基于单片机模糊控制的晶闸管直流调压系统的设计与实现

王一涵

（绥化学院，黑龙江绥化152061）

基于单片机模糊控制的晶闸管直流调压系统的设计与实现

王一涵

（绥化学院，黑龙江绥化152061）

本设计以单片机为线索，结合模糊控制思想，着重介绍了MCS-51系列单片机控制的控制角可调整的三相半控桥可控硅整流触发器。由于其成本低廉、电路连接简单，且参数调整方便、控制系统绝佳，具有一定的经济价值和使用价值。

单片机；模糊控制；晶闸管

1　晶闸管及可控整流电路

1.1晶闸管

晶闸管是晶体闸流管的简称，它的内部结构组成是PNPN四层半导体结构，有三个极，分别为阳极、阴极以及门极。在本设计系统中，将晶体管内部的四层半导体结构分别命名为P1、P2、N1、N2。然后由P1区引出阳极，记为A，阴极由N2区引出，记为K，而门极，则有P2区引出，由此，四个区就形成了从J1到J3的三个PN结。由于阳极高于其阴极，所以将正向电压加之于器件之上；待反向电压价值于器件上时，此时的J1、J3两PN结处于反向偏置，该器件整体会处于被阻断的状态，期间只有极其小的电流会通过。由于其晶闸管能够在大电流或高电压的状态下工作，因此常被用于交流调压、可控整流、无触点电子开关等电子电路之中。

1.2可控整流电路

当前常用可控整流电路有两种，分别为三相可控整流电路以及单相可控整流电路。其中单相可控整流电路的优点主要有调节方便、线路简单，缺点就是仅适用于小功率的场合。在本设计中，由于要考虑到三相负载的平衡性问题，因此最终采用三相可控整流电路。而在该可控整流电路的基础上，通过对经济性的考虑，在三相全控整流电路和三相半控整流电路的选择中，我们选择了后者。在本设计之中，主电路部分为三相桥式半空整流电路，它是之后设计的重要组成部分之一。

2　模糊理论及模糊PID控制系统

2.1针对于模糊理论的简介

模糊控制理论从问世至今已发展了20多年，如今，被广泛应用到化工、冶金、电力等多个工业部门，并取得了可喜成绩。模糊控制理论由美国的L.A.Zadeh所创立，它利用了模糊数学的基本理论和基本思想，将传统的复杂的控制理论变得更为简单，使用起来更为理想。它的使用形式基本为“如果…则…”。从形式中可以看出，前者为条件，后者则为条件下的结果，基于如此的理论，就可较为简单地实现简化控制系统的目的。

2.2模糊自整定PID参数控制系统

顾名思义，就要采用模糊控制思想，使用其控制规则，以达到实现调节PID参数为目的的一种控制方法。这里模糊控制所给出PID参数的最终推理结果，是PID参数处于不同实时状态之下的情况。

在本设计之中，模糊控制理论的主要作用就是用于计算出K1、Kp、KD三者的值。一般所得结果是非线性的，所以采用模糊控制理论来处理这些结果要合适方便得多。在使用模糊理论时，首先将非线性的系统进行模糊化处理，然后运用模糊理论中的模糊推理方法，得出所要结果，最后再将所要结果精确化，即进行反模糊化处理。

3　系统硬件的设计

3.1主电路的设计

3.1.1三相桥式半控整流电路的设计

A.负载所需的额定电压U0，选取220V。B.负载所需的额定电流Id选定为82.2A。C.主电路选用三相半桥控整流电路。（三相半桥控的组成是二极管的D1、D2、D3与晶闸管的Kp1、Kp2、Kp3）D。380V的三相电源经过空气开关，最终送到三相变压器之上（三相变压器一般选择用△/Y的接法，目的是为了防止高次谐波对电网的破坏）。

3.1.2保护电路的设计

3.1.2.1过电压保护

即通过对每一个晶闸管的两端增加阻容，使其实现保护作用。因为电容两端的电压不可能发生瞬时转变，因此，通常采取限制变压器次级的电压变化率，进而避免了瞬时电压发生上升的现象。同时，串联在电路中的电阻可以消耗掉电路中的一部分能量，也可起到过电压保护的作用。在本设计之中，电容C的选取为0.22μF，阻容保护参数的电阻R在系统中选取24Ω。

3.1.2.2过电流保护

方法有很多，比如限定输出总功率、电流恒定不变，电压下降，还有复合型、回卷形等。经综合考虑，最终选择快速熔断器来完成对过电流的保护。由于快速熔断器的一项基本特性就是实现快速熔断，其熔断的时间极短，一般都超不过10ms，因此，如果系统电路中一旦出现过电流，熔断器变化立刻熔断，从而实现过电流保护的作用，对保护晶闸管有一定的积极意义。

3.2控制电路的设计

3.2.1程序存储模块

在系统设计中，选择MCS-51系列的单片机为设计基础。由于此机器本身所具有的程序存储器空间为64KB，但8031单片机内部并没有相应的程序存储器，因此，本设计需要对程序存储器进行必要的扩展。选取了2764芯片，从而进一步的实现程序存储器的扩展。

3.2.2RAM的扩展

受到当前科技水平的限制，集成电路的集成度无法明显提高。导致当前的单片RAM的容量普遍比较有限，对于一个较大容量的存储系统，往往会用到多个RAM。但在程序运行，进行读/写操作时，仅需要对其中的某一个或某几个RAM进行操作即可。在本次的系统设计中，所选择的RAM扩展芯片为8KRAM 6264。

3.2.3数据采集模块

在此次数据采集模块设计中，要完成的功能有采集实际的电压值与收集给定的电压值，然后通过数模转换技术，最终传送至单片机之中。进入单片机后，首先在其中进行比较，得出实际的电压值与给定电压值之间的偏差变化率和偏差。此外，对于实际量的采集，选用的芯片为ADC0809芯片。其下图为ADC0809的接线图，即为数据采集模块的电路图，如图所示。

图ADC0809接线图Fig.ADC0809 wiring diagram

3.2.4反馈传输模块

在进行电路设计时，需要考虑将弱电部分与强电部分进行分离，将单片机部分与模拟信号部分进行分离。所以在该系统设计中，采用了线性光电耦合器，从而有效的解决了以上所叙述的问题。在反馈传输模块中，所选择的线性光电耦合器为HCNR200型号。注意，在模拟信号隔离电路的设计时，要在HCNR200型号的耦合器前增加一驱动级，后面也要增加一缓冲级。同时，考虑到经济效益与劳动强度问题，为了简化电路，本设计中采用LM358运算放大器来进行电源供电。该运算放大器的使用，可将输出的电流变化到40mA左右。

4　结论

在整个电路系统中，我们将整流完毕后的直流电压通过光电耦合隔离器，将模拟量的电压信号转换为数字量的信号，后传递到单片机之中，进而与给定的实际直流电压值进行比较，然后再运用模糊控制理论，进行自整定PID参数计算，最终得到K1、Kp、KD三者的值。这种方法，方便其系统稳定性的调节，有利于提高系统的精度。

［1］李强松.高压软起动中的常见故障分析与处理［C］//中国计量协会冶金分会2012年会暨能源计量与节能降耗经验交流会论文集.2012.

［2］李春旭，韦鲲，魏继昆，陈西山.80C552单片机控制IGBT逆变焊机的研究［C］//第九次全国焊接会议论文集（第2册）.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