设计研究闭环控制晶闸管数字触发电路设计X黄河,刘霞,车育生(空军工程大学电讯工程学院基础部,陕西西安710077)摘要:用单片机组成晶闸管数字触发器,并结合PID调节技术,对晶闸管变流、调压装置进行闭环控制,实现输出电流、电压无差调节。

叙述了其控制过程,给出了实际触发器电路;此触发器实时控制精度高,具有较理想的动态性能,是一种理想的控制电路。

关键词:晶闸管;数字触发器;PID闭环控制中图分类号:TN344文献标识码:A文章编号:1003-4250(2001)-01-0001-03在晶闸管变流、调压装置中,使用一般的分立或集成触发器,硬件电路复杂、元件易老化、调试困难、存在温度漂移和抗干扰能力差等缺点。

用M CS-51系列单片机组成数字触发器,硬件电路简单、实时控制精度高、输出触发脉冲安全可靠、对称性好,克服了模拟式触发器的缺点。

将数字触发装置与PID 调节技术相结合,对晶闸管变流、稳压装置进行闭环控制,能充分发挥M CS-51单片机的高速数据处理和计算能力,对电源输出电压或电流进行闭环控制,实现无差调节,得到高性能的变流、调压装置。

1硬件电路设计硬件电路由单片机8031,模数转换器ADC0809,电流、电压设定电路,电流、电压反馈电路,触发脉冲形成及驱动电路组成,电路如图1所示。

8031与2764连接,构成8KLEPROM外部程序存储器,2764低8位地址由8031的P0输出,送地址锁存器74LS373锁存,高五位地址由P2口中P2.4-P2.0输出,合并提供13位地址,实现8K范围寻址;片选信号CE接地,OE接8031的PSEN。

开关K接于P216与地之间,用于系统控制模式选择,K 闭合P216为/00,系统处于闭环电流控制模式;K断开P216为/10,系统处于闭环电压控制模式。

电流、电压给定值由W1、W2设定在0~5V之间,设定值经ADC0809的IN0、IN1通道输入;反馈电流、电压分别由互感器和输出取样电阻取出,经整流滤波得到0~5V变化的电压值,经ADC0809的IN2、IN3通道输入。

通道IN0~IN3的选择由ADC0809的A、B、C端子来决定;ADC0809时钟由8031的ALE 信号经二分频得到;OE、STAR、ALE端控制信号分别由8031的RD WR和线选信号P2.7得到,转换结束EOC接到8031的P312,作为中断请求信号INT0。

脉冲形成电路由外部锁相环和微处理器内部定时器组成。

系统闭环控制过程为:8031从外部程序存储器读取指令,根据所选定模式,控制ADC 0809读取电流(或电压)设定值和反馈值,进行比较和计算处理后,确定偏差和延时时间常数。

再由100H z同步信号启动定时/计数器CT1,CT1计满溢出时,输出移相脉冲,把输出电流(或电压)调整到设定值上。

从而实现闭环控制。

图1电路框图12001年第1期移动电源与车辆X收稿日期:2000-11-03作者简介:黄河(1965-),男,湖南人,讲师,从事军用电子电源工作。

2 数字PID 闭环控制开机后,由系统检测P 216状态,确定控制模式,检测相应的设定值B (K)和反馈值A (K),计算偏差,设定定时器时间常数。

211 数字PID 控制器算法 PID 系统中,因为是采样控制,它根据采样时刻偏差值计算控制量,PID 控制表达式为:P (k )=K p {e(k )+T T i 2kje(j )+TdT [e(k )-e(k -1)]}式中 T=$t )))采样周期;k )))采样时刻序号,k=0,1,2,;P(k))))第k 次采样时刻(kT),控制器的输出数字量;e(k))))第k 次采样时刻的控制偏差量(控制器输入量);e(k-1))))第k-1次采样时刻的控制偏差量;Kp )))控制器比例系数;Td )))控制器微分时间常数;Ti )))控制器积分时间常数。

如果采样周期T 取得足够小,数字PID 控制过程与连续控制过程十分相近。

实际应用时,采用位置式PID 控制算法,则第k 次采样时刻PID 控制器的输出控制量为:P(k)=K pe(k )+K i 2kje(j ) +K d [e(k )-e(k -1)]式中 Kp )))比例系数;Ki=TT i #Kp )))积分系数;Kd=Td T#Kp )))微分系数。

显然,P(k)由P 、I 、D 三个独立部分组成,令其分别为Pp(k)、Pi(k)、Pd(k),则P (k )=Pp (k )+Pi(k )+Pd(k) 适当调整Kp 、Ki 、Kd,可获得理想的PID 控制特性。

PID 控制算法流程如图2所示。

212 闭环电压控制过程 系统上电复位后,若检测P 216为/10,确定为闭环电压控制模式,启动ADC0809的IN0通道。

采样W 1设定的电压给定值,A/D 转换结束后,通过INT0(即P 312)申请中断。

调中断子程序,子程序将转换值B 存于内部RAM 后,首先判定有无电压反馈值A,若无反馈值或A与B 相差较大,则执行最大给定值限幅控制,防止启动的初始阶段,偏差值e 过大,出现过大的控制量,造成很大的起调量,使控制器出现振荡。

之后,启动ADC0809的IN2通道采样电压反馈值,为消除随机误差,对电压反馈转换值采用平均滤波法,其滤波公式为:X =1N 2Ni=0x i图2 P ID 控制流程采样次数N 越大,X 越接近真值。

