多单片机直流电源控制板设计

　　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：

　　图1 整流变压器及主电路

　　（ 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。

　　1. 2 电源控制板硬件框图

　　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TntelMCS 51 系列单片机兼容，且具有低功耗、价格便宜、OT P（ One Time Pro grammable） 等特点。电源控制板硬件框图如图2 所示。

　　图2 电源控制板硬件框图

　　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U 20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E2 PROM，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 （ A T89C2051） ，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U 32 ，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。

　　2. 2 驱动电路

　　图4 电路中RV6 ，R V12 ，C+ 12 起分流作用，能提高触发电路的抗干扰能力，U 6 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。

　　图3 同步脉冲形成电路原理图

　　图4 脉冲控制单元与触发电路

　　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T I 公司12 位逐次逼近式芯片T LC2543，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。

　　图5 电流电压采样电路

　　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 软件设计

　　图6 看门狗电路

　　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U 18 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U 20 （ AT 89C52） ，波形图如图7 所示。

　　图7 同步脉冲波形图

　　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U 20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U 23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; K P ，T I ，T D 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. 5 s，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。