基于單片機的晶閘管觸發(fā)器的研究與設(shè)計

　　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)通時刻的相位實現(xiàn)控制輸出。傳統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)器采用模擬控制電路，無法克服其固有缺點。數(shù)字式控制電路與模擬式相比，主要優(yōu)點是輸出波形穩(wěn)定和可靠性高，但其缺點是電路比較復(fù)雜，移相觸發(fā)角較大時控制精度不高。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，由單片機組成的控制電路的優(yōu)勢越明顯，除具有與數(shù)字式觸發(fā)電路相同的優(yōu)點外，更因其移相觸發(fā)角通過軟件計算完成，觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，溫漂影響小，控制精度可通過軟件補償，移相范圍可任意調(diào)節(jié)等特點，目前已獲得業(yè)界的廣泛認可。以三相橋式全控整流電路為例，介紹應(yīng)用單片機組成晶閘管觸發(fā)器硬件電路的設(shè)計，以及軟件實現(xiàn)移相觸發(fā)脈沖控制的方法。

　　2 單片機觸發(fā)器的組成

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

　　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為基準，經(jīng)過一定的相位延遲后，再輸出觸發(fā)信號使晶閘管導(dǎo)通。在實際應(yīng)用中，自然換相點通過同步信號給出，再按同步電壓過零檢測的方法在CPU中實現(xiàn)同步，并由CPU控制軟件完成移相計算，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)脈沖信號輸出的時序也可由單片機根據(jù)同步信號電平確定，當(dāng)單片機檢測到A相同步信號時，輸出脈沖時序通常采用移相觸發(fā)脈沖的方法，即用一個同步電壓信號和一個定時器完成觸發(fā)脈沖的計算。這在三相電路對稱時是可行的。因為三相完全對稱，各相彼此相差120°，電路每隔60°換流一次，且換流的時序事先已知。該方法所用單片機資源少，只需一個同步信號，電路比較簡單，但軟件設(shè)計工作量稍大。

　　因為只用一個同步輸入信號，所有晶閘管的觸發(fā)脈沖延遲都以其為基準。為了保證觸發(fā)脈沖延遲相位的精度，用一個定時器測量同步電壓信號的周期，并由此計算出60°和120°電角度所對應(yīng)的時間。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，每隔60°時間必然要輸出一次觸發(fā)脈沖信號，因此作為基準的第一個觸發(fā)脈沖信號必須調(diào)整到小于60°才能保證觸發(fā)脈沖不遺漏。當(dāng)以A相同步電壓信號為基準，單片機檢測到A相同步電壓信號正跳變時，啟動定時器工作，當(dāng)定時器溢出時，輸出第一個觸發(fā)脈沖信號，以后由所計算出的周期確定每隔60°己時輸出一次觸發(fā)脈沖，直到單片機再次檢測到A相同步信號的正跳變時，這個周期結(jié)束，開始下一個周期。需要注意，從單片機檢測到同步電壓正跳變到輸出第一個觸發(fā)脈沖信號的時間，必須調(diào)整到小于等于60°電角度時間，否則會造成觸發(fā)脈沖的遺漏。第一個觸發(fā)脈沖相對于同步信號正跳變的時間，可根據(jù)三相橋式全控整流電路的觸發(fā)時序來調(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為同步脈沖信號的一個標準周期360°；g0表示同步脈沖信號，gl、g2、g3、g4、g5、g6分別表示VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6觸發(fā)脈沖信號；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°，此時以A相同步信號為基準，并按延遲角時間定時實現(xiàn)的第一個脈沖輸出，應(yīng)該是A相VT1晶閘管的觸發(fā)信號，觸發(fā)延遲時間和觸發(fā)脈沖的時序無需調(diào)整，之后每隔60°時間依次輸出VT2、VT3、VT4、VT5、VT6晶閘管的觸發(fā)信號。

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

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

　　4 觸發(fā)器硬件組成

　　圖4給出單片機控制的移相觸發(fā)脈沖控制硬件電路圖。單片機選用AT89C2051，其屬于MCS一51系列小型單片機，共有20個引腳，2 KB內(nèi)存。同步信號的輸入經(jīng)電阻R1，R1起到限流和保護的作用，正弦同步信號經(jīng)VD1和VD2兩個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。同步檢測信號發(fā)生正跳變時，經(jīng)反相以中斷方式向單片機的INT0(引腳6)提供同步指令，從表面上看好像是外部中斷信號輸入，實際上是要量脈沖的寬度，這決定于信號到來的時間。使用該比較電路，無論輸入的同步電壓信號高還是低，LM339的輸出信號都能較準確的反映同步輸入信號的過零點，R2和C3對輸出信號進行濾波，以避免輸出信號出現(xiàn)波動。由于AT89C2051為8位單片機，所以該觸發(fā)器內(nèi)部均為8位數(shù)字量計算，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，6路脈沖信號經(jīng)741504反相放大，推動功率放大器TD62004，該器件的輸出連接到脈沖變壓器的初級繞組。為了使復(fù)位更可靠，采用先進的專用上電復(fù)位器件X25045，該器件具有可編程定時器，采用SPI總線結(jié)構(gòu)。定時器看門狗的作用是保證在設(shè)定的時間內(nèi)，若系統(tǒng)程序走死，不能定時訪問X25045的片選端，X25045將能對系統(tǒng)復(fù)位．提高了系統(tǒng)的可靠性，給單片機提供獨立的保護系統(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反饋信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后進行數(shù)字PI調(diào)節(jié)，構(gòu)成電壓負反饋閉環(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

　　移相觸發(fā)脈沖的控制軟件可方便進行延遲計算，由軟件完成系統(tǒng)初始化、初值的輸入和電角度時間的計算并送入定時器，通過外部中斷實現(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)信號的觸發(fā)，應(yīng)采用低電平為有效觸發(fā)晶閘管的信號。移相觸發(fā)脈沖控制軟件流程圖如圖5所示。

　　6 結(jié)語

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