摘  要： 介紹了一種以51系列單片機(jī)為核心，以晶閘管為開關(guān)器件，輸出電壓連續(xù)可調(diào)的直流電源的硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程。該系統(tǒng)目前已應(yīng)用在某高校船舶電站模擬實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)行效果良好。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字觸發(fā)器；晶閘管；單片機(jī)；連續(xù)可調(diào)

　電源技術(shù)發(fā)展到今天，已融匯了電子、功率集成、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等多領(lǐng)域的技術(shù)[1-3]。早期的線性電源輸出可調(diào)范圍窄，應(yīng)用范圍受到很大的限制，自從20世紀(jì)80年代以來(lái)，開關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在郵電通信、軍事裝備、交通設(shè)施等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4]。本文介紹一種以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)數(shù)字觸發(fā)器以觸發(fā)晶閘管，通過(guò)晶閘管的開通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)電源電壓的變化[5]，最終實(shí)現(xiàn)輸出電壓連續(xù)可調(diào)的直流電源。該電源充分利用了單片機(jī)的強(qiáng)大功能，順應(yīng)了目前國(guó)外直流電源朝著數(shù)字化發(fā)展的趨勢(shì)，滿足輸出電壓寬范圍、可調(diào)的要求，并且該電源在軟件和硬件上都有很大的擴(kuò)展空間，在本電源的基礎(chǔ)上稍做變動(dòng)，就可以應(yīng)用在許多領(lǐng)域中。
1 可調(diào)直流電源的硬件設(shè)計(jì)
　可調(diào)直流電源的硬件原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件部分包括單片機(jī)模塊、按鍵設(shè)定電壓模塊、三項(xiàng)半控橋、數(shù)字觸發(fā)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、報(bào)警模塊和顯示模塊。

1.1 單片機(jī)模塊
　從經(jīng)濟(jì)、實(shí)用角度考慮，系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)，它是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且針對(duì)不同的需求向其他模塊發(fā)出控制信號(hào)和指示信號(hào)。應(yīng)用AT89S51實(shí)現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相半控橋中三個(gè)晶閘管的輪流觸發(fā)。
1.2 三相半控橋
　由于系統(tǒng)變壓器采用Δ/Y接法，所以本設(shè)計(jì)采用由晶閘管和二極管組成的三相半控橋。為了保證電路的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)晶閘管的選擇留有充分合理的裕量。電路中均考慮了過(guò)電壓、過(guò)電流情況下電路的保護(hù)問(wèn)題。由于電容兩端電壓不能突變，所以在晶閘管兩端加阻容元件，進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)。在三相中通過(guò)接快速熔斷器實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)。三相半控橋電路如圖2所示。

1.3 數(shù)字觸發(fā)模塊
　數(shù)字觸發(fā)模塊對(duì)于三相半控橋能否正常、有序地工作起到非常重要的作用。為了將本系統(tǒng)中強(qiáng)電和弱電分離開，采用光電耦合器進(jìn)行隔離，隔離電路如圖3所示。通過(guò)單片機(jī)輸出的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)晶閘管的有序觸發(fā)，如圖4所示。

