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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總線通信的實現方法。該控制方案系統集成度高、硬件簡單、工作可靠，具有良好的推廣價值。隨著發電機容量的不斷增大，對勵磁系統的要求越來越高。某省12年的統計表明，勵磁系統故障仍是發電機故障停機和非計劃停運的主要原因，占發電機的非計劃停運比大于50%。勵磁系統出現故障，將影響發電系統整體可靠性，可見勵磁系統的可靠性非常重要。國內目前使用的各類勵磁調節器非常先進，但功率柜的制造水平還不盡如人意，這勢必影響勵磁系統整體性能的提高，進而妨礙升發電系統的性能。
目前，國產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，掌握開發過程非常容易；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實現），大大簡化了硬件電路，為形成以C8051F041為核心的單片系統創造了條件，從而可提高系統的可靠性。
③片內集成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總線具有開發費用低、抗干擾性強、適用于工業現場應用等特點，其在干擾非常嚴重各種工業現場測控領域得到廣泛應用。C8051F041只需加上CAN總線收發電路就可掛接到CAN通信網絡上，大大簡化了通信系統的設計，同時可減少通信節點受到干擾的概率。
④可編程的16位計數器陣列（PCA），有6個捕捉/比較模塊，5個通用16位計數器/定時器。這為需求定時器/計數器較多的測控節點提供了方便。
⑤C8051F041能夠滿足絕大多數工業測控節點的要求，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，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。
在功率柜中最關鍵的部件是三相全控橋�？刂拼藰虻暮诵膮涤|發角度經CAN總線由調節器送出，同時送達本地柜應發的電流值。經檢測得到的輸出電流值與調節器的應發給定電流值進行比較，完成PI運算后產生新的微調觸角度。該觸發角度經PCA形成觸發脈沖繼而驅動三相全控橋，從而在電子級實現柜間均流。與此同時，通過信號檢測模塊將柜內溫度、晶閘管通斷狀態、輸出電流值送入微控制器，對各參數進行計算分析，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模塊實現的數字移相觸發
三相晶閘管全控橋工作原理及6個晶閘管的觸發脈沖相序關系如圖2所示。
PCA包含6個基于同一16位計數器作為時基的捕捉/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引腳的邏輯電平發生變化，并引起相應中斷。
觸發信號從同步信號過零點計時，調節器經CAN網絡發送給各功率框觸發我的電角度值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。同步信號過零產生中斷時，使PCA計數器開始計數，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計數器相符時，CEX引腳變為高電平，相應模塊產生中斷。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計數器值相符時，CEX引腳變為低電平，一路觸發單脈沖產生，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計數器計數周期。
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