一種基于單片機的燈光調光控制系統(tǒng)開發(fā)

1 引言
調光器是機場助航燈光系統(tǒng)的核心控制設備。目前,國內外使用的調光器主要采用可控硅斬波技術,這種調光器存在波形畸變大、電網要求高、對電網污染嚴重、效率低、負載適應能力差等缺點。針對以往系統(tǒng)存在的不足,提出了正弦波調光器,它采用逆變技術,輸出標準正弦電壓,它的優(yōu)點是對負載適應能力強、對電網要求低、污染輕、效率高、輸出波形好等。正弦波調光器采用逆變技術,輸出幅度可調的標準正弦電壓,通過控制算法實現(xiàn)對燈光回路的高精度恒流控制?！罢也ㄕ{光器”將極大地提高調光器的技術水平,改善調光器的性能,增強市場競爭能力。
2 控制系統(tǒng)硬件設計
2.1 系統(tǒng)總體設計
機場燈光調光器控制系統(tǒng)由電壓傳感器、電流傳感器、人機接口、存儲器接口、主回路等部分組成,示意框圖如圖1所示。
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圖1 系統(tǒng)總體設計框圖
系統(tǒng)以Intel 16位單片機為控制核心,利用電壓、電流傳感器采集變壓器二次側電壓和回路電流值。由于采集的信號為交流信號不能直接進行數(shù)模轉換,經有效值轉換電路得到它們的有效值直流信號,再經低通濾波、信號放大后送入單片機內部10位A/D轉換器進行A/D轉換,A/D轉換后的值經過軟件濾波后,電壓值輸出顯示,電流值與光級設定值一同進入控制算法,算法的輸出量參與到PWM信號產生機制中,最終調整輸出等效正弦脈寬調制信號(SPWM)。
2.2 硬件詳細設計
1、主回路設計。主回路由整流電路、逆變電路、濾波電路等組成,其框圖如圖2所示。

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圖2 調光器主回路框圖
主回路中三相交流電壓經全橋整流、濾波后得到直流電壓,將此電壓連接到IGBT(IPM)模塊兩端。單片機輸出的等效正弦脈寬調制信號(SPWM)經過驅動電路控制兩塊IGBT(IPM)對加在其兩端的直流電壓進行逆變,輸出的信號經過LC濾波電路后得到幅值可調的正弦電壓。逆變后的電壓經過升壓變壓器直接送入燈泡回路,從而改變回路的電流值,最終達到設定值。通過按鍵可以任意切換光級,當光級改變時由程序算法控制使電流、電壓快速達到穩(wěn)定值,完成光級的切換。同時,通過控制板上的數(shù)碼管實時顯示出變壓器二次側電壓值和回路電流值,使系統(tǒng)的運行狀態(tài)一目了然。系統(tǒng)工作時,可能由于某些情況產生了過壓、過流等情況,導致IPM產生報警信號,單片機采用中斷方式采集報警信號。
2、控制回路設計。核心控制模塊是整個控制系統(tǒng)中最重要的一部分,它完成控制的全過程。核心控制器選用的是Intel 16位單片機80C196MC,  80C196MC由一個C196核心,一個三相波形發(fā)生器WFG和若干個其它片內外設構成,其它外設裝置包括一個A/D轉換器、一個事件處理陣列(EPA)、兩個定時器和一個脈寬調制單元PWM。由于80C196MC內部的資源有限,需外擴EPROM、RAM,對于16位機實現(xiàn)外擴EPROM、RAM硬件連接起來比較麻煩,所以硬件設計時采用了可編程外圍芯片PSD。通過編程決定它內部RAM、EPROM的大小。可編程外圍芯片的運用簡化了電路的設計。系統(tǒng)設計采用的是PSD302/301。

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圖3 二階低通濾波器                       圖4 同相放大器
