基于單片機(jī)的晶閘管觸發(fā)器的研究與設(shè)計(jì) - 全文

　　1 引言

　　晶閘管也叫可控硅整流器．是目前工業(yè)應(yīng)用中最為廣泛的大功率變換器件。晶閘管在燒結(jié)爐、電弧爐等整流場(chǎng)合主要采用移相觸發(fā)控制，即通過調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的相位實(shí)現(xiàn)控制輸出。傳統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)器采用模擬控制電路，無(wú)法克服其固有缺點(diǎn)。數(shù)字式控制電路與模擬式相比，主要優(yōu)點(diǎn)是輸出波形穩(wěn)定和可靠性高，但其缺點(diǎn)是電路比較復(fù)雜，移相觸發(fā)角較大時(shí)控制精度不高。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，由單片機(jī)組成的控制電路的優(yōu)勢(shì)越明顯，除具有與數(shù)字式觸發(fā)電路相同的優(yōu)點(diǎn)外，更因其移相觸發(fā)角通過軟件計(jì)算完成，觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活，溫漂影響小，控制精度可通過軟件補(bǔ)償，移相范圍可任意調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，目前已獲得業(yè)界的廣泛認(rèn)可。以三相橋式全控整流電路為例，介紹應(yīng)用單片機(jī)組成晶閘管觸發(fā)器硬件電路的設(shè)計(jì)，以及軟件實(shí)現(xiàn)移相觸發(fā)脈沖控制的方法。

　　2 單片機(jī)觸發(fā)器的組成

　　單片機(jī)控制的晶閘管觸發(fā)器主要由同步信號(hào)檢測(cè)、CPU硬件電路、復(fù)位電路和觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路4部分組成，如圖l所示。CPU通過檢測(cè)電路獲知觸發(fā)信號(hào)，依據(jù)所要控制的電路要求，通過編程實(shí)現(xiàn)預(yù)定的程序流程，在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)通過單片機(jī)I/O端輸出觸發(fā)脈沖信號(hào)，復(fù)位電路可保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。
 

　　3 移相觸發(fā)脈沖的控制原理

　　相位控制要求以變流電路的自然換相點(diǎn)為基準(zhǔn)，經(jīng)過一定的相位延遲后，再輸出觸發(fā)信號(hào)使晶閘管導(dǎo)通。在實(shí)際應(yīng)用中，自然換相點(diǎn)通過同步信號(hào)給出，再按同步電壓過零檢測(cè)的方法在CPU中實(shí)現(xiàn)同步，并由CPU控制軟件完成移相計(jì)算，按移相要求輸出觸發(fā)脈沖。

　　圖2為三相橋式全控整流電路，觸發(fā)脈沖信號(hào)輸出的時(shí)序也可由單片機(jī)根據(jù)同步信號(hào)電平確定，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到A相同步信號(hào)時(shí)，輸出脈沖時(shí)序通常采用移相觸發(fā)脈沖的方法，即用一個(gè)同步電壓信號(hào)和一個(gè)定時(shí)器完成觸發(fā)脈沖的計(jì)算。這在三相電路對(duì)稱時(shí)是可行的。因?yàn)槿嗤耆珜?duì)稱，各相彼此相差120°，電路每隔60°換流一次，且換流的時(shí)序事先已知。該方法所用單片機(jī)資源少，只需一個(gè)同步信號(hào)，電路比較簡(jiǎn)單，但軟件設(shè)計(jì)工作量稍大。

