李松　　 劉巍 楚立新

摘 要：文章以PIC單片機和CPLD集成系統(tǒng)為控制核心實現(xiàn)對晶閘管的控制，從而實現(xiàn)智能化控制晶閘管，以達(dá)到晶閘管安全投切、自我保護(hù)等功能。并且其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性強、控制精準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：無功補償；晶閘管；單片機；CPLD

我國現(xiàn)在廣泛運用的無功補償裝置多為并聯(lián)電容器，這種補償方式簡單、靈活、方便，早期投切電容器組所使用的開關(guān)主要是真空接觸器等機械式開關(guān)，投切過程中所承受電壓或者電流比較大，如果負(fù)荷變化比較頻繁，就會使開關(guān)頻繁動作而大大降低其使用壽命。晶閘管半控器的出現(xiàn)很好的解決了機械開關(guān)的頻繁動作導(dǎo)致其壽命降低的缺點，大大提高設(shè)備的穩(wěn)定性。如何更好安全的控制晶閘管將是在以后技術(shù)領(lǐng)域作為廣大技術(shù)研發(fā)人員的一個重要的課題。本次研討的智能晶閘管開關(guān)便是在其中一個方案。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

工作原理：為使晶閘管更好的安全的開通與關(guān)斷為此需要將系統(tǒng)中的電流、電壓采集回來作為參考量作為保護(hù)和準(zhǔn)確投切的依據(jù)，通過CPU的處理判斷后控制硬件電路來使晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷。考慮到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和慢速性因此選用單片機作為CPU，采用CPLD作為硬件電路的芯片可以使整個系統(tǒng)更加集成和穩(wěn)定。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

選用低功耗8位PIC單片機PIC18F67K22，其擁有64個管腳工作電壓可選為3.3V擁有128KB的片上閃存存儲器并且擁有多組I2C、SPI協(xié)議的總線接口以及2組USART通訊接口以滿足設(shè)計需求。

電能測量芯片ATT7022作為電壓電流采集芯片， ATT7022適用于三相三線和三相四線。集成功率、能量、有效值、功率因數(shù)及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路，能夠準(zhǔn)確的測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)以滿足設(shè)計需求，從而減少了依靠外圍設(shè)計采樣電路、調(diào)理電路等所帶來的元件、參數(shù)選擇等復(fù)雜的問題出現(xiàn)，大大減少了設(shè)計時間，提高的系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

CPLD選擇ALTERA的EPM570T100C5N它擁有570個可編程邏輯門，支持JATG口編程并且可在3.3V下正常工作以減小系統(tǒng)功耗，支持最高300M的晶振滿足快速數(shù)據(jù)的處理需要。

使用RS485的通訊電路以便在工業(yè)使用時智能晶閘管開關(guān)可與上位機進(jìn)行通訊鏈接，方便數(shù)據(jù)的交換。

為了操作者的觀察和操作方便在系統(tǒng)中還加入了LCD作為顯示設(shè)備，再通過四個功能按鍵：“取消”、“上”、“下”、“確定”作為控制按鍵可以對其設(shè)定保護(hù)參數(shù)和顯示數(shù)據(jù)的查看。

使用I2C總線的外部存儲器FM25CL64將智能晶閘管開關(guān)的故障報警信息存儲以便日后出現(xiàn)故障時操作者可以通過其信息判斷故障來源。

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計分為單片機軟件和CPLD邏輯兩部分，分別實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的處理和邏輯硬件的處理。

2.1 單片機軟件

單片機軟件多使用模塊化結(jié)構(gòu)

（1）主程序模塊：此模塊主要對單片機進(jìn)行初始化和各模塊之間按需調(diào)用與管理。（2）顯示模塊：此模塊將電壓、電流、功率因數(shù)、諧波畸變率等數(shù)據(jù)通過LCD進(jìn)行顯示。（3）按鍵模塊：此模塊用來操作四個功能鍵并通過顯示模塊修改各保護(hù)參數(shù)和時間的設(shè)定。（4）保護(hù)模塊：此模塊可將ATT7022讀取的電壓、電流信息采用滑動窗口的數(shù)據(jù)分析方式進(jìn)行預(yù)處理后在根據(jù)設(shè)定的保護(hù)參考信息判斷。（5）通訊模塊：此模塊用于和上位機的數(shù)據(jù)通訊鏈接，可讀取系統(tǒng)中保護(hù)等參考數(shù)據(jù)。（6）CPLD數(shù)據(jù)傳輸模塊：此模塊用于和CPLD信息的交換和控制CPLD的工作。

2.2 CPLD邏輯部分

CPLD程序采用了自頂向下的設(shè)計方法，先確認(rèn)CPLD所實現(xiàn)功能后確認(rèn)其基本構(gòu)架，再通過Verilog HDL語言對其編寫各個模塊。

（1）電壓信號處理模塊：此模塊將單片機接受到的電壓信號再進(jìn)行數(shù)字化處理用于控制投入晶閘管使用。（2）電流信號處理模塊：此模塊將單片機接受到的電流信號再進(jìn)行數(shù)字化處理用于控制切除晶閘管使用。（3）開關(guān)模塊：此模塊是將電壓信號處理模塊和電流信號處理模塊信號集成處理直接作出開通關(guān)斷晶閘管信號的控制輸出。

圖3 CPLD邏輯程序圖

3 結(jié)束語

該設(shè)計使用單片機和CPLD的集成系統(tǒng)實現(xiàn)了對晶閘管的智能投切和保護(hù)功能，并且大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定，設(shè)計中程序和硬件還多采用了模塊化結(jié)構(gòu)，移植更加簡便，可讀性更強，以便日后的升級需要。智能晶閘管開關(guān)使晶閘管的開通和關(guān)斷更加可靠穩(wěn)定對無功補償系統(tǒng)中的電容器、電抗器等設(shè)備也有更好的保護(hù)，增加了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。

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作者簡介：李松（1986-），男，助理工程師，2009年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院自動化專業(yè)，在職，現(xiàn)從事TSC無功功率動態(tài)補償裝置的控制系統(tǒng)、電子系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計工作。