基于DSP的晶閘管數(shù)字觸發(fā)器的研究與設(shè)計(jì)

1引言

EAST極向場(chǎng)電源是托卡馬克主要的子系統(tǒng)之一，它為等離子體的產(chǎn)生、約束、維持、加熱，以及等離子體電流、位置、形狀、分布和破裂的控制，提供必要的工程基礎(chǔ)和控制手段。對(duì)于裝置運(yùn)行的性能與安全，物理實(shí)驗(yàn)的成敗與效率，有著至關(guān)重要的作用。所以，極向場(chǎng)電源整流控制電路對(duì)于實(shí)時(shí)性和控制精度都有相當(dāng)高的要求。其中，晶閘管的觸發(fā)控制是整流電路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。極向場(chǎng)電源原有的模擬觸發(fā)板受速度和性能限制，控制精度和實(shí)時(shí)性不夠理想，無法60o改變一次α角，大多的數(shù)字觸發(fā)器由過零檢測(cè)、計(jì)數(shù)器、脈沖分配器組成，本文設(shè)計(jì)了一種以DSP為控制核心的數(shù)字觸發(fā)器，大大簡(jiǎn)化了硬件電路的組成，提高了控制精度和實(shí)時(shí)性，并且軟件易于調(diào)試，調(diào)節(jié)范圍靈活。

2系統(tǒng)組成及硬件流程圖

極向場(chǎng)變流器主電路采用三相橋式同相逆并聯(lián)整流電路，變壓器的輸出為2個(gè)繞組輸出，分別為A1、B1、C1，A2、B2、C2，A1與A2的相位差為180°，所以對(duì)應(yīng)每個(gè)整流器的相同位置的晶閘管得移相脈沖因此也因相應(yīng)的相差180°相位。對(duì)于每一臺(tái)整流器，都設(shè)有alpha控制器一塊，所以只要分析其中一臺(tái)整流器。

3路同步變壓器的線電壓，經(jīng)過光耦和比較器處理成方波，再經(jīng)過阻容濾波和施密特觸發(fā)器，成為同步脈沖信號(hào)。Alpha信號(hào)由控制室發(fā)出，范圍是15^o～150^o，0v表示150^o，，5v表示15^o，而DSP的AD模塊電壓范圍為0～3.3，加一個(gè)運(yùn)放，即0v對(duì)應(yīng)150^o，3.3v對(duì)應(yīng)15^o。

圖1：結(jié)構(gòu)原理圖

3 DSP控制原理及軟件設(shè)計(jì)

3.1 DSP控制原理

所選DSP芯片為TMS320LF2407,這是一款由TI公司研制的性價(jià)比較高的DSP芯片。其供電電壓為3.3V。有四個(gè)定時(shí)器，其中T1和T3可用于全比較器調(diào)制PWM波，EVA和EVB各有三個(gè)捕獲單元。用六個(gè)捕獲單元檢測(cè)六個(gè)同步過零信號(hào)，同步信號(hào)到來時(shí)，相應(yīng)捕獲產(chǎn)生中斷，啟動(dòng)定時(shí)器， ADC采α角，然后由定時(shí)器產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。極向場(chǎng)變流電路Alpha角范圍為15o ～150o，DSP輸入電壓范圍為0v～3.3v，其所對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系為Alpha=－135/3.3*u+150。由于2407僅有四個(gè)定時(shí)器，所以在本文的設(shè)計(jì)中，ab相與ba相的觸發(fā)脈沖是基于T1產(chǎn)生的，ab過零時(shí)所對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖引腳為PWM1,ba過零時(shí)所對(duì)應(yīng)觸發(fā)脈沖引腳為PWM3；ac相與ca相的觸發(fā)脈沖是基于T3產(chǎn)生的，ac過零時(shí)所對(duì)應(yīng)觸發(fā)脈沖引腳為PWM7,ca過零時(shí)所對(duì)應(yīng)觸發(fā)脈沖引腳為PWM9；這四相的觸發(fā)脈沖是由全比較器產(chǎn)生的；bc相的觸發(fā)脈沖是基于T2產(chǎn)生的，所對(duì)應(yīng)引腳為T2PWM;cb相的觸發(fā)脈沖是基于T4產(chǎn)生的，所對(duì)應(yīng)引腳為T4PWM；這兩相的觸發(fā)脈沖是由定時(shí)器自帶的比較輸出產(chǎn)生的。原理如下圖：T3與T1的原理相同，T4與T2的原理相同。由于ab與ba，ac與ca相差180°，所以T1與T3完全可以實(shí)現(xiàn)其Alpha角在15o ～150o范圍內(nèi)的控制。

圖2：觸發(fā)脈沖產(chǎn)生原理圖

3.2 軟件流程

當(dāng)捕獲單元檢測(cè)到同步信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生捕獲中斷，進(jìn)入捕獲中斷，啟動(dòng)定時(shí)器，開始計(jì)數(shù)；復(fù)位ADC,啟動(dòng)ADC去采Alpha的值，所采的值為電平信號(hào)（u），所對(duì)應(yīng)的數(shù)字值（D）為：D＝1023×u/3.3，根據(jù)所設(shè)定的定時(shí)器的預(yù)定標(biāo)系和系統(tǒng)時(shí)鐘來計(jì)算Alpha所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值，將計(jì)數(shù)值載入全比較寄存器CMPRx（T1、T3）或者比較寄存器TxCMPR(T2、T4)，根據(jù)所需要的脈沖寬度，加上一個(gè)計(jì)數(shù)值載入周期寄存器TxPR。設(shè)置周期中斷，周期產(chǎn)生中斷時(shí)，使定時(shí)器停止計(jì)數(shù)，相應(yīng)的，也停止比較輸出脈沖。

軟件流程圖如下：

圖3：軟件流程圖

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

極向場(chǎng)電源變流器晶閘管觸發(fā)方式采取的是雙窄脈沖觸發(fā)，所以在第二個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，要補(bǔ)給前一個(gè)管子一個(gè)觸發(fā)脈沖，此時(shí)，只需連接方式上稍加改變就可以實(shí)現(xiàn)，根據(jù)晶閘管導(dǎo)通的順序，將PWM7接到PWM1,T2PWM接到PWM7,PWM3接到T2PWM,PWM9接到PWM3,T4PWM接到PWM9,PWM1接到T4PWM；這樣便可以實(shí)現(xiàn)晶閘管的雙窄脈沖觸發(fā)。