基于80C196KC微控制器的晶閘管整流裝置數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)
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。在這些裝置中通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來改變電壓或電流,并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流控制。這類裝置大多采用模擬裝置來實(shí)現(xiàn)觸發(fā)和穩(wěn)流,其硬件電路復(fù)雜,調(diào)試?yán)щy,不適應(yīng)現(xiàn)代迅速發(fā)展并大量采用的集散型控制系統(tǒng)(簡稱DCS)的需要。我國現(xiàn)有的數(shù)字觸發(fā)裝置大多采用51系列單片機(jī)構(gòu)成,由于受51系列單片機(jī)的運(yùn)行速度和性能的限制,無法將三相同步信號都檢測出來,運(yùn)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(nèi)還沒有性能很可靠的產(chǎn)品。本文介紹的數(shù)字觸發(fā)裝置采用先進(jìn)的微控制器80C196KC構(gòu)成。80C196KC運(yùn)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(gòu)成數(shù)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實(shí)現(xiàn),不需要其他移相電路,從而大大簡化了硬件電路;第二,它的兩個(gè)高速口,可以將三相同步信號都檢測出來。而已有的基于51系列單片機(jī)的數(shù)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確定同步信號到來的時(shí)間,所以控制精度和控制的實(shí)時(shí)性都不夠理想。基于80C196KC微控制器的系統(tǒng)克服了已有系統(tǒng)的不足,大大改善了系統(tǒng)的整體性能。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
80C196KC單片微控制器控制的晶閘管可控整流系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖中虛線框內(nèi)為單片機(jī)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(shù)據(jù)存儲器(RAM)電路、總線及讀寫控制電路以及CPU的時(shí)鐘電路、復(fù)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(fù)用口中的兩個(gè)用作輸出口后,就只剩下兩個(gè)高速輸入口可用來作同步信號檢測。也就是說,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(jì)時(shí)器T2可采用內(nèi)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。利用這項(xiàng)功能可將另一相同步信號檢測出來。
同步信號的獲取是將Uab、Ubc、Uca三路線電壓經(jīng)過光電隔離、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(fù)跳變的發(fā)生及發(fā)生時(shí)間記錄在HIS的FIFO隊(duì)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(wěn)觸發(fā)器處理,分別將信號的上升沿和下降沿都轉(zhuǎn)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(jù)控制要求將相應(yīng)的觸發(fā)脈沖的發(fā)生及發(fā)生時(shí)間寫入高速輸出口的保持寄存器中,在觸發(fā)時(shí)間到來后,高速輸出口會自動產(chǎn)生6路觸發(fā)脈沖,而無需CPU的干涉。
(3) A/D采樣電路
80C196KC有內(nèi)嵌的10位A/D轉(zhuǎn)換器,但10位的A/D轉(zhuǎn)換器的精度只有千分之一,不能滿足該系統(tǒng)的要求。雖然可以通過外接一些高精度的電阻來完成12位的A/D轉(zhuǎn)換,但其可靠程度仍然不高。所以,本系統(tǒng)采用外接的12位A/D轉(zhuǎn)換器AD1674。在AD1674與80C196連接時(shí),其時(shí)序匹配問題需要注意。當(dāng)采用16MHz的時(shí)鐘源時(shí),80C196KC的時(shí)鐘周期只有125ns,而AD1674的運(yùn)行速度相對而言比較慢,其使能信號、片選信號及讀/轉(zhuǎn)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(tǒng)中需要轉(zhuǎn)換的信號有給定和反饋電流,單片機(jī)通過控制一模擬開關(guān)選擇需要轉(zhuǎn)換的多路信號中的一個(gè)。
(4) 鍵盤控制與顯示電路
為了進(jìn)行人機(jī)對話,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線控制,并將電流反饋值實(shí)時(shí)顯示出來,采用專用的8279接口芯片,配6位LED顯示器。需要改變一些設(shè)定值時(shí),可以通過按鍵來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)CPU接受到有鍵按下的信息后,就轉(zhuǎn)出相應(yīng)的處理程序。電流反饋值也在LED上實(shí)時(shí)顯示出來。
(5) 隔離驅(qū)動電路
從80C196KC的高速輸出口輸出的六相脈沖需要經(jīng)過隔離、放大后輸出才能驅(qū)動晶閘管。在此不再詳述。
2 軟件技術(shù)
系統(tǒng)軟件由一個(gè)主程序和兩個(gè)中斷子程序組成。主程序框圖見圖2。
(1) 數(shù)字觸發(fā)大多應(yīng)用在大功率條件下,其工作電流達(dá)十萬安培,因此,系統(tǒng)初始化后,為了減小啟動電流對設(shè)備及電網(wǎng)的影響,應(yīng)將工作電流從零逐步增加至給定電流(開環(huán)狀態(tài)下)。系統(tǒng)啟動的軟件模塊就是完成該工作。
(2) 開HSI和T2捕獲中斷中斷后,系統(tǒng)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(yīng)在HSO-CAM中寫入脈沖的上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間,該系統(tǒng)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,每次同步信號到來時(shí),只需向其中寫入兩個(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)寫入。在HIS中斷程序中,先將同步信號到來的狀態(tài)(正跳變還是負(fù)跳變)和時(shí)間讀出來,再向HSO-CAM中寫入相應(yīng)的事件;而在T2捕獲中斷程序中,還需先判斷相序。
(3) 待機(jī)狀態(tài)是80C196系列產(chǎn)品的一種特殊的節(jié)電工作方式。在這種方式下,CPU停止工作,CPU時(shí)鐘被凍結(jié)在邏輯零狀態(tài),但外設(shè)時(shí)鐘繼續(xù)工作。當(dāng)中斷信號到來時(shí) ,CPU退出待機(jī)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查詢,之后進(jìn)入采樣程序模塊,這樣一來,就保證了在兩次同步信號之間進(jìn)行一次采樣和PID計(jì)算。
3 結(jié) 論
采用80C196KC構(gòu)成的該系統(tǒng)由于其運(yùn)算速度很快,采樣、PID運(yùn)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(yùn)行只需2.5ms左右),而且每個(gè)同步信號均被采集到了。因此,每次同步信號到來之后,在中斷程序中都可按最新的電流反饋數(shù)據(jù)改寫觸發(fā)脈沖發(fā)生的時(shí)間,所以,該系統(tǒng)的控制精度和實(shí)時(shí)性幾乎可以與模擬系統(tǒng)相比。
參考文獻(xiàn)
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pid控制器相關(guān)文章:pid控制器原理
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