3、數(shù)據采集模塊。該模塊主要的功能是采集二次側電壓和回路電流,利用電流、電壓互感器采集信號進入數(shù)據采集模塊中。由于采集的信號為交流信號不能直接進行數(shù)模轉換,必須經過有效值轉換電路得到它們的有效值直流信號,系統(tǒng)設計時采用了AD536芯片完成這一功能。此外,信號中必然含有許多干擾信號,它們將直接影響測量精度,所以電路設計中加入了濾波電路,消除干擾信號。轉換、濾波后的信號電壓值偏小,不利于數(shù)模轉換,所以電路中又加入了模擬信號的放大部分。
濾波部分采用的是有源濾波器中的無限增益多環(huán)反饋型濾波器即二階低通濾波器。有源濾波器由電阻、電容和運算放大器組成。其中運算放大器采用的是LM324。二階低通濾波器的示意圖如圖3所示。系統(tǒng)中采用的是增益可調反相放大器,經過調節(jié)可得到所需范圍的電壓信號。如圖4所示。[!--empirenews.page--]
    4、人機接口模塊。人機接口模塊主要完成按鍵和顯示功能。通過按鍵可以設定光級,用戶可在5級光中任意選擇。同時,系統(tǒng)將顯示主回路變壓器二次側的電流、電壓值。
該模塊的功能主要是由芯片8279完成的。Intel 8279是一種通用可編程鍵盤、顯示器接口芯片,它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。鍵盤部分提供一種掃描工作方式,可與64個按鍵的矩陣鍵盤連接,能對鍵盤不斷掃描,自動消抖,自動識別出按下的鍵并給出編碼,能對雙鍵和n鍵同時按下實施保護。顯示部分為發(fā)光二級管、熒光管及其它顯示器提供了按掃描方式工作的顯示接口,它為顯示器提供多路復用信號,可顯示16位的數(shù)字或字符。
5、驅動模塊設計。驅動模塊的設計主要是針對IPM的。該設計完成對IPM門極的驅動,以及對它的一些保護、去干擾措施。
3 控制系統(tǒng)軟件設計
3.1 系統(tǒng)程序流程及抗干擾設計
 
圖5 程序流程圖
控制系統(tǒng)的軟件采用中斷處理和查詢并用的方式。主程序完成循環(huán)查詢按鍵、報警信號、A/D狀態(tài);中斷處理程序分為三部分。首先,由于傳感器采回來的信號有很多干擾信號存在,所以在系統(tǒng)軟件設計時利用A/D多次采樣值取平均值的方法消除干擾,第一部分的中斷程序用來實現(xiàn)此功能。其次,根據SPWM信號產生的機制,第二部分中斷程序完成必要的計算以產生所需值,再次,第三部分的中斷程序能對來自IPM模塊的報警信號做出響應,并
采取相應控制措施。程序的流程如圖5所示。
系統(tǒng)軟件設計產生PWM波形以正弦波為載波頻率構成SPWM信號。系統(tǒng)采用C196進行編程,相對于匯編語言來說利用高級C語言使得編程簡便、直觀,調試也比較方便,提高了工作效率。編程過程中,首先要對一些參數(shù)初始化,以啟動波形發(fā)生器。
竄入測控系統(tǒng)中的干擾,其頻譜往往很寬,且有隨機性,采用硬件抗干預措施,只能抑制某個頻段的干擾,仍有一些干擾會侵入系統(tǒng)。需要采取軟件抗干擾措施。軟件抗干擾技術是當系統(tǒng)受干擾后使系統(tǒng)恢復正常運行或輸入信號受干擾后去偽求真的一種輔助方法。由于軟件設計靈活,節(jié)省硬件資源,所以軟件抗干擾技術越來越引起人們的重視。疊加在系統(tǒng)被測模擬輸入信號上的噪聲干擾,導致較大的測量誤差。但由于這些噪聲的隨機性,可以通過軟件濾波(即數(shù)字濾波技術)剔除虛假信號,求其真值。系統(tǒng)采用了防脈沖干擾平均值濾波法、一階滯后濾波法作為軟件抗干擾措施。
3.2 系統(tǒng)控制算法設計
系統(tǒng)軟件采用的是增量式分段PID控制器,分段式是指PID控制器在不同的區(qū)間采用不同的參數(shù)。增量式PID數(shù)字控制器差分方程為:
