毕业设计144全数字电磁涡流刹车电源系统设计
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电气电子毕业设计论文
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毕业设计144全数字电磁涡流刹车电源系统设计,电气电子毕业设计论文
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1 目 录 第一章 概 述 . 1 1.1 设计背景 . 1 1.2 设计简介 . 2 1.2.1全数字电磁涡流刹车电源的工作原理 . 2 1.2.2主要设计内容 . 3 1.2.3设计思想 . 3 1.2.4拟采用的技术方案 . 4 1.2.5全数字电磁涡流刹车电源的技术指标 . 6 第二章 可控整流模块设计 . 7 2.1 相控整流主电路设计与计算 . 7 2.1.1主回路理论分析 . 7 2.2 晶闸管的选择和保护电路设计 . 11 2.2.1晶闸管的选择 . 11 2.2.2晶闸管的保护 . 12 2.2.3整流变压器的选择 . 17 2.2.4散热器的选择 . 18 2.2.5轴流风机 . 18 2.2.6直流稳压电源 . 18 2.2.7电流互感器的选择 . 19 2.3 晶闸管的触发电路 . 19 第三章 控制电路 . 21 3.1 PIC单片机 . 21 3.1.1 PIC16F877 的核心区 . 22 3.1.2 PIC16F87X 的外围模块区域 . 24 3.2 控制电路的外围模块 . 28 3.2.1同步电路 . 29 3.2.2移相触发 . 30 3.3 单片机控制器的软件设计 . 32 3.3.1A/D转换原理 . 34 3.3.2定时器 TMR1 的工作原理 . 37 第四章 安全报警系统 . 52 nts兰州理工大学毕业设计说明书 第五章 实验结果及其分析 . 55 结 论 . 58 参考文献 . 60 英文原文与翻译 . 61 致 谢 . 77 附录 A 元器件明细表 . 78 附录 B 系统主电路图 . 81 附录 C 系统控制电路图 . 82 nts 1 第一章 概 述 1.1 设计背景 电磁刹车是一种无机械摩擦的钻机辅助刹车 ,它利用电磁感应原理 ,将直流电通入电磁刹车的定子线圈 ,产生恒定磁场 ,在绞车下放重物时 ,电磁刹车的转子切割定子磁场的磁力线 ,从而产生感应电势、电涡流和制动转矩 ,这时司钻人员可用司钻开关调节电磁刹车励磁电流的大小 ,从而灵活地控制刹车的制动转矩、控制下钻的速度快慢 ,不用主刹车而完成整个下钻作业。电磁刹 车无摩擦、使用简便、维护工作量小 ,低速仍有较大制动转矩 ,是石油钻机理想的辅助刹车。然而 ,电磁刹车的制动力矩与定子励磁电流有关 ,如果失去励磁电流 ,电刹车的制动转矩将为零 ,这在下钻作业中是不允许的。因电磁刹车励磁电源故障、使刹车失去作用 ,而司钻人员又未发觉导致的事故并非罕见 ,轻则伤人伤物 ,重者可导致井毁人亡。因此 ,在使用电磁刹车时 ,一套安全可靠的励磁电源是至关重要的。在国外一些大石油公司的钻井安全操作条例中 ,明文规定 ,当电磁刹车的励磁电源缺少可靠的保证时 ,不得投入使用。 无论国产或进口的电磁刹车 ,根据其结构特点 ,均可近似为一台电枢回路短路的直流电机 ,励磁电流在定子线圈中产生恒定磁场 ,转子在外力拖动时产生感应电势和涡流 ,从而产生制动转矩 ,其大小为 nIKTm 22式中 ,T 为制动转矩 ;P 为定子磁极对数 ;mK为电磁刹车的结构系数2I为电磁刹车的励磁电流 ;n 为电磁刹车转子转速。从公式可看出 ,T2I,若2I=0,则 T=0,电磁刹车就失去了制动转矩 ,司钻人员下钻时控制游车的下放速度 ,就是控制电磁刹车的励磁电流。目前国产电磁刹车的配套电源多为 SCR 元件的半控整流桥方式 ,而进口电磁刹车 (如美国 )则采用直流 PWM 方式 ,但二者最终都是依靠控制励磁电流大小来调节刹车转矩的。目前各油田电磁刹车 ,在现场使用中普遍存在着一些问题 ,留有较多的不安全因素。 a)产品设计功能不全 ,缺少必要的安全报警措施。如交流失电、电源缺相 SCR 触 发器脉冲丢失或 SCR 元件损坏的故障报警 ,使得司钻人员无法及时发现电磁刹车的故障 ,给钻井作业带来不安全隐患 ,如在下钻时电磁刹车失电 ,司钻人员往往措手不及 ,易造成游车下砸事故。 