单片机在晶闸管交流调压器中的应用
[摘要]介绍调压器中触发器的微型计算机化，以及如何合理地利用单片机的定时、中断及位操作等功能。
[关键词]单片机 晶闸管交流调压器 触发器
中图分类号：TM4文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2009）0220111－02
近年来，单片微型计算机技术迅速发展，价格便宜，为单片机在交流调压领域的推广应用提供了广泛的物质基础。目前研制的调压产品，都采用了微型机或单片机对其进行部分或全部的控制。晶闸管交流调压器采用单片机进行控制，能使系统更好地满足各种应用场合高性能的调压及稳压要求，可使控制系统结构简化，可靠性提高，操作及维修简便，通过修改控制软件可方便地改变控制策略。本文介绍的单片机系统选用Intel公司80年代推出并已被广泛使用的廉价高性能8位单片机8031作主控制器，其应用技术成熟，采购方便，整个系统包括同步、移相及触发等环节实现全数字化。
一、系统引入单片机的必要性
调压器采用单片机控制后，与传统的模拟量控制方式比较具有许多优点：
（1）单片机的采用，使控制系统实现数字化。由于该数字系统的精度与单片机字长位数和A/D转换器的位数成正比，故只要适当地增加单片机或A/D转换器字长位数，就有可能方便地提高系统的控制精度。另外，数字控制不易受温度、电源电压及时间变化等因素的影响，使系统具有较稳定的静特性。
（2）系统的通用性强，灵活性大，易于扩展和缩减。在单片机系统中，控制功能是由软件来实现的，只要改变软件内容，就能方便地适应不同的要求，实现灵活的多功能控制。
（3）单片机控制系统可以与中心控制计算机实时通信，实现多台电力装置的集中控制。
（4）采用单片机构成数字触发器，可确保触发脉冲相位间的高度对称，减少整流器直流侧的谐波分量。
（5）系统中由软件实现晶闸管的触发控制，反馈信号的检测和调节，故障诊断等功能，减少了元器件的数目，简化了硬件结构，提高了系统的工作可靠性。
（6）单片机控制系统具有对故障进行自诊断的能力，在事故发生时，能自动地实现运行数据储存，有助于故障的分析和处理。
二、应用实例工业控制
应用实例工业控制中需要一台高频电源，高频电源电子管灯丝需稳压供电，其主要技术指标为当电网电压变化±10%时，灯丝电压稳定在±2%.根据这一要求我们研制出了下文所述的调压器。由于该调压器的精度要求较低，并且应用场合的干扰较严重，为此我们将该调压器系统设计为开环控制，使得调压器结构简单，成本降低，控制稳定，研制周期缩短。
（一）系统硬件
该系统的硬件部分包括单片机系统，电压采样电路，放大电路，A/D转换电路，给定电压电路，同步电路，触发脉冲放大电路，晶闸管等。
1．单片机系统和A/D转换电路
机型的选择往往直接影响系统控制精度和控制功能的实现。设计时应根据装置对动态响应和调节精度的要求来确定机型，本系统动态响应及调节精度要求不很高，可选用8位单片机，如MCS-51系列单片机。
单片机系统由MCS-51系列8031单片机，程序存贮器2732，地址锁存器74LS373组成，A/D转换电路选用了ADC0804单片机8031的P1.0和P1.1口用于发出触发脉冲信号，P1.3口用于发出软启动结束信号，P1.4口为软启动时间选择输入口，P1.5口为8031工作过程选择备用接口，P1.6口用于复位同步D触发器，P1.7口用于输入单片机工作信号。定时器/计数器T0和T1用于输入方式，输入代表电角度的高频同步脉冲，用以控制晶闸管的导通角和触发脉冲宽度。外部中断用于同步中断，读写控制信号 和分别用于启动ADC0804进行模数转换和将转换结果读入8031。
2．同步电路
同步电路可分为多相同步方式与单相同步方式。多相同步是沿用了模拟式触发器的同步方式，由三相同步变压器及同步电路提供所需的多相同步脉冲，通过计算机接口电路向CPU申请中断提供同步信息。单相同步方式是指采用单相同步变压器取出一相电压作为同步信号，其余各相同步脉冲由倍频电路产生。
目前最流行的同步电路是倍频方式锁相环同步电路，其输出的倍频信号相间齐整度好，并且齐整度不受电网频率的影响。所谓锁相就是相位同步的自动控制。完成二个电信号相位同步的自动控制系统就叫锁相环。在触发器的同步电路里，可采用CMOS集成电路的锁相环，它由相位比较器、环路低通滤波器（外接）和线性压控振荡器三个部分组成。图1所示为锁相环工作原理图（本系统即采用倍频方式锁相环同步电路）。
