基于微控制器的晶闸管整流装置数字控制器的设计

0 引 言

　　冶金、化工、电力行业中广泛采用了晶闸管可控整流装置。在这些装置中通过控制晶闸管的导通角来改变电压或电流，并实现稳流控制。这类装置大多采用模拟装置来实现触发和稳流，其硬件电路复杂，调试困难，不适应现代迅速发展并大量采用的集散型控制系统（简称DCS）的需要。我国现有的数字触发装置大多采用51系列单片机构成，由于受51系列单片机的运行速度和性能的限制，无法将三相同步信号都检测出来，运算速度也不够快，因此，控制精度和实时性均不理想，同内还没有性能很可靠的产品。本文介绍的数字触发装置采用先进的微控制器80C196KC构成。80C196KC运行速度快（比51系列产品快近十倍），而且它的一些功能对于构成数字触发装置非常实用。第一，它拥有的六个高速输出口刚好用来发生整流装置所需要的六相触发脉冲,电流反馈、PID控制及触发脉冲的移相由软件来实现，不需要其他移相电路，从而大大简化了硬件电路；第二，它的两个高速口，可以将三相同步信号都检测出来。而已有的基于51系列单片机的数字触发装置只采用了单相或两相同步，其它相是依靠推算来确定同步信号到来的时间，所以控制精度和控制的实时性都不够理想。基于80C196KC微控制器的系统克服了已有系统的不足，大大改善了系统的整体性能。

1 系统结构

　　80C196KC单片微控制器控制的晶闸管可控整流系统框图如图1所示。图中虚线框内为单片机所完成的工作。




　　(1) CPU主电路

　　由80C196KC为主组成的CPU电路包括程序存储器（EPROM）电路数据存储器（RAM）电路、总线及读写控制电路以及CPU的时钟电路、复位电路等，在此不再详述。

　　(2) 同步信号电路

　　80C196KC的四个高速输入／高速输出复用口中的两个用作输出口后，就只剩下两个高速输入口可用来作同步信号检测。也就是说，用高速输入口只能检测到两相同步信号。利用80C196KC的新功能，可以检测剩下的一相同步信号。80C196KC的计时器T2可采用内部时钟即与T1为同一时钟，同时T2信号捕获口可将信号的上升沿发生时间记录下来。利用这项功能可将另一相同步信号检测出来。
　　
　　同步信号的获取是将Uab、Ubc、Uca三路线电压经过光电隔离、滤波整形，获得三路同步脉冲。将其中两路脉冲送到80C196KC的高速输入口，高速输入口将这两路信号的正、负跳变的发生及发生时间记录在HIS的FIFO队列寄存器中。由于T2捕获口只能捕获信号的上升沿发生时间，所以另一路同步信号需同时两个单稳触发器处理，分别将信号的上升沿和下降沿都转化为一个上跳变信号后送到T2信号捕获口，该口将信号发生的时间记录在T2CAPTURE寄存器中，经CPU识别相序后，根据控制要求将相应的触发脉冲的发生及发生时间写入高速输出口的保持寄存器中，在触发时间到来后，高速输出口会自动产生6路触发脉冲，而无需CPU的干涉。

　　(3) A／D采样电路

　　80C196KC有内嵌的10位A／D转换器，但10位的A／D转换器的精度只有千分之一,不能满足该系统的要求。虽然可以通过外接一些高精度的电阻来完成12位的A／D转换,但其可靠程度仍然不高。所以，本系统采用外接的12位A／D转换器AD1674。在AD1674与80C196连接时，其时序匹配问题需要注意。当采用16MHz的时钟源时，80C196KC的时钟周期只有125ns，而AD1674的运行速度相对而言比较慢，其使能信号、片选信号及读／转换信号的有效宽度都在300ns以上，为了使它们的时序匹配，要将AD1674的片选信号与80C196的就绪控制端READY相连，并在80C196KC的芯片控制字CCR中写入等待周期,得CPU在对AD1674进行操作时加上等待周期，从而两者时序相匹配。在此系统中需要转换的信号有给定和反馈电流，单片机通过控制一模拟开关选择需要转换的多路信号中的一个。

　　(4) 键盘控制与显示电路
　
　　为了进行人机对话，实现系统的在线控制，并将电流反馈值实时显示出来，采用专用的8279接口芯片，配6位LED显示器。需要改变一些设定值时，可以通过按键来实现。当CPU接受到有键按下的信息后，就转出相应的处理程序。电流反馈值也在LED上实时显示出来。

　　(5) 隔离驱动电路

　　从80C196KC的高速输出口输出的六相脉冲需要经过隔离、放大后输出才能驱动晶闸管。在此不再详述。

2 软件技术

　　系统软件由一个主程序和两个中断子程序组成。主程序框图见图2。
　　　　　　　　 

　　(1) 数字触发大多应用在大功率条件下，其工作电流达十万安培，因此，系统初始化后，为了减小启动电流对设备及电网的影响，应将工作电流从零逐步增加至给定电流（开环状态下）。系统启动的软件模块就是完成该工作。

　　(2) 开HSI和T2捕获中断中断后，系统允许处理HSI和T2捕获中断，得到所需要的同步信号的信息。要让HSO的引脚上输出要求的触发脉冲，应在HSO－CAM中写入脉冲的上升沿时间和下降沿时间，该系统采用双窄脉冲触发，脉冲宽度为18度。HSO－CAM中可同时保存八个事件，每次同步信号到来时，只需向其中写入两个事件，而每个同步信号相距约60度，触发角度在0～120度，因此,在第四个同步信号到来之前,HSO－C AM中的事件最少已经发生了两个，因此，事件可以及时写入。在HIS中断程序中，先将同步信号到来的状态（正跳变还是负跳变）和时间读出来，再向HSO－CAM中写入相应的事件；而在T2捕获中断程序中，还需先判断相序。　

　　(3) 待机状态是80C196系列产品的一种特殊的节电工作方式。在这种方式下，CPU停止工作，CPU时钟被冻结在逻辑零状态，但外设时钟继续工作。当中断信号到来时 ,CPU退出待机工作方式，进入中断服务程序。中断服务程序的返回地址为键盘查询,之后进入采样程序模块，这样一来，就保证了在两次同步信号之间进行一次采样和PID计算。

3 结 论

　　采用80C196KC构成的该系统由于其运算速度很快，采样、PID运算及显示全部程序可在两次同步信号之间完成（本文所涉及的该段程序全部运行只需2．5ms左右），而且每个同步信号均被采集到了。因此，每次同步信号到来之后，在中断程序中都可按最新的电流反馈数据改写触发脉冲发生的时间，所以，该系统的控制精度和实时性几乎可以与模拟系统相比。