b)老产品的可靠性设计较差 ,产品的工艺设计落后 ,老产品整个装置均是由分立元器件组成 ,电子元器件数量多、焊点多、功能单元多 ,由于野外钻井现场的工作环境恶劣 ,导致电气元件易损坏 ,系统故障率高。且因电子元器件数量多、线路复杂 ,造成现场维修技术难度高、时间长 ,且备品备件供应较难。近年来 ,国内一些油田和厂家针对电磁刹车电源的缺点 ,相继开发了一些新 产品 ,如电磁刹车安全报警置 ,取得了一定的应用成果 ,但并未从根本上解决电磁刹车电源所存在的问题。 nts兰州理工大学毕业设计说明书 2 针对目前电磁刹车电源的缺点 ,根据国内各油田钻井工作的实际情况 ,参照国外石油公司先进的钻井安全操作规程的要求 ,本人对电磁刹车做了系统的可靠性分析 ,在此基础上开发探索新一代的电磁刹车电源。根据电子产品的失效概率模型和实践经验 ,我们认为元器件数量多、电子元件的应力裕量小、是老产品故障率高的主要原因。鉴于野外作业的工作环境差 ,井队搬迁的运输条件恶劣 ,过大的振动和各种机械的应力常导致电子线路引线折断、焊点脱落、电子元件提前 老化失效。因此 ,采取了一系列技术措施 ,以提高新型电磁刹车电源的系统可靠性。 a)减少构成系统的功能单元数量 ,以减少故障率。老产品采用分立电子元件制作电子脉冲触发板 ,二极管 SCR模块、同步变压器、控制电源、 RC保护元件等单元 ,元器件总数达上百个之多。而新产品的设计 ,采用了国际上最先进的智能化集成功率模块 ,将元件总数减少了 80%,系统的可靠性则大为提高。 b)提高主回路元件的裕度 ,降低主要元件的工作应力。降额使用的功率模块故障率大大下降 ,平均无故障工作时间增长。 c)为满足现场工作的需要 ,增加了各种故障的报警 功能。如交流电源失电报警 ;三相电源缺相报警 ;功率模块故障报警 ;电磁刹车线圈超温报警。报警采用同时向司钻台操作工和配电房值班电工发出声光报警信号的方式。 电磁涡流刹车电源是石油钻机中电力刹车的配套装置，它与涡流刹车主体配套使用，在石油钻井作业中，实现刹车功能。在石油钻井作业中，一口井一旦开钻，就要继续工作，直到完成中途不能停车，因此刹车电源的可靠性十分关键。它的任何故障都会带来灾难性的后果，小到损坏部件，大则损坏整口井，因此设计一套可靠性高，系统响应快速性好的全数字电磁涡流刹车电源系统是很必要的。由电力电子器 件构成的中小规模集成电路触发精度差、故障频率高，故采用计算机软件控制很有必要。 晶闸管三相全控整流桥是全数字控制励磁电源的重要组成部分 ,采用 PIC 单片机发出触发脉冲克服了传统晶闸管模拟触发单元的响应时间长 ,触发角不可大幅变化和可靠性差等缺陷 ,且计算简便 ,响应速度快 ,抗干扰能力强 ,占用系统资源少。本系统的核心控制器是 PIC16F877,它具有集成程度高 ,运算速度快等优点 ,整个刹车系统结构简单、可靠性高、调节精度高和响应速度快。 1.2 设计简介 1.2.1 全数字电磁涡流刹车电源的工作原理 全数字电磁涡流刹车 电源系统可划为这样的过程 : 交流变直流过程即电源的整流滤波电路，整流滤波采用整流桥全波整流、电容滤波，使得输入的交流 380V/50Hz 电网交流电压经整流和滤波后，变成 50Hz的直流脉动电压。在输出功率一定的情况下，增大滤波电容的容量可以减小脉动幅度，最后形成直流输出。 nts 3 由司钻开关来改变给定电压来改变整流电路的移相触发角，从而改变直流输出。这一部分由单片机来实现。 控制电路的工作原理是：三相全控桥的整流采用正弦波同步移相整流方式；主芯片选用 PIC单片机，将司钻开关的输出值 0 5V， PIC单片机的 A/D转换输入 （ 00 FF）与可控硅的导通角区域（三相整流时为 0 120）一一对应；司钻开关通过控制单片机的A/D转换值来控制整流输出的，整流输出从 0 310V全程可调。 1.2.2 主要设计内容 由于刹车系统是通过调节励磁电流的大小从而灵活地控制刹车的制动转矩，电源设计为电压 0 310V连续可调，电流 0 85A连续可调。主要设计以下几个方面内容： 三相可控整流主回路 单片机控制电路 司钻开关及给定电路设计 断水保护部分 报警部分 短路、过流保护部分 1.2.3 设计思想 电源设计分为三大块： 主回路、 三相电源220-380v 可控 整流 AC/DC 保护电路 司钻开关 电磁刹车励磁绕组 逻辑控制及保护 三相电源进线保护及控制 温控及报警 图 1.1 系统原理图 nts兰州理工大学毕业设计说明书 4 控制回路 保 护单元 主回路采用三相可控硅整流，控制回路采用单片机，系统原理框图如上图 1.1： 1.2.4 拟采用的技术方案 主电路为可控整流电路。