　　因?yàn)橹挥靡粋€(gè)同步輸入信號(hào)，所有晶閘管的觸發(fā)脈沖延遲都以其為基準(zhǔn)。為了保證觸發(fā)脈沖延遲相位的精度，用一個(gè)定時(shí)器測(cè)量同步電壓信號(hào)的周期，并由此計(jì)算出60°和120°電角度所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。由于三相橋式全控整流電路的觸發(fā)電路，必須每隔60°觸發(fā)導(dǎo)通一只晶閘管，也就是說(shuō)，每隔60°時(shí)間必然要輸出一次觸發(fā)脈沖信號(hào)，因此作為基準(zhǔn)的第一個(gè)觸發(fā)脈沖信號(hào)必須調(diào)整到小于60°才能保證觸發(fā)脈沖不遺漏。當(dāng)以A相同步電壓信號(hào)為基準(zhǔn)，單片機(jī)檢測(cè)到A相同步電壓信號(hào)正跳變時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器工作，當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)，輸出第一個(gè)觸發(fā)脈沖信號(hào)，以后由所計(jì)算出的周期確定每隔60°己時(shí)輸出一次觸發(fā)脈沖，直到單片機(jī)再次檢測(cè)到A相同步信號(hào)的正跳變時(shí)，這個(gè)周期結(jié)束，開始下一個(gè)周期。需要注意，從單片機(jī)檢測(cè)到同步電壓正跳變到輸出第一個(gè)觸發(fā)脈沖信號(hào)的時(shí)間，必須調(diào)整到小于等于60°電角度時(shí)間，否則會(huì)造成觸發(fā)脈沖的遺漏。第一個(gè)觸發(fā)脈沖相對(duì)于同步信號(hào)正跳變的時(shí)間，可根據(jù)三相橋式全控整流電路的觸發(fā)時(shí)序來(lái)調(diào)整，如圖3所示。圖3中α1為觸發(fā)延遲角，(α2-α1)、(α4-α3)均為觸發(fā)窄脈沖寬度60°，α0為同步脈沖信號(hào)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)周期360°；g0表示同步脈沖信號(hào)，gl、g2、g3、g4、g5、g6分別表示VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6觸發(fā)脈沖信號(hào)；其中0表示低電平，1為高電平。

　　依照三相橋式全控整流電路晶閘管導(dǎo)通的時(shí)序要求，輸出觸發(fā)脈沖分為3種情況：

　　(1)當(dāng)移相觸發(fā)延遲角α≤60°，此時(shí)以A相同步信號(hào)為基準(zhǔn)，并按延遲角時(shí)間定時(shí)實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)脈沖輸出，應(yīng)該是A相VT1晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)延遲時(shí)間和觸發(fā)脈沖的時(shí)序無(wú)需調(diào)整，之后每隔60°時(shí)間依次輸出VT2、VT3、VT4、VT5、VT6晶閘管的觸發(fā)信號(hào)。

　　(2)當(dāng)移相觸發(fā)延遲角60°<α≤120°時(shí)，為保證觸發(fā)脈沖不遺漏，應(yīng)將觸發(fā)延遲角的定時(shí)時(shí)間調(diào)整在60°時(shí)間之內(nèi)，即減去一個(gè)60°時(shí)間。同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖的時(shí)序也要進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)第一個(gè)輸出觸發(fā)脈沖信號(hào)應(yīng)該是B相，VT6晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，之后每隔60°時(shí)間依次輸出VT1、VT2、VT3、VT4、VT5晶閘管的觸發(fā)信號(hào)。

　　(3)當(dāng)移相觸發(fā)延遲角α>120°時(shí)，要將觸發(fā)延遲角的定時(shí)時(shí)間調(diào)整在60°時(shí)間內(nèi)，從而保證觸發(fā)脈沖不遺漏，則需減去一個(gè)120°時(shí)間，并且對(duì)觸發(fā)脈沖時(shí)序進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，此時(shí)第一個(gè)輸出觸發(fā)脈沖信號(hào)應(yīng)該是C相VT5晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，之后每隔60°時(shí)間依次輸出VT1、VT2、VT3、VT4晶閘管的觸發(fā)信號(hào)。

