基於單片機的數字化

本文簡介了低頻電源的應用背景，交—交變頻器的實現原理，以及整個系統的軟硬體實現。設計採用4個Intel公司MCS-8097BH單片機來實現控制迴路的調頻調壓，三相觸發脈衝的產生以及無環流的實現。利用微機系統與外圍電路的介面．實現了對生產工藝過程的控制，並具有一定的安全監測和保障功能。

1 引言

目前，提升機一般減速階段採用直流動力制動和低頻發電制動兩種電氣制動方式。直流動力制動是在制動時將提升機的非同步電動機定子繞組同電網電壓斷開，接到直流電源上，使非同步電動機工作在能耗制動狀態。但是由於直流電源不能提供正力，因此當電機工作狀態回到第一象限時，需要定子繞組的二次高壓給電(6KV)，這就增加了系統的複雜性和不穩定因素。而低頻發電制動從減速點開始，將定子繞組從電網斷開後接到2～5Hz的低頻電源上，降低了旋轉磁場頻率，從而運行在再生髮電狀態。配合轉子繞組切電阻，達到爬行切換點後，無需再切換其它電源，即可自然過渡到爬行狀態，消除了動力制動時的失控現象。因而更加值得推廣應用。

本文介紹一種基於單片機的數字化交—交變頻低頻電源系統的設計。

2 主控制迴路相關參數選擇

提升機速度圖和力圖如圖1、圖2所示。

圖1 提升機速度圖

圖2 提升機力圖

2.1 低頻電源原始參數選擇

(1)低頻頻率fDP的確定

由設計速度圖可知，等速的最大速度Vm=6.56m／s，爬行速Vc=0.4m／s，則

fDP=f1(Vc／Vm)=50×0.4／6.5683Hz

(2)低頻電源電壓的確定

由於電壓補償係數Kuc隨fDP增大而減小，fdp一般為2~5Hz，Kuc=1.1~1.5。U1=6000V，fDP=50Hz，代入計算

Udp=U1Kuc（fDP/f1）=（1.1~1.5）×6000×（3/50）=396~540V

取UDP=520V，摺合取KUC=1.44。

(3)低頻電源容量SDp的確定

根據SDP=PN.KUC.（fDP/f1）.（1/cosΦN），代入PN=720KW，f1=50Hz，fDP=3Hz，Kuc=1.44，cosΦN=0.83，計算得SDP=75KVA。

考慮低頻電源的安全裕量，容量選為SDP=100KVA。

2.2 整流變壓器參數選擇

整流變壓器二次側線電壓計算公式為

低頻電源主迴路採用三相半橋電路，整流係數K=0.675，實際低頻電源線電壓有效值UDP=520V，為防止逆變顛覆，最小觸發控制角cosαNIN=30°。代入求得U21=730V。

2.3 整流變壓器參數

採用6kV交流電源供電，整流變壓器參數為

線電壓／線電壓比：6000V／730V

容量：180kVA

接法：V／Y-11

3 數字化交—交變頻低頻電源的控制迴路硬體設計

交—交變頻器的輸出頻率，由頻率給定決定。其大小要根據礦井提升機的特性及電動機實際參數決定。電源狀態及同步電路提供自然換相點和同步信號；單片機系統根據給定的輸出頻率，以及觸發角的計算公式，實時地計算觸發角，發出觸發延時常數，經邏輯計時電路進行觸發延時，延時一到就發出觸發脈衝，觸發脈衝經數字邏輯及放大電路，送至相應的晶閘管，使交——交變頻器按期望的頻率及波形輸出。

控制迴路負責主迴路各相晶閘管的觸發控制，以及對提升工藝要求的控制。作為觸發控制電路，為了保證每一周波重複在相同相位上觸發晶閘管，必須使觸發信號與電源電壓同步，因此必須從電網電源端引入同步變壓器和同步電路；為了按負載需要提供相應的輸出頻率和幅值的低頻電壓，必須按照餘弦交點法對輸出電壓波形進行調製，這由上位和下位單片機共同完成，此外，還必須有負載檢測電路；為了輸出觸發脈衝，還必須有脈衝功放整形電路；提升工藝的控制主要由上位單片機完成。

觸發控制計算機系統的功能是根據上位機產生的三相低頻給定信號和電源的狀態，按照輸出低頻電壓正弦調製的要求，在合適的時候準確地向需要導通的晶閘管發出觸發脈衝，其中包含了電源電壓信號的同步，觸發脈衝的移相控制和觸發脈衝的形成與分配這三個主要功能。

微機相控觸發電路由同步電路、微機系統、脈動放大與輸出電路三部分組成。微機系統完成移相控制、脈衝生成與分配等功能。

系統硬體組成清單如下：

(1)三片Intel8097BH單片機，主頻為12．00MHz，對應U、V、W三相的觸發脈衝控制；

(2)程序存儲器為EPRON27C64，地址範圍2000H-3FFFH，共8kB；

(3)數據存儲器為RAM62C64，地址範圍：4000H-5FFFH，共8kB，具有數據防寫；

(4)同步信號處理電路；

(5)零電流檢測電路；

(6)六路觸發脈衝輸出：直接驅動脈衝變壓器；

(7)八路開關量輸入：地址為lF01H，光電隔離；

(8)八路開關量輸出，地址為1F02H，光電隔離。

圖3 系統結構圖

4 數字化交—交變頻低頻電源的軟體設計

4.1 主程序實現

主控計算機的控制任務主要是應對各種提升過程中的不同情況，控制系統工作，並給觸發控制計算機輸出低頻給定信號。因此，主控計算機的軟體設計主要需要考慮各種情況下的電壓給定需求情況和故障控制。

4.2 觸發控制軟體實現

系統採取每相正負兩組可控硅需要兩個波形和幅值完全相同，僅相位相差180度的正弦控制信號。這樣三相低頻輸出共需六個波形和幅值完全相同，相對應相位互差120度的正弦波控制信號。互差180度的同相位信號可以採用倒相的方法得到。因此，只需三個相位嚴格互差120度、頻率和幅值完全相同的正弦控制信號。這樣的信號可以由一個上位機根據輸出電壓頻率和幅值大小的需要產生(改變控制信號的頻率可以改變輸出電壓的頻率，改變控制信號的幅值就可以改變輸出電壓的大小)。然後採用精確延時的方法相互錯開120度分別送入三個下位機，按反餘弦表進行移相後輸出。

5 數字化交—交變頻低頻電源抗干擾措施

系統通過的硬體和軟體兩種方面的措施來實現抗干擾。硬體抗干擾電路的設計結合變頻器運用的現場實際情況，可以採取如下措施：交流穩壓器來保證供電的穩定性，防止電源系統的過壓與欠壓；隔離變壓器可採用屏蔽層隔離以減小分布電容，提高抗共模干擾的能力；低通濾波器濾去高頻干擾，改善電源波形。T型濾波電路主要用於濾除50Hz的工頻干擾；同時可在系統的各模塊上加上三端穩壓塊7805(+5V)等組成的穩壓電源。這樣的電路中，由於每個穩壓塊單獨對電壓過載進行保護，可大大提高供電的可靠性。

軟體抗干擾措施採用看門狗，應用單片機中的兩個定時器TO和T1來對主程序的運行進行監控，從而保證系統的穩定運行。另，系統選用的8097BH單片機本身具有掉電保護功能。

6 結束語

基於單片機的數字化交—交變頻低頻電源能在提高經濟效益，減少工作人員勞動強度方面起到較大的作用，能使需要該系統的工礦自動化水平提高，具有一定的社會和經濟意義。

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