三相半控桥、三相全控桥的整流采用正弦波同步，移相整流方式；对于三相不控桥作整流， IGBT 斩波电路实现调压均可实现可控整流，但 IGBT的价格比较昂贵。 由可控硅的整流电路性能指标可知：对于电磁涡流刹车这样的大功率场合，三相全控桥整流电路的性能最好。故设计中主电路选择三相全控桥整流电路。主电路的保护：选用压敏电阻吸收交流侧的过电压。用于吸收持续时间较长，能量较大的尖峰过电压；过流 保护采用三相进线串入快速熔断器；六个晶闸管两端出现的尖峰过电压采用阻容吸收元件，以防止元件过压击穿。系统主回路图见下图 1.2 图 1.2 主回路电路图 其控制触发单元可选用双窄脉冲或宽脉冲触发。双窄脉冲触发电路可以减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁芯体积；用宽脉冲触发，虽然脉冲数减少了一半，但为了不使脉冲变压器饱和，其铁芯体积要做的大些，又使装置变复杂；故在本次设计中选用双窄脉冲触发。全控 桥式整流主要通过改变晶闸管触发相位的方法来调节母线电压的高低，此时需要检测三相交流电压的相位以实现同步触发 . 控制部分 : 1通过软件编程来控制 TCA785 移相电压的大小 ,能克服通过电位器来调节移相电压从而达到调节触发脉冲延迟角而造成的误差。通过单片机或微机编程来调节移相电压的大小 ,进而实现对触发延迟角的精确动态控制。 nts 5 图 1.3 TCA785 内部电路 TCA785 芯片主要用来产生触发脉冲 ,并且通过调节该芯片管脚 11 上的移相电压来控制触发脉冲延迟角。该芯片的内部 电路简图如图 1.3所示。 TCA785 芯片的工作原理 :首先由 R9 和 Us 组成的电路对 C10 充电 ,当检测到同步电压 (管脚 5)的过零点时 ,C10 通过放电三极管放电 ,于是就在管脚 10上得到了如图 1.4所示的锯齿波波形。 U11为移相电压 ,它和管脚 10 的锯齿波通过比较来确定是否输出脉冲 ,从而控制脉冲的延迟角。 14脚和 15脚相位相差 180 ,用户可根据需要选择。 TCA785芯片的几个主要管脚的波形如图 1.4所示。 图 1.4 TCA785 几个主要管脚的电压波形 nts兰州理工大学毕业设计说明书 6 采用了可编程的 DAC0832 和运放 F007 来控制 TCA785 的管脚 11 上的移相电压。触发板和一个脉冲变压器相联接 ,输出的脉冲就可以直接触发晶闸管。此触发板与单片机和微机的接口形式可以根据实际应用中的控制装置的不同而自由选取。 L为触发板的禁止端 ,低电平有效。 移相电压和锯齿波之间的交点决定了触发脉冲的位置。为了保证精度 , 必须确定移相电压和触发角的关系式。图 1.4中将移相电压和触发角的关系近似为线性关系 , 但实际上管脚 10 的锯齿波波形并不是理想的锯齿波 , 如果按照线性关系处理的话会造成一定程度的偏差。解决该问题的方法有曲线拟合法、插值法等。 2.选用 PIC单片机 输出脉冲经过脉冲隔离变压器将其隔离，将司钻开关的输出值 0 5V， PIC单片机的 A/D转换输入（ 00 FF）与可控硅的导通角区域（三相整流时为 0-120）一一对应；司钻开关通过控制单片机的 A/D转换值来控制整流输出的。 考虑到精度和编程的难易程度 , 我们选择以 PIC单片机为核心，再配合其它必要的外围电路组成，实现移相触发，过流以及冷却水断水等保护。给定是通过司钻开关实现的，（将 AC220v变为 AC24v）触发脉冲的产生利用放大电路进行放大采用脉冲变压器隔离，以提高系统可靠性。 1.2.5 全数字电磁涡流刹 车电源的技术指标 1、设计出输出随给定变化连续可调的直流电源系统； 2、利用 PIC 单片机控制 ,实现移相触发、过流保护（超过 85A）、和故障报警显示等其他一些辅助功能； 3、输入电压 AC380V,50HZ,输出电流 0 85A 可调； nts 7 第二章 可控整流模块设计 可控整流采用三相全桥晶闸管整流，晶闸管驱动信号由控制模块提供，本章主要讲述整流电路设计计算、晶闸管的选择与保护电路设计和晶闸管的驱动电路设计。 可控整流模块设计指标如下 : 输入：主电路输入三相 380V电压； 门极驱动电路输入六路晶闸管驱动脉冲信号； 输出电压： 0一 310V 直流可调； 电流： 0 85A直流可调； 可控整流具有软启动功能，直流输出母线寄生电感尽量小等。 