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(jiǎn)稱DCS）的需要。我國(guó)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(hào)都檢測(cè)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(duì)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(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(hào)都檢測(cè)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(hào)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(chǔ)器（EPROM）電路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hào)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(hào)檢測(cè)。也就是說，用高速輸入口只能檢測(cè)到兩相同步信號(hào)。利用80C196KC的新功能，可以檢測(cè)剩下的一相同步信號(hào)。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(hào)捕獲口可將信號(hào)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(hào)檢測(cè)出來。
　　
　　同步信號(hào)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(hào)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(hào)的上升沿發(fā)生時(shí)間，所以另一路同步信號(hào)需同時(shí)兩個(gè)單穩(wěn)觸發(fā)器處理，分別將信號(hào)的上升沿和下降沿都轉(zhuǎn)化為一個(gè)上跳變信號(hào)后送到T2信號(hào)捕獲口，該口將信號(hào)發(fā)生的時(shí)間記錄在T2CAPTURE寄存器中，經(jīng)CPU識(shí)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(huì)自動(dòng)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(duì)而言比較慢，其使能信號(hào)、片選信號(hào)及讀／轉(zhuǎn)換信號(hào)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(hào)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(duì)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(hào)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(hào)中的一個(gè)。

　　(4) 鍵盤控制與顯示電路
　
　　為了進(jìn)行人機(jī)對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)電流對(duì)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(dòng)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(hào)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(hào)到來時(shí)，只需向其中寫入兩個(gè)事件，而每個(gè)同步信號(hào)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(hào)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(hào)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?！?br />
　　(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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)均被采集到了。因此，每次同步信號(hào)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。