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C8015F041在智能功率柜中的應(yīng)用
摘要：簡(jiǎn)要介紹智能勵(lì)磁功率柜的概念及C8051F041單片機(jī)的特點(diǎn)；詳細(xì)論述基于C8051F041的智能勵(lì)磁功率柜的結(jié)構(gòu)、原理及CAN總線通信的實(shí)現(xiàn)方法。該控制方案系統(tǒng)集成度高、硬件簡(jiǎn)單、工作可靠，具有良好的推廣價(jià)值。隨著發(fā)電機(jī)容量的不斷增大，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求越來越高。某省12年的統(tǒng)計(jì)表明，勵(lì)磁系統(tǒng)故障仍是發(fā)電機(jī)故障停機(jī)和非計(jì)劃停運(yùn)的主要原因，占發(fā)電機(jī)的非計(jì)劃停運(yùn)比大于50%。勵(lì)磁系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將影響發(fā)電系統(tǒng)整體可靠性，可見勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性非常重要。國內(nèi)目前使用的各類勵(lì)磁調(diào)節(jié)器非常先進(jìn)，但功率柜的制造水平還不盡如人意，這勢(shì)必影響勵(lì)磁系統(tǒng)整體性能的提高，進(jìn)而妨礙升發(fā)電系統(tǒng)的性能。
目前，國產(chǎn)的勵(lì)磁功率柜普遍存在檢測(cè)功能不全，信息傳送、控制和檢測(cè)技術(shù)落后等問題。本文介紹的基于C8051F041的智能勵(lì)磁功率柜具有完備的檢測(cè)、控制、通信功能。
1 C8051F041單片機(jī)特點(diǎn)
C8051FXX系列單片機(jī)是美國Cygnal公司新推出的一種兼容51內(nèi)核的單片機(jī)。其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，限于篇幅，在這里不再詳述。以下僅就筆者對(duì)C8051F041的使用介紹一下其新特點(diǎn)。
①內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，速度可達(dá)25MIPS（25MHz晶振），比普通的51快10倍；指令與標(biāo)準(zhǔn)51系列兼容，掌握開發(fā)過程非常容易；JTAG調(diào)試方式，支持在系統(tǒng)、全速、非插入調(diào)試和編程，不占用片內(nèi)資源。
②片上集成64KB Flash，4352B內(nèi)部RAM（256 4KB，可外擴(kuò)至64KB），32個(gè)I/O口，12通道12位100ksps可編程增益ADC，8通道8位500ksps可編程增益ADC，2路12位DAC，3路模擬比較器，內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，片內(nèi)電源監(jiān)視、降壓檢測(cè)、看門狗。由于C8051F041的高集成度，避免了外擴(kuò)ROM、RAM、A/D、D/A、Watchdog、可編程I/O口、EEPROM（用片內(nèi)Flash實(shí)現(xiàn)），大大簡(jiǎn)化了硬件電路，為形成以C8051F041為核心的單片系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，從而可提高系統(tǒng)的可靠性。
③片內(nèi)集成2個(gè)UART，1個(gè)SM（兼容I2C），1個(gè)SPI。最為便利的是，C8051F041集成了CAN總線控制器。CAN總線具有開發(fā)費(fèi)用低、抗干擾性強(qiáng)、適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等特點(diǎn)，其在干擾非常嚴(yán)重各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。C8051F041只需加上CAN總線收發(fā)電路就可掛接到CAN通信網(wǎng)絡(luò)上，大大簡(jiǎn)化了通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)可減少通信節(jié)點(diǎn)受到干擾的概率。
④可編程的16位計(jì)數(shù)器陣列（PCA），有6個(gè)捕捉/比較模塊，5個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。這為需求定時(shí)器/計(jì)數(shù)器較多的測(cè)控節(jié)點(diǎn)提供了方便。
⑤C8051F041能夠滿足絕大多數(shù)工業(yè)測(cè)控節(jié)點(diǎn)的要求，能夠形成以C8051F041為核心的單片系統(tǒng)；配以外圍測(cè)量單元，可以形成完整的測(cè)控節(jié)點(diǎn)，提高系統(tǒng)的可靠性。
2 智能勵(lì)磁功率柜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
智能功率柜系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
在功率柜中最關(guān)鍵的部件是三相全控橋。控制此橋的核心參數(shù)觸發(fā)角度經(jīng)CAN總線由調(diào)節(jié)器送出，同時(shí)送達(dá)本地柜應(yīng)發(fā)的電流值。經(jīng)檢測(cè)得到的輸出電流值與調(diào)節(jié)器的應(yīng)發(fā)給定電流值進(jìn)行比較，完成PI運(yùn)算后產(chǎn)生新的微調(diào)觸角度。該觸發(fā)角度經(jīng)PCA形成觸發(fā)脈沖繼而驅(qū)動(dòng)三相全控橋，從而在電子級(jí)實(shí)現(xiàn)柜間均流。與此同時(shí)，通過信號(hào)檢測(cè)模塊將柜內(nèi)溫度、晶閘管通斷狀態(tài)、輸出電流值送入微控制器，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，與設(shè)定閥值比較，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果并可進(jìn)行報(bào)警。
2.1 基于PCA模塊實(shí)現(xiàn)的數(shù)字移相觸發(fā)
三相晶閘管全控橋工作原理及6個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖相序關(guān)系如圖2所示。
PCA包含6個(gè)基于同一16位計(jì)數(shù)器作為時(shí)基的捕捉/比較模塊，每個(gè)模塊可構(gòu)成正沿捕捉、負(fù)沿捕捉、正負(fù)沿捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸出、脈沖寬度調(diào)制器6種方式。在本系統(tǒng)中，其被構(gòu)造成高速輸出模式，每當(dāng)PCA計(jì)數(shù)器與模塊的16位捕捉/比較寄存器相匹配，相應(yīng)模塊的CEX引腳的邏輯電平發(fā)生變化，并引起相應(yīng)中斷。
觸發(fā)信號(hào)從同步信號(hào)過零點(diǎn)計(jì)時(shí)，調(diào)節(jié)器經(jīng)CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給各功率框觸發(fā)我的電角度值α、同步信號(hào)周期值TSYN、脈沖寬度W。同步信號(hào)采樣電路如圖3所示。同步信號(hào)過零產(chǎn)生中斷時(shí)，使PCA計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并根據(jù)α、W、TSYN及PCA計(jì)數(shù)頻率計(jì)算出α的對(duì)應(yīng)值Tα1～Tα6和脈沖后沿的對(duì)應(yīng)值TW1～TW6，并將Tα1～Tα6寫入6個(gè)模塊的16位捕捉/比較寄存器。當(dāng)捕捉寄存器的值與PCA計(jì)數(shù)器相符時(shí)，CEX引腳變?yōu)楦唠娖�，相�?yīng)模塊產(chǎn)生中斷。在中斷子程序中相應(yīng)的TWN讀寫入16位捕捉/比較寄存器，其與PCA計(jì)數(shù)器值相符時(shí)，CEX引腳變?yōu)榈碗娖�，一路觸發(fā)單脈沖產(chǎn)生，用門電路可將6路單脈沖合為6路雙窄脈沖。下式為Tα和Tw計(jì)算方法：
TαN=TSYN[α 90(N-1)]/(360×TCLK)
TWN=TSYN[α W 90(N-1)]/(360×TCLK)
N=1,2,…，6，TCLK為PCA計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)周期。
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