此外还要给控制模块提供电流、电压信号。 2.1 相控整流主电路设计与计算 2.1.1 主回路理论分析 三相全控桥晶闸管整流主电路如下图，图中 V1 V6 为晶闸管， C1 一 C6 为吸收电容， R1 R6为吸收电阻。 图 2.1 三相全桥晶闸管整流电路 由图 2.1电路可以看出，在任意时刻电路必须有两个晶闸管同时导通，其中 一个属于共阴极组，另一个属于共阳极组，每个晶闸管的最大导通角为 120。晶闸管之间的换相是在同一结构组中进行的，即共阳极与共阳极的晶闸管换相，共阴极与共阴极的晶闸管换相。 在这种电路中般采用双脉冲或宽脉冲的触发方式保证每隔 60导通一个晶闸管，触发电路设计在后面章节给出。 下面分别讲述可控整流电路在阻性和阻感性负载情况下输出与输入的关系。 nts兰州理工大学毕业设计说明书 8 1.带电阻负载的工作情况 图 2.2为在触发角为 时的电路波形。 Ud1为相电压波形， Ud2 为线电压波形。由波形对应关系可以看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的 交点。由于输出整流电压为共阴极组中处于通态的晶闸管对应的相电压与共阳极组中处于通态的晶闸管对应的相电压的差，因此输出电压为线电压在正半周期的包络线 (图中2dU )。 从图中可以看出，当 0 60时，输出电流连续； 当 60 120”时，输出电流不连续 ;当 =120时输出平均电压为零，所以应该分别对待。 图 2.2 三相全桥整流电路带阻性负载在触发角为 时的波形 （ 1） . 当 0 60时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时 dU 波形不出现负的部分，而阻感负载时，由于电感的作用， dU 波形会出现负的部分。在 =90时，若电感足够大， dU 中正负面积将基本相等， dU 平均值近似为零。 nts 11 在以上的分析中已经说明，整流输出电压 dU 的波形在一周期内脉动 6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是带阻感负载时，整流 输出电压的平均值为： ）（ ttdUU d s in6312323 = cos34.2 2U 输出电流平均值为RUI dd 。 本设计整流电路在工作过程中会产生很大的谐波，对电网造成干扰。考虑到设计的重点，在论文的设计调试过程中，没有对谐波的产生做深入的研究，本文不再分析。 2.2 晶闸管的选择和保护电路设计 2.2.1 晶闸管的选择 晶闸管的选择是保证晶闸管工作在其安全工作区内，主要包括额定电压、额定电流。 1、 闸管额定电压RRMV确定晶闸管额定电压时，考虑到晶闸管在恢复阻断时引起的换相过电压，以及在操作和事故过程中产生的各种过电压影响，额定电压必须留有 (2一 3)倍的余量。即 RRMV=(2 3)MV其中MV为晶闸管承受的最大正反向峰值电压，在本设计中 由于dU在 0 310V可调，dI在 0 85A可调。 设 LR ，则输出电流波形近似为一条水平直线，即 I=dU/R dU在 0-310V可调，dI在 0-85A可调，则流过 SCR的电流有效值为： 02232 151 3( ) 4 5 . 622T d dI I d t I A 晶闸管的通态平均电流： ()4 5 . 6( 1 . 5 2 ) 2 5 8 . 0 91 . 5 7 1 . 5 7TT A VIIA SCR承受的反向电压为： 取裕量为 2，则晶闸管选额定电压为 1200V，额定电流为 120A。 22 3 6 2 5 0 6 1 2 . 3R M lU U V nts兰州理工大学毕业设计说明书 12 2.2.2 晶闸管的保护 晶闸管承受过电流和过电压的能力较差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏，但不能完全根据装置运行时可能出现的暂时的过电流和过电压数值来确定器件参数，还要充分发挥器应有的过载能力。另外，晶闸管在使用中，因电路中电感的存在而导致换相过程产生 Ldi/dt，或系统自身出现短路、过载等故障 .所以要做好晶闸管的过电压、过电流保护。 2.2.2.1晶闸管的过电压保护 1交流侧过电压阻容保护 下图 给出阻容保护常用的接线图，其中电阻 R、 C用下面关系式近似计算 : 2202 . 