出特点：
(1)采用中断功能：四片51系列单片机，每片有4个中断源，如同步、移相、相序判别及缺相等信号的传递均利用中断功能，从而明显提高了系统响应速度和可靠性。
(2)a／d的分辨率为12位，定时器的最小计数间隔为1．5μs，小扰动时电压电流精度可达5‰。
(3)具有电源相序自动识别、缺相自动检测、故障报警及状态显示等功能。
(4)多单片机控制设计，使单片机功能单一，提高了调节速度及系统性能的可靠性。
