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。

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。

2．2 驱动电路

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 软件设计

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。