3 ( )VVR SI 20 26 ( )SCI V常见的晶闸管过电压有交流侧过电压和直流侧过电压，对这些过电压的主要处理措施如下图所示 交流侧 整流回路 直流侧 A为接地电容 B为阻容保护 C为器件侧阻容保护 图 2.3 晶闸管采用的几种过电压保护 式中： 2V 整流变压器的阻抗电压，以额定电压的百分数表示，对于本设计，2V= 4%一 10%; I。 变压器空载电流，以额定电流的百分数表示，对于本次设计， Io=4%一 10% 2V 变压器一次相电压有效值 (V)； S 变压器每相的平均视在 容量 (VA)； 阻容保护三角形联接时，电容器的电容量小但耐压要求高联接时，电容器的电容量要nts 13 大，但耐压要求低、电阻值也小通常增大 C能降低作用到晶闸管上的过电压 Ldv/dt但过大的 C值不但增大体积而且使 R的功率增大，并使晶闸管导通时的 di/dt升。增大电阻 R有利于抑制振荡，但过大的 R不仅使抑制振荡的作用不大，反而降低了电容抑 Ldi/dt效果。使 R的功耗增大，并使晶闸管导通时的 di/dt上升。增大电阻 R有利于抑制振荡，但过大的 R不仅使抑制振荡的作用不大，反而降低了电容抑制 Ldi/dt的效果， 212RY m RmA L I并使 R的功率增大，所以一般希望 R小一些 (约 5-100)。为降低电阻的温度电阻功率应选电阻伤科消耗功率值的 2倍左右。 a交流侧的阻容保护星型接法 b交流侧的阻容保护三角形 图 2.4 交流侧阻容保护接法 电阻 R的功率近似计算： 2 2 22 1 2 2( 2 3 ) ( 2 ) ( ) ( 1 2 ) ( 2 ) ( ) Rf C R C V P f K C R K C V 其中 ： C、 R 选用的交流侧保护电容和电阻 f 电源频率 ; 2V 变压器二次相电 压有效值 ; 系数 (2-3) 和 (1-2) 考虑降低电阻温度和电网电压身高等因素时取大的数值 ， 考 虑缺口电压作用下电阻和线路其他部分分担损耗时取小的值 ; K1 对于三相电路 ， K1=3, K2一一对于三相桥式电路在阻容保护三角形联接时， K2=300; 2过压吸收器（压敏电阻） 压敏电阻是一种新型的过压保护元件，它是一种由氧化锌和氧化铋等构成的非线性半导体元件，正反向伏安特性都很陡，在没有击穿时漏电流极微（几十微安），而且它的容量很大，可以通过几 KA的浪涌电流，所以一种较理想的过压保护元件。 作用 ：吸收由于雷击等原因产生的能量较大，持续时间较长的过电压。 优点：压敏电阻具有正向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流（ 1mA），过电压时，压敏电阻可通过高达数千安的放电电流，将电压抑制在允许的范围nts兰州理工大学毕业设计说明书 14 内， 并具有损耗小，体积小，对过电压反应快等优点。因此是一种较好的过电压元件（金属氧化物材料）氧化锌烧结而成 。 缺点：持续平均功率太小，（仅数瓦），如果选择不当，则因电压超过额定电压极易损坏，损坏时产生的电弧极易波及临近的电气设备，造成事故扩大化 。 压敏电阻选择步骤： (1)额定电压 1mAU（即漏电流 1mA时的电压） 121 . 3 3 21 . 3 3 2 3 2 5 08 1 4 ( )m A lUUV 1mAU：压敏电阻额定电压（ V） 2lU：变压器二次侧线电压有效值（ V） （ 2）泄放电流初值 三相变压器时， 23 2 5 . 4 8 ( 0 . 3 )2R M Z O ZI K I K 取ZK：能量转换系数，与断路器类型 有关，空气断路器为 0.3 0.5，油断路器为 0.1 0.3， 2ONI 三相变压器空载电流有效值 （ 3）最大电压RMU1RM R RMU K I (Kr：元件的特性系数 a：压敏元件的非线性导数一般选在 225之间 ) 若 =20时，RK=1.41mAU=1.4 1000=1400 过电压倍数：22RNgulUK U 过电压倍数应不小于 SCR电压储备系数 （ 4）计算和校验压敏电阻的能耗 1 . 0 5 612 6 . 5 1 0 ( )m A P mA U I JPmI：压敏的通态容量 通流容量是指：在规定的波形（浪涌冲击电流前沿持续时间内，允许通过的浪涌峰值电流）。 