实际应用时,为了提高实时控制速度,采用去极值平均滤波法,即连续采样8次,去掉一个最大值和一个最小值,再求余下6个采样值的平均值,程序流程如图3所示。

然后,再启动ADC0809的IN0通道,采样给定值,产生偏差,输出控制量,开始下一循环。

采样子程序流程如图4所示。

213 闭环电流控制过程 若P 216为/00,系统为闭环电流控制模式,启动ADC0809的IN1和IN3通道采样电流设定值和电流反馈值;调用采样子程序,整个控制方式和流程与电压模式基本相同,只是控制对象不同。

3 触发脉冲形成及驱动电路311 触发脉冲形成 脉冲形成电路的作用是根据2 Movable Pow er Station & Vehicle No.1 2001图3采样滤波算法流程图4 采样子程序流程程序运行时产生的控制偏差,产生移相脉冲,控制晶闸管导通角,得到稳定的电流或电压输出。

实际应用电路如图5所示。

由8031内部定时/计数器CT 0、CT 1、锁相环CC4046、计数器74H C193及外围元件构成0b ~180b 范围的数字移相电路,工作过程为:50Hz 交流经整流和过零比较器得到100H z 同步信号f i 送入锁相环CC4046第14脚,调整CC4046外部定时电阻、电容R 1、C 1,使锁相环输出f 0设置在256倍输入同步信号频率上,即f 0=256f i ;锁相环输出f 0经两级计数器进行256分频,在锁相环第3脚得到和输入同步信号f i 相一致的信号,使f 0锁定在256f i 。

同时,同步信号f i 送8031的INT 1,f 0送定时/计数器CT 0、CT 1,CT 0、CT 1由程序设置在工作方式2,其工作方式控制字为66H,都选用外部计数方式,如图5所示。

每当f i 为高电平,则INT1为低电平,产生中断申请,CPU 调中断服务子程序,将定时时间常数装入CT 1,然后启动CT 1,其定时时间常数为:T 1=T $+T i其中T $为修正系数,T i 为对应给定电压(或电流)的延时时间常数。

给定值越大,T i 越大,对于确定的2516kH z 的外部计数脉冲,CT 1计满溢出也将越快。

采用查询方式,CPU 确定CT 1溢出后,置P 311为/10,即P 311输出高电平,同时启动CT 0,CT 0延时时间常数为:T 0=255-T1CT 0计满溢出后,置P 3.1为/00,至此,P 3.1输出一个移相脉冲,触发脉冲后沿固定在图6的P 、2P 、3P 处,前沿可在A +P 、A +2P 、A +3P 处调整,移相控制角A 在0~P 之间随意设定。

例如,电压给定值为2V,经ADC0809转换,送入8031处理后,CT 1定时常数为64H,CT 1计满155个脉冲时溢出,置P 311为/10,CT 0定时常数为9BH ,计满100个脉冲溢出后,置P 3.1为/00,移相脉冲波形如图6所示。

P 3.1输出移相脉冲与锁相环输出f 0同时加到与门C031,得到高频调制移相脉冲P 输出,P 加到驱动块SG3626。

输出经脉冲变压器耦合,控制晶闸管导通角,实现闭环控制。

图5 脉冲形成电路图6 移相脉冲波形(下转第21页)The diagnosis on PCB of excitation systemof movable power stationLIU Hong-wen,ZHAO Jin-cheng,YANG Run-sheng(The Ordnance E ngineering College,Hebei Prov,Shij iaz hang050003,China)Abstract:Excitation system is most im portant part of movable power station,the method com bines exper-i ence of expert and faults ing the method,w e can diagnose the circuit faults of excitation system,the method can isolate and locate the faults,so w e can m aintain the movable pow er station run w ell.Key words:ex citation system;PCB;diagnosis(上接第3页)4结论此电路经实际使用,具有如下特点:(1)实时控制速度快、精度高,能及时调整晶闸管的触发角度,动态响应性能好。

(2)由实测反馈值和给定值比较,产生偏差自动调整触发角,而不是恒定移相控制,可实现无差调节。

(3)输出移相脉冲宽度被展宽,适合负载为大电感的变流、调压电路,触发安全、可靠。

(4)控制过程由程序设定,稍作改动,此触发器也可输出三相触发脉冲。

(5)触发器电路参数无需调整,不存在漂移和元件老化问题。

(6)触发器性能稳定、可靠,输出波形对称性好,抗干扰能力强,是一种理想的晶闸管触发控制装置。

参考文献:112 陈建铎编1单片机应用技术1M21陕西:陕西电子编辑部,19881122 赵茂泰编著1智能仪器原理及应用1M21北京:电子工业出版社,19971132 [日]成田诚之助著,张贤达译1数字系统控制理论及应用1M21北京:机械工业出版社,19821142 陈金醮编1计算机控制技术1M21湖南:中南工业大学出版社,19891152 黄河1晶闸管交流调压电源触发电路设计1J21移动电源与车辆,1999,(3):1-41162 黄河1可编程控制晶闸管数字触发器设计1J21移动电源与车辆,2000,(3):1-21The close-cycle control thyristor digit triggering circuit designHUANG He,LIU Xia,CHE Yu-sheng(The Telecom munication Engineer ing I nstitute ofA ir For ce Engineer ing University,Shane X i Pr ove,Xi.an710077,China)Abstract:T he output current and voltag e zero regulation are achieved through the close-cycle control of the unsteady flow of thyristor and the pressure regulating device by means of the thyristor digit trigger composed of monolithic computers processors and by the use of PIB regulating technique.This paper describes the control pro-cess of the circuit device and gives the actual trigger circuit as w ell.The trig ger w ith high precision in real time control and relatively ideal dynamic properties is an ideal control circuit.Key words:thyristor;digit trigger;PID close-cycle control。