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基于單片機C8051F060的智能功率柜
摘要:簡要介紹了智能勵磁功率柜的概念及C8051F060單片機的特點,詳細論述了基于C8051F060的智能勵磁功率柜的結構、原理以及與CAN總線通信的實現(xiàn)方法。該控制方案系統(tǒng)集成度高、硬件簡單、工作可靠,具有很好的推廣價值。1 引言
隨著發(fā)電機容量的不斷增大,對勵磁系統(tǒng)的要求越來越高。國內目前使用的各類勵磁調節(jié)器都非常先進,但功率柜的制造水平卻不盡如人意,這勢必影響勵磁系統(tǒng)整體性能的提高?進而妨礙整體發(fā)電系統(tǒng)性能的提高。
目前,國產的勵磁功率柜普遍存在檢測功能不全、信息傳送技術、控制和檢測技術落后等問題。為了解決這一問題,本文給出了通過采用高集成度單片機C8051F060實現(xiàn)的智能勵磁功率柜與CAN總線的通信方法,該方案具有完備的檢測、控制和通信功能。
2。茫福埃担保疲埃叮皢纹瑱C的特點
C8051FXX系列單片機是美國CYGNAL公司推出的一種與51系列單片機內核兼容的單片機。僅就筆者對C8051F060的使用實踐介紹一下其新特點:
(1)內核采用流水線結構,速度可達25MIPS(25MHz晶振),比普通的51單片機快10倍;其指令與標準系列51單片機兼容,因而掌握開發(fā)過程非常容易;該芯片的JTAG調試方式支持在系統(tǒng)、全速、非插入調試和編程,且不占用片內資源。
(2)片上集成有64kB Flash、4352B內部RAM(256+4kB,可外擴至64kB)、59個I/O口、 2通道16位1MSPS的可編程增益ADC、8通道10位200kSPS可編程增益ADC、2路12位DAC、3路模擬比較器、內部電壓基準以及片內電源監(jiān)視、降壓檢測和看門狗等功能。由于C8051F060的高集成度,因而無需外擴ROM、RAM、AD、DA、watchdog、可編程I/O口和EEPROM(用片內Flash實現(xiàn)),從而大大簡化了硬件電路,并為構成以C8051F060為核心的單片機系統(tǒng)創(chuàng)造了條件,同時也提高了系統(tǒng)的可靠性。
(3)片內集成有2個UART、1個SM(兼容I2C)和1個SPI。最為便利的是,C8051F060集成了CAN總線控制器,這使得CAN總線具有開發(fā)費用低廉、抗干擾性強、可適用于工業(yè)現(xiàn)場應用等特點,并可廣泛應用于干擾環(huán)境非常嚴重的各種工業(yè)現(xiàn)場測控領域。C8051F060只需加上CAN總線收發(fā)電路就可掛接到CAN通信網絡上,因而大大簡化了通信系統(tǒng)的設計,減少了通信節(jié)點受干擾的概率。
(4)可編程的16位計數(shù)器陣列?PCA?有6個捕捉/比較模塊和5個通用16位計數(shù)器/定時器,這一為要求定時器/計數(shù)器具有較多的測控節(jié)點提供了方便。
(5)C8051F060能滿足絕大多數(shù)工業(yè)測控節(jié)點的要求,能夠形成以C8051F060為核心的單片機系統(tǒng),如果配以外圍測量單元,還可形成完整的測控節(jié)點。
3 智能勵磁功率柜的系統(tǒng)結構
智能功率柜系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。功率柜中最關鍵的部件是三相全控橋,控制此橋的核心參數(shù)為觸發(fā)角度,該參數(shù)可由CAN總線通過調節(jié)器送出,同時送達本地柜應發(fā)的電流值。經檢測得到的輸出電流與調節(jié)器的應發(fā)給定電流進行比較并完成PI運算,即可產生新的微調觸發(fā)角度。該觸發(fā)角度經PCA形成觸發(fā)脈沖繼而驅動三相全控橋,從而實現(xiàn)柜間均流。與此同時,通過信號檢測模塊還可將柜內溫度、晶閘管通斷狀態(tài)、輸出電流值送入微控制器,以對各參數(shù)進行計算分析,并將其與設定的閾值進行比較,最后實時顯示測量結果,同時報警。
圖3 同步信號采集電路
3.1 基于PCA模塊實現(xiàn)的數(shù)字移相觸發(fā)
三相晶閘管全控橋的工作原理及六個晶閘管的觸發(fā)脈沖相序關系如圖2所示。
該PCA中包含6個基于同一16位計數(shù)器,并可作為時基的捕捉/比較模塊,每個模塊可構成正沿捕捉、負沿捕捉、正負沿捕捉、軟件定時器、高速輸出、脈沖寬度調制器等6種方式。本設計中采用的是高速輸出模式,當PCA計數(shù)器與模塊的16位捕捉/比較寄存器相匹配時,相應模塊的CEX引腳的邏輯電平將發(fā)生變化,并引起相應中斷。
觸發(fā)信號從同步信號過零點開始計時,調節(jié)器則經CAN網將觸發(fā)角的電角度值α、同步信號周期值TSYN和脈沖寬度W發(fā)送給各功率柜。同步信號采樣電路見圖3,當同步信號過零產生中斷時,PCA計數(shù)器開始計數(shù),并根據α、W、TSYN及PCA計數(shù)頻率計算出α的對應值Tα1~Tα6和脈沖后沿的對應值TW1~TW6,然后將Tα1~Tα6寫入6個模塊的16位捕捉/比較寄存器中。當捕捉寄存器的值與PCA計數(shù)器的值相符時,CEX引腳將變?yōu)楦唠娖剑允瓜鄳K產生中斷,同時在中斷子程序中,相應的TWN被寫入16位捕捉/比較寄存器。當其與PCA計數(shù)器值相符時,CEX引腳變?yōu)榈碗娖剑渲幸宦酚|發(fā)單脈沖。用門電路便可將6路單脈沖合為6路雙窄脈沖。下式為Tα和TW計算方法:
TαN=TSYN?α+90?N-1??/360TCLK
TWN=TSYN?α+W+90?N-1??/360TCLK
式中,N可。?2?...?6, TCLK為PCA計數(shù)器的計數(shù)周期。
3.2 通過片內Flash在線修改參數(shù)
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