微機數(shù)字觸發(fā)器的研制

摘要：觸發(fā)電路是晶閘管整流器的重要組成部分。利用微機技術(shù)，采用MCS-8096單片機為控制核心，設(shè)計了一種新型的微機數(shù)字觸發(fā)器，給出了其硬件和軟件詳細的實現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：晶閘管 數(shù)字觸發(fā)器 單片機 微機技術(shù) 晶閘管整流器裝置在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。晶閘管的觸發(fā)控制則是應(yīng)用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，觸發(fā)電路的控制精度與精定性將直接決定主回路的工作性能。晶閘管的觸發(fā)電路，大體上可以分為模擬和數(shù)字兩大類。模擬電路由分立元件組成，體積較大，控制精度較低，很難達到標，現(xiàn)在已很少采用；晶閘管觸發(fā)信號，本質(zhì)上是一種離散量，可由數(shù)字信號實現(xiàn)。目前已有大量的數(shù)字式觸發(fā)器產(chǎn)品問世，這些數(shù)字觸發(fā)器大體由過零檢測器、計數(shù)器、脈沖分配器等幾個部分組成。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展特點是微型計算機的廣泛應(yīng)用，采用以單片機為控制核心設(shè)計數(shù)字式觸發(fā)器，可以大大簡人硬件電路的組成，并可提高觸發(fā)器的控制精度，其中觸發(fā)角α的分辨率可達0.1%26;#176;～0.01%26;#176;，甚至更高。另外由于軟件的可編程性，使微機數(shù)字觸發(fā)器的調(diào)節(jié)范圍相當靈活，能滿足多方面的需要。MCS-96系列單片機自帶A/D轉(zhuǎn)換通道，具有高速輸入口HIS和高速輸出口HSO，對于脈沖的檢測和生成極其方便。其中六路并行的高速輸出HSO可以按程序規(guī)定的時間去觸發(fā)其一事件。當HSO的觸發(fā)時刻在內(nèi)容定址存儲區(qū)CAM中確定以后，規(guī)定的時間一到，在HSO端口上即可產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，而且觸發(fā)脈沖的上升沿和下降沿產(chǎn)生的時刻可以同時設(shè)定。利用HSO的這一特點，能夠很方便地構(gòu)成晶閘管整流器的觸發(fā)電路。 本文以三相全控橋式整流電路為討論的重點，設(shè)計觸發(fā)器的硬件和軟件。1 觸發(fā)器的硬件設(shè)計 微機數(shù)字觸發(fā)器的硬件電路主要以MCS-8096為控制核心，包括輸入信號預(yù)處理電路、同步脈沖產(chǎn)生電路、脈沖的形成與輸出電路、存儲器擴展及附屬電路等幾個部分。硬件框圖如力所示。 1.1 同步脈沖產(chǎn)生電路 在各種晶閘管整流電路中，各晶閘管的觸發(fā)脈沖必須與加在晶閘管上的交流主電源電壓有相對固定的相位關(guān)系（即各管的觸發(fā)時刻與主電源電壓的某一個固定的相位點之間相差一個控制角α），對應(yīng)這一觸發(fā)時刻的脈沖稱為同步脈沖，完成這一任務(wù)的電路就是同步脈沖產(chǎn)生電路。數(shù)字觸發(fā)器根據(jù)同步脈沖的不同觸發(fā)方式分為絕對觸發(fā)和相對觸發(fā)方式。所謂絕對觸發(fā)方式是指每一觸發(fā)脈沖的形成時刻均由同步基準決定，這在三相橋式電路中就需要有六個同步基準交流電壓；而相對觸發(fā)方式僅需一個同步基準。