对三相变压器 ： 2R Y m R mA L I RmI 泄放电流初值（ A） 对单相变压器 ： nts 15 212R Y m R mA L I 变 mL 压器每相励磁电感 (H) （ 5）经验公式：压敏电阻在三相桥式电路中， 710VUr 时，输出为高电平 UOH。图 3.4b为其传输特性。 图 3.4 比较器及其其传输特性 3.2.1 同步电路 所谓同步 ,就是通过供 给各触发电路不同相位的交流电压 ,使得各触发器在晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲，从而保证各晶闸管可以按顺序获得触发。这种使触发电路与主电路晶闸管工作上步调一致的方法就称为同步。使触发电路与主电路工作同步并能在规定范围内进行移项控制的信号电压称为同步电压。为按照一定的顺序触发可控硅 ,该触发器设置有三相同步信号 (加上各自反相共六相 )。三相交流电压分别加到 3个过零比较器 ,分别产生三相 50Hz 方波信号。为保证当 A=0 时在自然换流点触发 ,同步信号必须滞后交流电压波形 30。在电路中 ,A相的同步信号采用 AC相线电压产生 的方波。在相位上自然有 30的相位差 ,满足了触发相位的要求。同理 ,B相的同步信号采用 BA相 ,Cnts兰州理工大学毕业设计说明书 30 相的同步信号采用 CB 相。下图为同步电路 ,同步信号取自三相交流电源的 +A相 ,经过变压器在副边输出系统所需电压值 ,通过运算放大器 LM339 使得在输入电压每次过零时运放输出一个矩形波 ,输送到 PIC单片机 PORTB端口 RB0口引脚中。利用 RB端口电平变化中断的特点 ,在 RB0端口出现上升沿时可产生中断。在 RB0端口中断服务程序中启动 PIC单片机内部 A/D 采样移相控制信号 ,根据 A/D 的转换数据计算触发角。 图 3-5 同步电路 3.2.2 移相触发 1.A/D 转换电路 司钻开关将 220V 的相电压降为 0-24V 可调交流电压再经过整流电路、滤波电路、RP1 分压以及 R3 分流进入单片机。司钻开关通过调节 RA0 口输入电压，来改变 A/D 转换的值。具体电路图如 下 ： 图 3-6 A/D转换外围电路（ 司钻给定） 当司钻调到最大 +24V 时，调节偏移电位器 RP1，使其输出为 5V,从而实现司钻开关的调节功能。 2.隔离技术 nts 31 隔离首先可把外来的干扰信道切断，达到隔离现场干扰的目的；其次可将两条信号线隔开，使彼此之间的串绕尽可能减小。常用的隔离方式有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离和布线隔离等。 （ 1） 光电隔离：由光电耦合器件来完成，以光为自载体进行信号传输，具有较高的电气隔离和干扰抑制能力。 （ 2） 磁隔离：将微弱信号电路予以产生噪声污染的电路分开布线，信号线与强电控制线、电源线分开走线，相互间要保持一定距离。配线时应以数字、模拟、功率等区域划分，以减小彼此之间的电磁干扰 。 为了避免由于系统和外电路直接连接而造成的干扰，单片机系统一般要和外电路彼此隔离开。隔离的方法采用常规的磁隔离方法。 1.变压器隔离 线性信号的磁隔离主要是利用隔离变压器构成的。放大器的输入端和输出端之间用变压器隔开，它们有各自的供电回路，因此彼此之间是隔离的。输入信号经过运算放大器放大后，被调制成交流信号，并通过隔离变压器中的交变磁场由初级耦合到次级。在次级，解调器把信号解调出来后通过输出运算放大器输出。变压器耦合隔离放大器，主要用于模拟信号的隔离。 2.脉冲信号的隔离 在实际应用中，单片机系统通常要接 受一些数字信号（如计数脉冲），而在外部进行控制时，也常要送出一些控制脉冲信号（如晶闸管触发脉冲）。脉冲信号可通过脉冲变压器隔离传送。 脉冲驱动电路包括脉冲放大器 (场效应管 )和脉冲变压器。当 PORTC端口输出脉冲链信号时，场效应管进入导通状态，脉冲变压器原边得到 +24V 电源电压，副边得到的信号为 +10V 尖峰脉冲，它可以用作晶闸管的强触发脉冲，加快其导通速度，从而提高了触发的可靠性。而后脉冲变压器的副边得到持续的幅度较低 (+7.5V)的高频调制脉冲，继续给晶闸管提供触发脉冲，以提高电流断续时晶闸管工作的稳定性，同 时可以降低驱动电路的功率等级。由于采用脉冲链形式，避免了脉冲变压器的直流磁化，同时降低了驱动电流。脉冲隔离电路如下图示： 图 3.6 脉冲隔离电路 nts兰州理工大学毕业设计说明书 32 3.3 单片机控制器的软件设计 该控制器使用 PIC 的汇编语言编程，整个系统程序设计分主程序模块和几个子程序模块。