C8015F041在智能功率柜中的應用

摘要：簡(jiǎn)要介紹智能勵磁功率柜的概念及C8051F041單片機的特點(diǎn)；詳細論述基于C8051F041的智能勵磁功率柜的結構、原理及CAN總線(xiàn)通信的實(shí)現方法。該控制方案系統集成度高、硬件簡(jiǎn)單、工作可靠，具有良好的推廣價(jià)值。

隨著(zhù)發(fā)電機容量的不斷增大，對勵磁系統的要求越來(lái)越高。某省12年的統計表明，勵磁系統故障仍是發(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%。勵磁系統出現故障，將影響發(fā)電系統整體可靠性，可見(jiàn)勵磁系統的可靠性非常重要。國內目前使用的各類(lèi)勵磁調節器非常先進(jìn)，但功率柜的制造水平還不盡如人意，這勢必影響勵磁系統整體性能的提高，進(jìn)而妨礙升發(fā)電系統的性能。

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(shù)落后等問(wèn)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(diǎn)

C8051FXX系列單片機是美國Cygnal公司新推出的一種兼容51內核的單片機。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(diǎn)。

①內核采用流水線(xiàn)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(kāi)發(fā)過(guò)程非常容易；JTAG調試方式，支持在系統、全速、非插入調試和編程，不占用片內資源。

②片上集成64KB Flash，4352B內部RAM（256 4KB，可外擴至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，內部電壓基準，片內電源監視、降壓檢測、看門(mén)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Flash實(shí)現），大大簡(jiǎn)化了硬件電路，為形成以C8051F041為核心的單片系統創(chuàng )造了條件，從而可提高系統的可靠性。

③片內集成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(xiàn)控制器。CAN總線(xiàn)具有開(kāi)發(fā)費用低、抗干擾性強、適用于工業(yè)現場(chǎng)應用等特點(diǎn)，其在干擾非常嚴重各種工業(yè)現場(chǎng)測控領(lǐng)域得到廣泛應用。C8051F041只需加上CAN總線(xiàn)收發(fā)電路就可掛接到CAN通信網(wǎng)絡(luò )上，大大簡(jiǎn)化了通信系統的設計，同時(shí)可減少通信節點(diǎn)受到干擾的概率。

④可編程的16位計數器陣列（PCA），有6個(gè)捕捉/比較模塊，5個(gè)通用16位計數器/定時(shí)器。這為需求定時(shí)器/計數器較多的測控節點(diǎn)提供了方便。

⑤C8051F041能夠滿(mǎn)足絕大多數工業(yè)測控節點(diǎn)的要求，能夠形成以C8051F041為核心的單片系統；配以外圍測量單元，可以形成完整的測控節點(diǎn)，提高系統的可靠性。

2 智能勵磁功率柜的系統結構

智能功率柜系統原理框圖如圖1所示。在功率柜中最關(guān)鍵的部件是三相全控橋�？刂拼藰虻暮诵膮�數觸發(fā)角度經(jīng)CAN總線(xiàn)由調節器送出，同時(shí)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器的應發(fā)給定電流值進(jìn)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(dòng)三相全控橋，從而在電子級實(shí)現柜間均流。與此同時(shí)，通過(guò)信號檢測模塊將柜內溫度、晶閘管通斷狀態(tài)、輸出電流值送入微控制器，對各參數進(jìn)行計算分析，與設定閥值比較，實(shí)時(shí)顯示測量結果并可進(jìn)行報警。

2.1 基于PCA模塊實(shí)現的數字移相觸發(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位計數器作為時(shí)基的捕捉/比較模塊，每個(gè)模塊可構成正沿捕捉、負沿捕捉、正負沿捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸出、脈沖寬度調制器6種方式。在本系統中，其被構造成高速輸出模式，每當PCA計數器與模塊的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(guò)零點(diǎn)計時(shí)，調節器經(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(guò)零產(chǎn)生中斷時(shí)，使PCA計數器開(kāi)始計數，并根據α、W、TSYN及PCA計數頻率計算出α的對應值Tα1～Tα6和脈沖后沿的對應值TW1～TW6，并將Tα1～Tα6寫(xiě)入6個(gè)模塊的16位捕捉/比較寄存器。當捕捉寄存器的值與PCA計數器相符時(shí)，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(xiě)入16位捕捉/比較寄存器，其與PCA計數器值相符時(shí)，CEX引腳變?yōu)榈碗娖�，一路觸發(fā)單脈沖產(chǎn)生，用門(mén)電路可將6路單脈沖合為6路雙窄脈沖。下式為T(mén)α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計數器計數周期。

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