基于單片機(jī)模糊控制的晶閘管直流調(diào)壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王一涵

（綏化學(xué)院，黑龍江綏化152061）

基于單片機(jī)模糊控制的晶閘管直流調(diào)壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王一涵

（綏化學(xué)院，黑龍江綏化152061）

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為線(xiàn)索，結(jié)合模糊控制思想，著重介紹了MCS-51系列單片機(jī)控制的控制角可調(diào)整的三相半控橋可控硅整流觸發(fā)器。由于其成本低廉、電路連接簡(jiǎn)單，且參數(shù)調(diào)整方便、控制系統(tǒng)絕佳，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和使用價(jià)值。

單片機(jī)；模糊控制；晶閘管

1　晶閘管及可控整流電路

1.1晶閘管

晶閘管是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(chēng)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，有三個(gè)極，分別為陽(yáng)極、陰極以及門(mén)極。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，將晶體管內(nèi)部的四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分別命名為P1、P2、N1、N2。然后由P1區(qū)引出陽(yáng)極，記為A，陰極由N2區(qū)引出，記為K，而門(mén)極，則有P2區(qū)引出，由此，四個(gè)區(qū)就形成了從J1到J3的三個(gè)PN結(jié)。由于陽(yáng)極高于其陰極，所以將正向電壓加之于器件之上；待反向電壓價(jià)值于器件上時(shí)，此時(shí)的J1、J3兩PN結(jié)處于反向偏置，該器件整體會(huì)處于被阻斷的狀態(tài)，期間只有極其小的電流會(huì)通過(guò)。由于其晶閘管能夠在大電流或高電壓的狀態(tài)下工作，因此常被用于交流調(diào)壓、可控整流、無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)等電子電路之中。

1.2可控整流電路

當(dāng)前常用可控整流電路有兩種，分別為三相可控整流電路以及單相可控整流電路。其中單相可控整流電路的優(yōu)點(diǎn)主要有調(diào)節(jié)方便、線(xiàn)路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)就是僅適用于小功率的場(chǎng)合。在本設(shè)計(jì)中，由于要考慮到三相負(fù)載的平衡性問(wèn)題，因此最終采用三相可控整流電路。而在該可控整流電路的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)經(jīng)濟(jì)性的考慮，在三相全控整流電路和三相半控整流電路的選擇中，我們選擇了后者。在本設(shè)計(jì)之中，主電路部分為三相橋式半空整流電路，它是之后設(shè)計(jì)的重要組成部分之一。

2　模糊理論及模糊PID控制系統(tǒng)

2.1針對(duì)于模糊理論的簡(jiǎn)介

模糊控制理論從問(wèn)世至今已發(fā)展了20多年，如今，被廣泛應(yīng)用到化工、冶金、電力等多個(gè)工業(yè)部門(mén)，并取得了可喜成績(jī)。模糊控制理論由美國(guó)的L.A.Zadeh所創(chuàng)立，它利用了模糊數(shù)學(xué)的基本理論和基本思想，將傳統(tǒng)的復(fù)雜的控制理論變得更為簡(jiǎn)單，使用起來(lái)更為理想。它的使用形式基本為“如果…則…”。從形式中可以看出，前者為條件，后者則為條件下的結(jié)果，基于如此的理論，就可較為簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的目的。

2.2模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)

顧名思義，就要采用模糊控制思想，使用其控制規(guī)則，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)PID參數(shù)為目的的一種控制方法。這里模糊控制所給出PID參數(shù)的最終推理結(jié)果，是PID參數(shù)處于不同實(shí)時(shí)狀態(tài)之下的情況。

在本設(shè)計(jì)之中，模糊控制理論的主要作用就是用于計(jì)算出K1、Kp、KD三者的值。一般所得結(jié)果是非線(xiàn)性的，所以采用模糊控制理論來(lái)處理這些結(jié)果要合適方便得多。在使用模糊理論時(shí)，首先將非線(xiàn)性的系統(tǒng)進(jìn)行模糊化處理，然后運(yùn)用模糊理論中的模糊推理方法，得出所要結(jié)果，最后再將所要結(jié)果精確化，即進(jìn)行反模糊化處理。

3　系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

3.1主電路的設(shè)計(jì)

3.1.1三相橋式半控整流電路的設(shè)計(jì)

A.負(fù)載所需的額定電壓U0，選取220V。B.負(fù)載所需的額定電流Id選定為82.2A。C.主電路選用三相半橋控整流電路。（三相半橋控的組成是二極管的D1、D2、D3與晶閘管的Kp1、Kp2、Kp3）D。380V的三相電源經(jīng)過(guò)空氣開(kāi)關(guān)，最終送到三相變壓器之上（三相變壓器一般選擇用△/Y的接法，目的是為了防止高次諧波對(duì)電網(wǎng)的破壞）。

3.1.2保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

3.1.2.1過(guò)電壓保護(hù)

即通過(guò)對(duì)每一個(gè)晶閘管的兩端增加阻容，使其實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用。因?yàn)殡娙輧啥说碾妷翰豢赡馨l(fā)生瞬時(shí)轉(zhuǎn)變，因此，通常采取限制變壓器次級(jí)的電壓變化率，進(jìn)而避免了瞬時(shí)電壓發(fā)生上升的現(xiàn)象。同時(shí)，串聯(lián)在電路中的電阻可以消耗掉電路中的一部分能量，也可起到過(guò)電壓保護(hù)的作用。在本設(shè)計(jì)之中，電容C的選取為0.22μF，阻容保護(hù)參數(shù)的電阻R在系統(tǒng)中選取24Ω。

