基于單片機模糊控制的晶閘管直流調壓系統的設計與實現

王一涵

（綏化學院，黑龍江綏化152061）

基于單片機模糊控制的晶閘管直流調壓系統的設計與實現

王一涵

（綏化學院，黑龍江綏化152061）

本設計以單片機為線索，結合模糊控制思想，著重介紹了MCS-51系列單片機控制的控制角可調整的三相半控橋可控硅整流觸發器。由于其成本低廉、電路連接簡單，且參數調整方便、控制系統絕佳，具有一定的經濟價值和使用價值。

單片機；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稱，它的內部結構組成是PNPN四層半導體結構，有三個極，分別為陽極、陰極以及門極。在本設計系統中，將晶體管內部的四層半導體結構分別命名為P1、P2、N1、N2。然后由P1區引出陽極，記為A，陰極由N2區引出，記為K，而門極，則有P2區引出，由此，四個區就形成了從J1到J3的三個PN結。由于陽極高于其陰極，所以將正向電壓加之于器件之上；待反向電壓價值于器件上時，此時的J1、J3兩PN結處于反向偏置，該器件整體會處于被阻斷的狀態，期間只有極其小的電流會通過。由于其晶閘管能夠在大電流或高電壓的狀態下工作，因此常被用于交流調壓、可控整流、無觸點電子開關等電子電路之中。

1.2可控整流電路

當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點主要有調節方便、線路簡單，缺點就是僅適用于小功率的場合。在本設計中，由于要考慮到三相負載的平衡性問題，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上，通過對經濟性的考慮，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。在本設計之中，主電路部分為三相橋式半空整流電路，它是之后設計的重要組成部分之一。

2　模糊理論及模糊PID控制系統

2.1針對于模糊理論的簡介

模糊控制理論從問世至今已發展了20多年，如今，被廣泛應用到化工、冶金、電力等多個工業部門，并取得了可喜成績。模糊控制理論由美國的L.A.Zadeh所創立，它利用了模糊數學的基本理論和基本思想，將傳統的復雜的控制理論變得更為簡單，使用起來更為理想。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果，基于如此的理論，就可較為簡單地實現簡化控制系統的目的。

2.2模糊自整定PID參數控制系統

顧名思義，就要采用模糊控制思想，使用其控制規則，以達到實現調節PID參數為目的的一種控制方法。這里模糊控制所給出PID參數的最終推理結果，是PID參數處于不同實時狀態之下的情況。

在本設計之中，模糊控制理論的主要作用就是用于計算出K1、Kp、KD三者的值。一般所得結果是非線性的，所以采用模糊控制理論來處理這些結果要合適方便得多。在使用模糊理論時，首先將非線性的系統進行模糊化處理，然后運用模糊理論中的模糊推理方法，得出所要結果，最后再將所要結果精確化，即進行反模糊化處理。

3　系統硬件的設計

3.1主電路的設計

3.1.1三相橋式半控整流電路的設計

A.負載所需的額定電壓U0，選取220V。B.負載所需的額定電流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的三相電源經過空氣開關，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電網的破壞）。

3.1.2保護電路的設計

3.1.2.1過電壓保護

即通過對每一個晶閘管的兩端增加阻容，使其實現保護作用。因為電容兩端的電壓不可能發生瞬時轉變，因此，通常采取限制變壓器次級的電壓變化率，進而避免了瞬時電壓發生上升的現象。同時，串聯在電路中的電阻可以消耗掉電路中的一部分能量，也可起到過電壓保護的作用。在本設計之中，電容C的選取為0.22μF，阻容保護參數的電阻R在系統中選取24Ω。

3.1.2.2過電流保護

方法有很多，比如限定輸出總功率、電流恒定不變，電壓下降，還有復合型、回卷形等。經綜合考慮，最終選擇快速熔斷器來完成對過電流的保護。由于快速熔斷器的一項基本特性就是實現快速熔斷，其熔斷的時間極短，一般都超不過10ms，因此，如果系統電路中一旦出現過電流，熔斷器變化立刻熔斷，從而實現過電流保護的作用，對保護晶閘管有一定的積極意義。

3.2控制電路的設計

3.2.1程序存儲模塊

在系統設計中，選擇MCS-51系列的單片機為設計基礎。由于此機器本身所具有的程序存儲器空間為64KB，但8031單片機內部并沒有相應的程序存儲器，因此，本設計需要對程序存儲器進行必要的擴展。選取了2764芯片，從而進一步的實現程序存儲器的擴展。

3.2.2RAM的擴展

受到當前科技水平的限制，集成電路的集成度無法明顯提高。導致當前的單片RAM的容量普遍比較有限，對于一個較大容量的存儲系統，往往會用到多個RAM。但在程序運行，進行讀/寫操作時，僅需要對其中的某一個或某幾個RAM進行操作即可。在本次的系統設計中，所選擇的RAM擴展芯片為8KRAM 6264。

3.2.3數據采集模塊

在此次數據采集模塊設計中，要完成的功能有采集實際的電壓值與收集給定的電壓值，然后通過數模轉換技術，最終傳送至單片機之中。進入單片機后，首先在其中進行比較，得出實際的電壓值與給定電壓值之間的偏差變化率和偏差。此外，對于實際量的采集，選用的芯片為ADC0809芯片。其下圖為ADC0809的接線圖，即為數據采集模塊的電路圖，如圖所示。

圖ADC0809接線圖Fig.ADC0809 wiring diagram

3.2.4反饋傳輸模塊

在進行電路設計時，需要考慮將弱電部分與強電部分進行分離，將單片機部分與模擬信號部分進行分離。所以在該系統設計中，采用了線性光電耦合器，從而有效的解決了以上所敘述的問題。在反饋傳輸模塊中，所選擇的線性光電耦合器為HCNR200型號。注意，在模擬信號隔離電路的設計時，要在HCNR200型號的耦合器前增加一驅動級，后面也要增加一緩沖級。同時，考慮到經濟效益與勞動強度問題，為了簡化電路，本設計中采用LM358運算放大器來進行電源供電。該運算放大器的使用，可將輸出的電流變化到40mA左右。

4　結論

在整個電路系統中，我們將整流完畢后的直流電壓通過光電耦合隔離器，將模擬量的電壓信號轉換為數字量的信號，后傳遞到單片機之中，進而與給定的實際直流電壓值進行比較，然后再運用模糊控制理論，進行自整定PID參數計算，最終得到K1、Kp、KD三者的值。這種方法，方便其系統穩定性的調節，有利于提高系統的精度。

［1］李強松.高壓軟起動中的常見故障分析與處理［C］//中國計量協會冶金分會2012年會暨能源計量與節能降耗經驗交流會論文集.2012.

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