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C8015F041在智能功率柜中的應用
摘要：簡要介紹智能勵磁功率柜的概念及C8051F041單片機的特點；詳細論述基于C8051F041的智能勵磁功率柜的結構、原理及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，具有良好的推廣價值。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。某省12年的統(tǒng)計表明，勵磁系統(tǒng)故障仍是發(fā)電機故障停機和非計劃停運的主要原因，占發(fā)電機的非計劃停運比大于50%。勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將影響發(fā)電系統(tǒng)整體可靠性，可見勵磁系統(tǒng)的可靠性非常重要。國內(nèi)目前使用的各類勵磁調節(jié)器非常先進，但功率柜的制造水平還不盡如人意，這勢必影響勵磁系統(tǒng)整體性能的提高，進而妨礙升發(fā)電系統(tǒng)的性能。
目前，國產(chǎn)的勵磁功率柜普遍存在檢測功能不全，信息傳送、控制和檢測技術落后等問題。本文介紹的基于C8051F041的智能勵磁功率柜具有完備的檢測、控制、通信功能。
1 C8051F041單片機特點
C8051FXX系列單片機是美國Cygnal公司新推出的一種兼容51內(nèi)核的單片機。其結構較復雜，限于篇幅，在這里不再詳述。以下僅就筆者對C8051F041的使用介紹一下其新特點。
①內(nèi)核采用流水線結構，速度可達25MIPS（25MHz晶振），比普通的51快10倍；指令與標準51系列兼容，掌握開發(fā)過程非常容易；JTAG調試方式，支持在系統(tǒng)、全速、非插入調試和編程，不占用片內(nèi)資源。
②片上集成64KB Flash，4352B內(nèi)部RAM（256 4KB，可外擴至64KB），32個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，片內(nèi)電源監(jiān)視、降壓檢測、看門狗。由于C8051F041的高集成度，避免了外擴ROM、RAM、A/D、D/A、Watchdog、可編程I/O口、EEPROM（用片內(nèi)Flash實現(xiàn)），大大簡化了硬件電路，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UART，1個SM（兼容I2C），1個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)費用低、抗干擾性強、適用于工業(yè)現(xiàn)場應用等特點，其在干擾非常嚴重各種工業(yè)現(xiàn)場測控領域得到廣泛應用。C8051F041只需加上CAN總線收發(fā)電路就可掛接到CAN通信網(wǎng)絡上，大大簡化了通信系統(tǒng)的設計，同時可減少通信節(jié)點受到干擾的概率。
④可編程的16位計數(shù)器陣列（PCA），有6個捕捉/比較模塊，5個通用16位計數(shù)器/定時器。這為需求定時器/計數(shù)器較多的測控節(jié)點提供了方便。
⑤C8051F041能夠滿足絕大多數(shù)工業(yè)測控節(jié)點的要求，能夠形成以C8051F041為核心的單片系統(tǒng)；配以外圍測量單元，可以形成完整的測控節(jié)點，提高系統(tǒng)的可靠性。
2 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。
在功率柜中最關鍵的部件是三相全控橋�？刂拼藰虻暮诵膮�(shù)觸發(fā)角度經(jīng)CAN總線由調節(jié)器送出，同時送達本地柜應發(fā)的電流值。經(jīng)檢測得到的輸出電流值與調節(jié)器的應發(fā)給定電流值進行比較，完成PI運算后產(chǎn)生新的微調觸角度。該觸發(fā)角度經(jīng)PCA形成觸發(fā)脈沖繼而驅動三相全控橋，從而在電子級實現(xiàn)柜間均流。與此同時，通過信號檢測模塊將柜內(nèi)溫度、晶閘管通斷狀態(tài)、輸出電流值送入微控制器，對各參數(shù)進行計算分析，與設定閥值比較，實時顯示測量結果并可進行報警。
2.1 基于PCA模塊實現(xiàn)的數(shù)字移相觸發(fā)
三相晶閘管全控橋工作原理及6個晶閘管的觸發(fā)脈沖相序關系如圖2所示。
PCA包含6個基于同一16位計數(shù)器作為時基的捕捉/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6種方式。在本系統(tǒng)中，其被構造成高速輸出模式，每當PCA計數(shù)器與模塊的16位捕捉/比較寄存器相匹配，相應模塊的CEX引腳的邏輯電平發(fā)生變化，并引起相應中斷。
觸發(fā)信號從同步信號過零點計時，調節(jié)器經(jīng)CAN網(wǎng)絡發(fā)送給各功率框觸發(fā)我的電角度值α、同步信號周期值TSYN、脈沖寬度W。同步信號采樣電路如圖3所示。同步信號過零產(chǎn)生中斷時，使PCA計數(shù)器開始計數(shù)，并根據(jù)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，并將Tα1～Tα6寫入6個模塊的16位捕捉/比較寄存器。當捕捉寄存器的值與PCA計數(shù)器相符時，CEX引腳變?yōu)楦唠娖�，相應模塊產(chǎn)生中斷。在中斷子程序中相應的TWN讀寫入16位捕捉/比較寄存器，其與PCA計數(shù)器值相符時，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計數(shù)器計數(shù)周期。
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