基于单片机的数字化

本文简介了低频电源的应用背景，交—交变频器的实现原理，以及整个系统的软硬件实现。设计采用4个Intel公司MCS-8097BH单片机来实现控制回路的调频调压，三相触发脉冲的产生以及无环流的实现。利用微机系统与外围电路的接口．实现了对生产工艺过程的控制，并具有一定的安全监测和保障功能。

1 引言

    目前，提升机一般减速阶段采用直流动力制动和低频发电制动两种电气制动方式。直流动力制动是在制动时将提升机的异步电动机定子绕组同电网电压断开，接到直流电源上，使异步电动机工作在能耗制动状态。但是由于直流电源不能提供正力，因此当电机工作状态回到第一象限时，需要定子绕组的二次高压给电(6KV)，这就增加了系统的复杂性和不稳定因素。而低频发电制动从减速点开始，将定子绕组从电网断开后接到2～5Hz的低频电源上，降低了旋转磁场频率，从而运行在再生发电状态。配合转子绕组切电阻，达到爬行切换点后，无需再切换其它电源，即可自然过渡到爬行状态，消除了动力制动时的失控现象。因而更加值得推广应用。

    本文介绍一种基于单片机的数字化交—交变频低频电源系统的设计。

2 主控制回路相关参数选择

    提升机速度图和力图如图1、图2所示。

图1 提升机速度图

图2 提升机力图

2.1 低频电源原始参数选择

    (1)低频频率fDP的确定

    由设计速度图可知，等速的最大速度Vm=6.56m／s，爬行速Vc=0.4m／s，则

    fDP=f1(Vc／Vm)=50×0.4／6.5683Hz

    (2)低频电源电压的确定

    由于电压补偿系数Kuc随fDP增大而减小，fdp一般为2~5Hz，Kuc=1.1~1.5。U1=6000V，fDP=50Hz，代入计算

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

    取UDP=520V，折合取KUC=1.44。

    (3)低频电源容量SDp的确定

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

    考虑低频电源的安全裕量，容量选为SDP=100KVA。

2.2 整流变压器参数选择

    整流变压器二次侧线电压计算公式为

   

    低频电源主回路采用三相半桥电路，整流系数K=0.675，实际低频电源线电压有效值UDP=520V，为防止逆变颠覆，最小触发控制角cosαNIN=30°。代入求得U21=730V。

2.3 整流变压器参数

    采用6kV交流电源供电，整流变压器参数为

    线电压／线电压比：6000V／730V

    容量：180kVA

    接法：V／Y-11

3 数字化交—交变频低频电源的控制回路硬件设计

    交—交变频器的输出频率，由频率给定决定。其大小要根据矿井提升机的特性及电动机实际参数决定。电源状态及同步电路提供自然换相点和同步信号；单片机系统根据给定的输出频率，以及触发角的计算公式，实时地计算触发角，发出触发延时常数，经逻辑计时电路进行触发延时，延时一到就发出触发脉冲，触发脉冲经数字逻辑及放大电路，送至相应的晶闸管，使交——交变频器按期望的频率及波形输出。

    控制回路负责主回路各相晶闸管的触发控制，以及对提升工艺要求的控制。作为触发控制电路，为了保证每一周波重复在相同相位上触发晶闸管，必须使触发信号与电源电压同步，因此必须从电网电源端引入同步变压器和同步电路；为了按负载需要提供相应的输出频率和幅值的低频电压，必须按照余弦交点法对输出电压波形进行调制，这由上位和下位单片机共同完成，此外，还必须有负载检测电路；为了输出触发脉冲，还必须有脉冲功放整形电路；提升工艺的控制主要由上位单片机完成。

    触发控制计算机系统的功能是根据上位机产生的三相低频给定信号和电源的状态，按照输出低频电压正弦调制的要求，在合适的时候准确地向需要导通的晶闸管发出触发脉冲，其中包含了电源电压信号的同步，触发脉冲的移相控制和触发脉冲的形成与分配这三个主要功能。

    微机相控触发电路由同步电路、微机系统、脉动放大与输出电路三部分组成。微机系统完成移相控制、脉冲生成与分配等功能。

    系统硬件组成清单如下：

    (1)三片Intel8097BH单片机，主频为12．00MHz，对应U、V、W三相的触发脉冲控制；

    (2)程序存储器为EPRON27C64，地址范围2000H-3FFFH，共8kB；

    (3)数据存储器为RAM62C64，地址范围：4000H-5FFFH，共8kB，具有数据写保护；

    (4)同步信号处理电路；

    (5)零电流检测电路；

    (6)六路触发脉冲输出：直接驱动脉冲变压器；

    (7)八路开关量输入：地址为lF01H，光电隔离；

    (8)八路开关量输出，地址为1F02H，光电隔离。

图3 系统结构图

4 数字化交—交变频低频电源的软件设计

4.1 主程序实现

    主控计算机的控制任务主要是应对各种提升过程中的不同情况，控制系统工作，并给触发控制计算机输出低频给定信号。因此，主控计算机的软件设计主要需要考虑各种情况下的电压给定需求情况和故障控制。

4.2 触发控制软件实现

    系统采取每相正负两组可控硅需要两个波形和幅值完全相同，仅相位相差180度的正弦控制信号。这样三相低频输出共需六个波形和幅值完全相同，相对应相位互差120度的正弦波控制信号。互差180度的同相位信号可以采用倒相的方法得到。因此，只需三个相位严格互差120度、频率和幅值完全相同的正弦控制信号。这样的信号可以由一个上位机根据输出电压频率和幅值大小的需要产生(改变控制信号的频率可以改变输出电压的频率，改变控制信号的幅值就可以改变输出电压的大小)。然后采用精确延时的方法相互错开120度分别送入三个下位机，按反余弦表进行移相后输出。

5 数字化交—交变频低频电源抗干扰措施

    系统通过的硬件和软件两种方面的措施来实现抗干扰。硬件抗干扰电路的设计结合变频器运用的现场实际情况，可以采取如下措施：交流稳压器来保证供电的稳定性，防止电源系统的过压与欠压；隔离变压器可采用屏蔽层隔离以减小分布电容，提高抗共模干扰的能力；低通滤波器滤去高频干扰，改善电源波形。T型滤波电路主要用于滤除50Hz的工频干扰；同时可在系统的各模块上加上三端稳压块7805(+5V)等组成的稳压电源。这样的电路中，由于每个稳压块单独对电压过载进行保护，可大大提高供电的可靠性。

    软件抗干扰措施采用看门狗，应用单片机中的两个定时器TO和T1来对主程序的运行进行监控，从而保证系统的稳定运行。另，系统选用的8097BH单片机本身具有掉电保护功能。

6 结束语

    基于单片机的数字化交—交变频低频电源能在提高经济效益，减少工作人员劳动强度方面起到较大的作用，能使需要该系统的工矿自动化水平提高，具有一定的社会和经济意义。