1.4 數(shù)據(jù)采集模塊
　數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的電壓信號(hào)送入單片機(jī)，與單片機(jī)的設(shè)定電壓進(jìn)行比較，構(gòu)成一個(gè)如圖5所示的閉環(huán)。若輸出電壓與設(shè)定電壓不符，可通過(guò)軟件進(jìn)行輸出電壓調(diào)節(jié)。
1.5 報(bào)警模塊
　報(bào)警模塊分為聲音報(bào)警和光報(bào)警。電路正常工作情況下，無(wú)聲音提示，系統(tǒng)綠燈亮。若電路出現(xiàn)不正常工作情況，紅燈閃爍，發(fā)出“滴滴”警示音。
1.6 顯示模塊
　本系統(tǒng)采用液晶顯示，包括設(shè)定電壓值、當(dāng)前電流值。此外，可根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，在此顯示模塊上顯示相應(yīng)的提示信息，較以往的LED顯示有了較大的改善。
1.7 按鍵設(shè)定電壓模塊
　通過(guò)按鍵模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)本系統(tǒng)輸出電壓的設(shè)定。采用常規(guī)的44鍵盤即可。
2 可調(diào)直流電源的軟件設(shè)計(jì)
　電源在開始工作時(shí)，首先人為給定一個(gè)電壓值，此電壓值可從顯示模塊顯示。電壓經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入AT89S51單片機(jī)，通過(guò)該電壓值，單片機(jī)可讀出滿足要求的觸發(fā)角度，由輸出觸發(fā)模塊發(fā)出觸發(fā)脈沖觸發(fā)三相晶閘管，數(shù)據(jù)采集模塊采樣輸出電壓，并經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換送回單片機(jī)與給定值進(jìn)行比較。若給定電壓與輸出電壓不相同，則采用模糊PID進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，最終將輸出電壓穩(wěn)定在給定電壓值。在電源正常工作的情況下，如果給定電壓發(fā)生變化，則輸出電壓也隨著給定電壓變化，實(shí)現(xiàn)一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。

　本系統(tǒng)一共用了4個(gè)中斷，分別為定時(shí)器0中斷、定時(shí)器1中斷、外部中斷0、外部中斷1。由外部中斷1得到同步過(guò)零點(diǎn)，由外部中斷0采樣到的給定電壓值確定觸發(fā)角度，通過(guò)定時(shí)器1和定時(shí)器0在每個(gè)周期根據(jù)計(jì)算出來(lái)的觸發(fā)時(shí)刻分別觸發(fā)三相晶閘管。本系統(tǒng)中還采用了模糊自整定PID參數(shù)子程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)字濾波子程序以及延時(shí)程序等。在模糊自整定PID參數(shù)子程序中完成對(duì)PID參數(shù)的整定，在數(shù)字濾波子程序中通過(guò)算法得到與實(shí)際情況最符合的當(dāng)前采樣值。
　系統(tǒng)主要流程圖如圖6、圖7所示。

　本文所設(shè)計(jì)的輸出在0～250 V連續(xù)可調(diào)的直流電源，較其他的晶閘管裝置，本電源觸發(fā)電路簡(jiǎn)單、可靠，輸出穩(wěn)定，有效地將強(qiáng)電與弱電部分隔離開。目前該電源已應(yīng)用在某高校的船舶電站模擬實(shí)驗(yàn)室，將電壓調(diào)至180～220 V之間時(shí)，可通過(guò)接通啟動(dòng)電路帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載，并給電動(dòng)機(jī)提供穩(wěn)定不變的直流電壓；當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，調(diào)壓系統(tǒng)能夠保持發(fā)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載時(shí)系統(tǒng)輸出直流電壓不變。此外，該直流電源可同時(shí)給兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)供電并保持電壓不變，通過(guò)分別調(diào)節(jié)各臺(tái)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁，能夠達(dá)到粗同步并車的條件(即待并機(jī)組的電壓與運(yùn)行機(jī)組的電壓大小相等、待并機(jī)組的頻率與運(yùn)行機(jī)組的頻率數(shù)值相等)，將兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并車，從而達(dá)了到船舶電站實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各項(xiàng)要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 孫麗賢，梁新福.三相線路中大功率單相負(fù)載的一種有效平衡方法[J].大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，14(3)：36.
[2] 陳念軍，胡容強(qiáng)，柏俊杰.基于單片機(jī)控制的輸出連續(xù)可調(diào)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用，2006，25(4)：116-118.
[3] 王喜蓮，王旭東.高精度晶閘管電壓線性數(shù)字觸發(fā)[J]. 電力電子技術(shù)，2000，34(3)：40-42.
[4] 黃俊.電力電子變流技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.
[5] PILLAY P， KRISHNAN R. Modeling， simulation and analysis of permanent-motor drives， part I： the permanent-magnet synchronous motor drive[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1989，25(2)：265-273.