3.1.2.2過(guò)電流保護(hù)

方法有很多，比如限定輸出總功率、電流恒定不變，電壓下降，還有復(fù)合型、回卷形等。經(jīng)綜合考慮，最終選擇快速熔斷器來(lái)完成對(duì)過(guò)電流的保護(hù)。由于快速熔斷器的一項(xiàng)基本特性就是實(shí)現(xiàn)快速熔斷，其熔斷的時(shí)間極短，一般都超不過(guò)10ms，因此，如果系統(tǒng)電路中一旦出現(xiàn)過(guò)電流，熔斷器變化立刻熔斷，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)的作用，對(duì)保護(hù)晶閘管有一定的積極意義。

3.2控制電路的設(shè)計(jì)

3.2.1程序存儲(chǔ)模塊

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇MCS-51系列的單片機(jī)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。由于此機(jī)器本身所具有的程序存儲(chǔ)器空間為64KB，但8031單片機(jī)內(nèi)部并沒(méi)有相應(yīng)的程序存儲(chǔ)器，因此，本設(shè)計(jì)需要對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行必要的擴(kuò)展。選取了2764芯片，從而進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。

3.2.2RAM的擴(kuò)展

受到當(dāng)前科技水平的限制，集成電路的集成度無(wú)法明顯提高。導(dǎo)致當(dāng)前的單片RAM的容量普遍比較有限，對(duì)于一個(gè)較大容量的存儲(chǔ)系統(tǒng)，往往會(huì)用到多個(gè)RAM。但在程序運(yùn)行，進(jìn)行讀/寫(xiě)操作時(shí)，僅需要對(duì)其中的某一個(gè)或某幾個(gè)RAM進(jìn)行操作即可。在本次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，所選擇的RAM擴(kuò)展芯片為8KRAM 6264。

3.2.3數(shù)據(jù)采集模塊

在此次數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)中，要完成的功能有采集實(shí)際的電壓值與收集給定的電壓值，然后通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)，最終傳送至單片機(jī)之中。進(jìn)入單片機(jī)后，首先在其中進(jìn)行比較，得出實(shí)際的電壓值與給定電壓值之間的偏差變化率和偏差。此外，對(duì)于實(shí)際量的采集，選用的芯片為ADC0809芯片。其下圖為ADC0809的接線(xiàn)圖，即為數(shù)據(jù)采集模塊的電路圖，如圖所示。

圖ADC0809接線(xiàn)圖Fig.ADC0809 wiring diagram

3.2.4反饋傳輸模塊

在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮將弱電部分與強(qiáng)電部分進(jìn)行分離，將單片機(jī)部分與模擬信號(hào)部分進(jìn)行分離。所以在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了線(xiàn)性光電耦合器，從而有效的解決了以上所敘述的問(wèn)題。在反饋傳輸模塊中，所選擇的線(xiàn)性光電耦合器為HCNR200型號(hào)。注意，在模擬信號(hào)隔離電路的設(shè)計(jì)時(shí)，要在HCNR200型號(hào)的耦合器前增加一驅(qū)動(dòng)級(jí)，后面也要增加一緩沖級(jí)。同時(shí)，考慮到經(jīng)濟(jì)效益與勞動(dòng)強(qiáng)度問(wèn)題，為了簡(jiǎn)化電路，本設(shè)計(jì)中采用LM358運(yùn)算放大器來(lái)進(jìn)行電源供電。該運(yùn)算放大器的使用，可將輸出的電流變化到40mA左右。

4　結(jié)論

在整個(gè)電路系統(tǒng)中，我們將整流完畢后的直流電壓通過(guò)光電耦合隔離器，將模擬量的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的信號(hào)，后傳遞到單片機(jī)之中，進(jìn)而與給定的實(shí)際直流電壓值進(jìn)行比較，然后再運(yùn)用模糊控制理論，進(jìn)行自整定PID參數(shù)計(jì)算，最終得到K1、Kp、KD三者的值。這種方法，方便其系統(tǒng)穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)，有利于提高系統(tǒng)的精度。

［1］李強(qiáng)松.高壓軟起動(dòng)中的常見(jiàn)故障分析與處理［C］//中國(guó)計(jì)量協(xié)會(huì)冶金分會(huì)2012年會(huì)暨能源計(jì)量與節(jié)能降耗經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文集.2012.

［2］李春旭，韋鯤，魏繼昆，陳西山.80C552單片機(jī)控制IGBT逆變焊機(jī)的研究［C］//第九次全國(guó)焊接會(huì)議論文集（第2冊(cè)）.1999.

Design and realization of thyristor DC voltage regulation system based on singlechip fuzzy control

WANG Yi-han
（Suihua University，Suihua 152061，China）

The design takes singlechip as clues，emphatically introduces the adjustable three-phase half-controlled bridge SCR trigger of MCS-51 singlechip control angle.It has a certain economic value and usage value due to its low cost，simple circuit connection，convenient parameter adjustment and perfect control system.

Singlechip；Fuzzy control；Thyristor

2016-05-10

TP 368.1

B

1674-8646（2016）14-0014-02