它们是 : 主程序模块 A/D转换子程序 中断（ 同步信号检测）子程序 触发脉冲子程序 故障处理子程序 主程序流程框图所示： 主程序的工作是对各个功能模块的子程序不断进行循环调用，从而完成整个系统的工作。其各个子程序功能模块工作过程描述如下： （ 1）系统初始化：对系统 I/O口进行设置，将 PORTC、 PORTD设置为输出口，将PORTA、 PORTB、 PORTE 端口设为输入口。设置 A/D转换为 8分频采用右对齐一个 A/D输nts 33 入通道，允许外部引脚产生中断，开放中断使能位，将内部定时器 TMR1 设置为关闭，不采用分频。 （ 2） A/D 转换子程序：主程序调用运行 A/D 转换子程序，首先启动 A/D 转换，为了使转换结果精确，等待 A/D转换 8次以后 ，求平均值作为 A/D结果。 （ 3）故障处理子程序：当输出电流超过 0-85A 的范围以后，主程序判断为有故障，进行故障处理 （ 4）中断子程序：当中断发生时执行该程序。发生中断时，启动定时器 TMR1，定时器 TMR1溢出时，向晶闸管发触发脉冲。 各子程序流程图件下页： A/D 转换子程序 nts兰州理工大学毕业设计说明书 34 脉冲触发子程序返回R C 4 ， R C 5 端 口 清 零 ， 延 时 1 0 R C 5 ， R C 0 端 口 置 ， 延 时 5 0 R C 3 ， R C 4 端 口 置 ， 延 时 5 0 R C 2 ， R C 3 端 口 置 ， 延 时 5 0 R C 0 ， R C 1 端 口 置 ， 延 时 5 0 R C 1 ， R C 2 端 口 置 ， 延 时 5 0 R C 0 ， R C 1 端 口 清 零 ， 延 时 1 0 R C 1 ， R C 2 端 口 清 零 ， 延 时 1 0 R C 2 ， R C 3 端 口 清 零 ， 延 时 1 0 R C 3 ， R C 4 端 口 清 零 ， 延 时 1 0 R C 4 ， R C 5 端 口 置 ， 延 时 5 0 R C 5 ， R C 0 端 口 清 零 ， 延 时 1 0 初始化子程序返回定时器初始化R 0端 口 上 升 沿中断初始化初始化口初始化转换3.3.1A/D 转换原理 A/D转换器能将一个模拟输入信号转换成相应的 8位数字信号。采样保持输出是转换器的输入， A/D转换器采用逐次逼近法产生转换结果。通过软件设置，模拟参考电压可以选择为器件的正向电源电压 (VDD)或 AN3/VREF 引脚上的电平。 A/D 转换器具备可在休眠状态下工作的独特特性。 A/D转换器有 3个寄存器，它们是： nts 35 A/D结果寄 存器 (ADRES) A/D控制寄存器 0(ADCON0) A/D控制寄存器 1(ADCON1) ADCON0 寄存器，如图 3-6 所示，控制 A/D 模块的操作。 ADCON1 寄存器，如图 3-7所示，可对端口的引脚功能进行配置。这些端口可被配置成模拟输入 (或作为参考电压 )或数字 I/O口。 图 3 6 基本型 8 位 A/D 转换器结构图 ADRES寄存器中保存了 A/D转换的结果。当 A/D 转换完成之后，转换结果被载入ADRES寄存器， GO/DONE(ADCON0)位被清零，且 A/D中断标志位 ADIF 置 1。 A/D模块的结 构框图见图 22-1。当配置好 A/D 模块后，在启动转换前必须先选择 A/D 转换的通道。模拟输入通道的相应 TRIS 位必须设置为输入。采集时间（ acquisition time）的确定参见“ A/D 采集时间要求”小节。在这一采集时间过去之后， A/D 转换即可开始。按照以下步骤进行 A/D 转换： （ 1）配置 A/D模块 对模拟引脚 /参考电压 /数字 I/O(ADCON1)进行配置 （ 2）需要时，设置 A/D中断 ,将 ADIF位清零、将 ADIE位置 1、将 GIE位置 1 （ 3）等待所需的采集时间 （ 4）启动 A/D转换 将 GO/DONE 置 1(ADCON0) （ 5）等待 A/D转换完成，通过以下两种方法之一可判断转换是否完成： 查询 GO/DONE 位是否被清零；或等待 A/D转换的中断。 （ 6）读取 A/D结果寄存器 (ADRES)，需要时将 ADIF位清零。 nts兰州理工大学毕业设计说明书 36 （ 7）要再次进行 A/D 转换，根据要求转入步骤 1 或步骤 2。