一種基于單片機的燈光調光控制系統開發

1 引言
調光器是機場助航燈光系統的核心控制設備。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,通過控制算法實現對燈光回路的高精度恒流控制。“正弦波調光器”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 控制系統硬件設計
2.1 系統總體設計
機場燈光調光器控制系統由電壓傳感器、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。

圖1 系統總體設計框圖
系統以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。

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、電壓快速達到穩定值,完成光級的切換。同時,通過控制板上的數碼管實時顯示出變壓器二次側電壓值和回路電流值,使系統的運行狀態一目了然。系統工作時,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。系統設計采用的是PSD302/301。

圖3 二階低通濾波器 圖4 同相放大器
3、數據采集模塊。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。系統中采用的是增益可調反相放大器,經過調節可得到所需范圍的電壓信號。如圖4所示。