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式中,kp, kd, ki,分別是比例、微分、積分參數(shù),e (k)為時刻k的偏差,e (k-1)和e (k-2)分別是k-1及k-2時刻的偏差。u (k)為時刻k的輸出值,u (k-1)為k-1時刻的輸出值。kp, kd, ki經過現(xiàn)場調試整定為kp=2.5~4.5, kd=0~40, ki=0~0.05。根據設計,系統(tǒng)采用的是分段式PID,即e (k)較大時,kp, kd兩個參數(shù)起作用,當e (k)小到一定范圍內時kp, kd, ki三個參數(shù)共同作用。這就使得系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定的達到穩(wěn)態(tài)值。系統(tǒng)設計時在控制算法后加上一個輸出緩沖環(huán)節(jié),通過它來調節(jié)輸出的步長,一方面可以控制變化速度,另一方面通過輸出的緩沖影響了 PID使系統(tǒng)快速達到穩(wěn)定。程序實現(xiàn)中利用ram_k_step變量控制輸出的步長,根據情況加減ram_k_step值。mark_wg是輸出環(huán)節(jié)狀態(tài)標志。
4 系統(tǒng)通訊功能設計
現(xiàn)代的控制系統(tǒng)不僅僅是單機系統(tǒng),往往還增加了網絡功能以便信息的集中管理。系統(tǒng)設計中采用的是控制局域網絡CAN,利用該網絡可把現(xiàn)場的數(shù)據及時送到上位機,實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控、管理,同時上位機也通過總線系統(tǒng)發(fā)出指令。
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圖5 CAN總線框圖
CAN總線主要由CAN控制器和CAN總線收發(fā)接口電路組成。CAN控制器主要由CAN總線協(xié)議部分和與微控制器接口部分電路組成。CAN總線收發(fā)接口是CAN控制器與物理總線之間的接口。CAN總線的框圖如圖6所示。系統(tǒng)設計時CAN控制器選用的是SJA1000 (Philips公司生產),CAN總線收發(fā)接口采用的是82C250。系統(tǒng)設計時使CAN系統(tǒng)實現(xiàn)冗余的工作模式即采用了兩個CAN控制器,形成兩路CAN總線。系統(tǒng)運行時可保證至少有一路CAN總線工作,以保證系統(tǒng)的可靠性。CAN總線軟件部分設計主要是采用中斷處理方式,每當檢測到CAN控制器產生中斷,主控制器立即讀取CAN控制器內部中斷寄存器,判斷是何種中斷并作相應的處理。采用這種處理方式使編程比較簡單.,有利于程序的規(guī)劃。采用高級語言C進行編程使程序非常直觀,有利于系統(tǒng)的調試,加快了開發(fā)周期,提高了工作效率。
CAN總線軟件設計采用中斷處理方式,通過CAN控制芯片內部中斷寄存器判斷是何中斷,并進入相應的處理程序。要使CAN控制芯片工作首先必須對它初始化。
5 本文作者創(chuàng)新點
本文研究的對象是機場燈光調光器控制系統(tǒng),設計出一種新型機場燈光調光器控制系統(tǒng)。它具有負載適應能力強、對電網要求低、污染輕、效率高、輸出波形好等優(yōu)點。采用先進的智能功率模塊(IPM)取代以往的可控硅作為功率變換器件。本文研制的調光器采用逆變技術,輸出標準正弦電壓,通過控制算法實現(xiàn)對燈光回路的高精度恒流控制。最后,調光器加入了通訊接口的設計,使系統(tǒng)具有網絡功能,以便信息的集中管理?，F(xiàn)場總線CAN的運用實現(xiàn)了數(shù)據的現(xiàn)場傳輸,一種冗余的CAN系統(tǒng)進一步保證了傳輸?shù)目煽啃浴?br />