每一位的 A/D 转换时间定义为 TAD。在下一次采集开始前至少需要等待 2TAD。图 3-7 为 A/D 转换顺序及所使用的术语。采集时间是 A/D模块的保持电容连接到外部电平的时间。随后是 10TAD的转换时间，开始于 GO 位被置 1。这两段时间的总和即采样时间 （ samplingtime）。为确保保持电容充电至适当电平以使 A/D转换达到所需精度，应保证一个最小采集时间。 图 3 7 A/D 转换时序 A/D 精度 (误差 )： 在器件频率较低的系统中，最好使用 A/D 模块的 RC 时钟；在中高频 TAD 满量程误差、偏移误差和单一性等所有误差的总和。它定义为任意数码的实际转换值和理想转换值之间的最大偏差。当 VDD=VREF 时， A/D 转换器 (在器件的规定工作范围内 )的绝对误差为 )和同步控 制位 T1SYNC 来决定的（如图 3-9）。在定时器模式下， Timer1 在每个指令周期递增。而在计数器模式下， Timer1在 T1CKI引脚上外部时钟的每个上升沿递增。 Timer1可以通过 TMR1ON(T1CON)控制位来打开和关闭。 Timer1还有一个内部“复位输入”，可由一个 CCP模块产生。 Timer1可以外接晶体振荡器，当 Timer1的振荡器被使能 (T1OSCEN位置 1)时， T1OSI和 T1OSO引脚设定为输入引脚。这就是说，其相应的 TRIS值被 图 3-9 Timer1结构图 Timer1的控制寄存器 寄存器 12-1显示了 Timer1控制寄存器 寄存器 12-1:T1CON:Timer1 控制寄存器 bit 7:6 未用 :始终读为 0 bit 5:4 T1CKPS1:T1CKPS0:Timer1 输入时钟预分频比选择位 11=1:8 预分频比 10=1:4 预分频比 01=1:2 预分频比 nts 39 00=1:1 预分频比 bit3 T1OSCEN:Timer1 振荡器使能位 1=振荡器被使能 0=振荡器被关闭。振荡器的反相器和反馈 电阻被关断，以降低功耗 bit2 T1SYNC:Timer1 外部时钟输入同步控制位 当 TMR1CS=1 时 : 1=不同步外部时钟 0=同步外部时钟 当 TMR1CS=0 时 : 此位被忽略。 TMR1CS=0时 Timer1 使用内部时钟。 bit1 TMR1CS:Timer1 时钟源选择位 1：选择 T1OSO/T1CKI引脚的外部时钟 (上升沿计数 ) 0：选择内部时钟 (FOSC/4) bit0 TMR1ON:Timer1 使能位 1：使能 Timer1 0：关闭 Timer1 A/D 转换结果、定时器 TMR1 的初值 、移相角 之间的关系计算： 移相角 的移相范围是 15 120，所对应的延时时间为 T1= sms 3.8338 3 33.02036015 T2= sms 6667667.620360120 定时器 TMR1的定时时间为： )6 5 5 3 6(1 MT 对应 min 的定时器初值为： 647031 M 对应max的定时器初值为： 588692 M 设定时器的初值和 A/D 转换反值的线性方程为： BANM 当 N=0时， 58869M 当 N=256时， 64703M nts兰州理工大学毕业设计说明书 40 解上述方程得： 23A ； 58869B ； 将其化为 16进制数，即： 5517 FENM 系统软件程序： LIST P=16F877 INCLUDE P16F877.INC * 定义变量 * N EQU 20H M EQU 21H X EQU 22H RLTH EQU 23H RLT EQU 24H SOUH EQU 25H SOU EQU 26H TEMP1 EQU 27H CNT EQU 28H TEMP2 EQU 29H TEMP3 EQU 2AH TEMP4 EQU 2BH Y EQU 2CH ZZ EQU 2DH ADL EQU 2EH ADH EQU 2FH _W EQU 0CH _STATUS EQU 0DH NN EQU 0EH MM EQU 0FH ORG 000H GOTO MIANLINE ORG 004H *中断子程序 * nts 41 INT_SERV MOVWF _W ；保护 W SWAPF STATU
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