　　4 觸發(fā)器硬件組成

　　圖4給出單片機(jī)控制的移相觸發(fā)脈沖控制硬件電路圖。單片機(jī)選用AT89C2051，其屬于MCS一51系列小型單片機(jī)，共有20個(gè)引腳，2 KB內(nèi)存。同步信號(hào)的輸入經(jīng)電阻R1，R1起到限流和保護(hù)的作用，正弦同步信號(hào)經(jīng)VD1和VD2兩個(gè)限制比較器輸入電壓的箝位二極管削波后，送入比較器LM339的輸入端，LM339輸出為180°與電源相位相同的方波。同步檢測(cè)信號(hào)發(fā)生正跳變時(shí)，經(jīng)反相以中斷方式向單片機(jī)的INT0(引腳6)提供同步指令，從表面上看好像是外部中斷信號(hào)輸入，實(shí)際上是要量脈沖的寬度，這決定于信號(hào)到來(lái)的時(shí)間。使用該比較電路，無(wú)論輸入的同步電壓信號(hào)高還是低，LM339的輸出信號(hào)都能較準(zhǔn)確的反映同步輸入信號(hào)的過零點(diǎn)，R2和C3對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，以避免輸出信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)。由于AT89C2051為8位單片機(jī)，所以該觸發(fā)器內(nèi)部均為8位數(shù)字量計(jì)算，其觸發(fā)延遲角范圍為0°～180°，控制精度為0．7°，雖然控制精度受到內(nèi)部運(yùn)算位數(shù)的限制，但足以滿足一般控制要求。

　　AT89C2051的Pl端口的P1．2～P1．7(引腳14~19)分別用于輸出三相橋式全控整流電路VT1～VT6的觸發(fā)脈沖信號(hào)，6路脈沖信號(hào)經(jīng)741504反相放大，推動(dòng)功率放大器TD62004，該器件的輸出連接到脈沖變壓器的初級(jí)繞組。為了使復(fù)位更可靠，采用先進(jìn)的專用上電復(fù)位器件X25045，該器件具有可編程定時(shí)器，采用SPI總線結(jié)構(gòu)。定時(shí)器看門狗的作用是保證在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，若系統(tǒng)程序走死，不能定時(shí)訪問X25045的片選端，X25045將能對(duì)系統(tǒng)復(fù)位．提高了系統(tǒng)的可靠性，給單片機(jī)提供獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)。其他的端口如P1端口的P1．0～P1．1(引腳12和13)可作為過壓、過流指示，P3端口的P3.4~P3．5(引腳8和9)作為過壓和過流的輸入端，P3端口的其余端口可以從整流端采集電壓負(fù)反饋信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)字PI調(diào)節(jié)，構(gòu)成電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制，以保證整流輸出端電壓穩(wěn)定。

　　5 移相觸發(fā)脈沖控制軟件的設(shè)計(jì)

　　移相觸發(fā)脈沖的控制軟件可方便進(jìn)行延遲計(jì)算，由軟件完成系統(tǒng)初始化、初值的輸入和電角度時(shí)間的計(jì)算并送入定時(shí)器，通過外部中斷實(shí)現(xiàn)觸發(fā)延遲角的處理。由于AT89C2051上電復(fù)位期間所有端口均輸出高電平，為了保證復(fù)位期間所有晶閘管都沒有觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)，應(yīng)采用低電平為有效觸發(fā)晶閘管的信號(hào)。移相觸發(fā)脈沖控制軟件流程圖如圖5所示。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　在實(shí)驗(yàn)中加入數(shù)字PI調(diào)節(jié)，構(gòu)成電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制，使輸出電壓穩(wěn)定運(yùn)行，提高了觸發(fā)脈沖的對(duì)稱度和穩(wěn)定性，觸發(fā)延遲角最大可達(dá)180°，改善了觸發(fā)器的性能指標(biāo)和變流裝置的可靠性。該設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了晶閘管觸發(fā)器的單片機(jī)控制，體現(xiàn)了控制電路簡(jiǎn)單、便于調(diào)節(jié)且占用CPU資源少的特點(diǎn)，是一種理想的易于推廣的晶閘管觸發(fā)控制設(shè)計(jì)方案。

 

STM32/STM8

意法半導(dǎo)體/ST/STM