同步电路由CD4046与分频电路4040、7492组成锁相环，由7474触发器向8031申请同步中断。运算放大器324接成比较器的形式，用于脉冲整形。由于采用了锁相环电路，保证了控制系统与系统电网保持固定的倍频关系，使晶闸管能够输出稳定的电压，并具有较小的谐波成分，电路如图2所示。
3．触发器
触发器可以采用多种电路，从其所采用的同步电路来看，有多相同步方式和单相同步方式的绝对式触发器，从触发脉冲定位的方式来看，有单相同步的绝对式触发器和相对式触发器。
所谓触发脉冲的定位方式，也就是如何决定数字锯齿波的起点即何时启动定时器/计数器。绝对触发方式是指触发脉冲的形成时刻是以各个同步脉冲作为基准点定时的，相对触发方式是以前一个脉冲发出的时刻为基准来确定下一脉冲的时刻。
触发器指标如何直接影响着调压器的性能，通常用以下几个指标去衡量一个触发器：（1）触发相位控制角α的分辨率。（2）触发脉冲的齐整度。（3）对CPU时间的占用率。本系统采用单相同步的相对式触发器。
（二）系统软件
系统软件设计是在对调压器的功能及工作原理进行分析的基础上，确定数学模型和控制算法，画出程序流程图，然后再编出应用程序，在系统的实际设计时，软件、硬件的开发一般是同行的，硬件系统设计往往要在软件开发后期才能最后确定。
单片机通过读取控制命令，由软件计算出同步延迟相位角的大小，并使得脉冲信号与三相交流电相位保持同步，然后由定时器控制按一定的时间周期性地送出各高频调制触发脉冲，使得晶闸管按控制命令实现通断，从而完成了对电压的调节。另外，软件设计时应对控制角进行线性化处理，使得调节过程平滑，输入输出保持线性关系。
由于调压器的工作环境处于强电之中，因而抗干扰设计十分重要。除硬件电路采用隔离技术之外，软件设计上也应采取抗干扰措施，防止程序进入死循环，一旦进入会自动退出，恢复正常。
本调压器软件采用查表方式，根据不同的输入电压在表格中查到相应的移相脉冲数据。移相计数器T0的计数冲来自同步锁相环，脉冲频率等于系统电网频率的n倍，选n=768，这样每个计数脉冲的数字量相当于0.47个电角度（即 ）。
调压器输出电压与输入电压及控制角的关系式 式中U为输出电压有效值；U1为输入电压有效值；α为控制角。
由上式可求出实现当U1变化时U保持不变的相应控制角α值，又由于每个数字量相当于0.47个电角度，可计算出移相脉冲数字，并推算出定时时间常数，如表1所示。
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增加输入电压U1的取值点，便可得到一组触发脉冲定时时间常数，为查找相应的时间常数可将其列成一表格，表格的地址可根据下式计算X=（U2/U）。L式中 X为地址数值；U2为0804的输入电压；U3为直流电源电压；L为常数256.计算结果如表2所示。
由表1和表2的数据可列出触发移相脉冲表格，此控制软件表格与其它控制软件配合便可发准确的触发脉冲信号。
1．主程序
主程序中包含有三个循环：8031完成初始化后就进行对控制状态的检测，在接到工作信号前，8031在程序的控制下保持等待工作的循环检测状态；当8031接到工作信号时，8031允许中断，进入软启动工作过程，输入电压从给定初始值逐渐加大；在软启动过程中，8031循环检测软件设置的软启动结束标志，当接到软启动结束信号后，8031发出信号启动0804进行模数转换，并开始稳压控制，且循环检测工作信号，其软件流程图见图3。
2．同步中断服务程序
同步中断由INT0中断服务程序完成，8031的引脚与同步D触发器相联，每个工频周波有一次中断申请，由此程序完成匀速加大晶闸管导通角软启动的软件延时，软启动时间长短的选择，以及软启动结束后控制0804。T0计数器的定时常数预置和启动T0计数器。
3．触发脉冲控制程序
触发脉冲控制程序由T0溢出中断服务程序和T1溢出中断服务程序组成。T0溢出中断服务程序控制触发脉冲的发出时刻和触发脉冲与晶闸管的对应关系，并进行了T1计数器的预置和启动。T1溢出中断服务执行关触发脉冲的工作，即决定了触发脉冲的宽度。
三、结束语
随着微型计算机技术和单片机技术的不断完善以及与电力电子技术的不断结合，使得电力电子技术进展迅速，日益成为电力变换过程控制所需的技术，本文所述的单片机控制晶闸管交流调压器，随着在实际应用中的不断改进必将取代传统的调压器，成为调压领域的主导产品。
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