當?shù)谝粋€脈沖由同步基準產(chǎn)生后，再以第一個觸發(fā)脈沖作為下一個觸發(fā)脈沖的基準。在三相橋式電路中，兩相鄰觸發(fā)脈沖之間相差60%26;#176;電角度，但由于電網(wǎng)頻率會在50Hz附近波動，所以必須進行電網(wǎng)周期的跟蹤測量。同步脈沖電壓可以用相電壓Ua，也可以用線電壓Uac。當用線電壓Uac作為同步電壓時，同步基準在三相橋式電路中，它的上跳沿正好是α=0%26;#176;的基準；而當用相電壓Ua作同步電壓時就有-30%26;#176;的相位差。在本裝置的同步脈沖電路中，以線電壓Uac作為同步電壓。電路如圖2所示。線電壓Uac經(jīng)降壓后加至LM339組成的電壓比較器，輸出高、低電平等寬的方波，經(jīng)光電隔離器TIL117及電容、電阻組成的微分電路，形成微分信號，這個微分信號就是同步相位脈沖，其周期為電網(wǎng)的周期。 1.2 觸發(fā)脈沖隔離、驅(qū)動與輸出電路 為了防止干擾和滿足晶閘管的門極對觸發(fā)脈沖功率的要求，由單片機發(fā)出的觸發(fā)脈沖必須經(jīng)隔離、驅(qū)動才能加至晶閘管的門極。此電路由緩沖器、光電隔離器、變壓器等器件組成，如圖3所示。 當單片機8096高速輸出口HSO無脈沖信號時，光電隔離器TIL117截止，三極管BG截止，變壓器無脈沖輸出；當HSO有脈沖信號時，光隔TIL117導(dǎo)通，從而使相應(yīng)的三極管BG導(dǎo)通，這樣觸發(fā)脈沖經(jīng)脈沖變壓器T輸出，促使晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通。 1.3 輸入信號預(yù)處理電路 輸入信號預(yù)處理電路的主要作用是產(chǎn)生脈沖移相控制信號。由于8096具有四路10位A/D轉(zhuǎn)換通道，不需要再外接A/D轉(zhuǎn)換電路。但8096單片機A/D轉(zhuǎn)換器對外加控制電壓有一定要求，它只允許0至+5V的標準電壓進行轉(zhuǎn)換。而實際的輸入不僅有幅值的有效期異而且有極性的不同，因此設(shè)置輸入信號預(yù)處理電路。它的任務(wù)主要是判斷輸入信號的極性，提取輸入信號的幅值，將外加電壓信號轉(zhuǎn)換成0～5V的標準電壓信號。 此外，微機數(shù)字觸發(fā)器電路中，由于8096單片機具有64kB的尋址空間，除了256個內(nèi)部特殊存儲器外，其余空間均需擴展，所以硬件電路中還包括用來存放系統(tǒng)控制程序、實時采樣數(shù)據(jù)、各種中間結(jié)果等的存儲器擴展電路以及復(fù)位電路、模擬基準高精度5V電源、12MHz晶振和用于顯示的單片機附屬電路。 2 觸發(fā)器的軟件設(shè)計 觸發(fā)器的軟件設(shè)計主要分為主程序、脈沖同步與移相和脈沖的形成與輸出等幾個部分，分別說明如下。 2.1 主程序 主程序是系統(tǒng)程序，主要完成系統(tǒng)初始化、α角度的顯示及等待中斷等功能，主程序框圖如圖4所示。 2.2 脈沖同步與移相 在此裝置中，當同步脈沖信號的上跳沿發(fā)生時，8096的HIS.0中斷立即響應(yīng)，獲取并計算α值，以實現(xiàn)脈沖的同步與移相。 利用相鄰?fù)叫盘柹仙刂g的時間差來計算電網(wǎng)周期。設(shè)前一個同步脈沖基準到來時定時器T1計數(shù)值為t1，當前同步基準到來時定時器計數(shù)值為t2，則電風周期T=t2-t1。單位電角度對應(yīng)時間為T/360%26;#176;，電角度對應(yīng)的時間T1U=αT/360%26;#176;，T1U即為在同步脈沖上升沿發(fā)生后第一個脈沖解發(fā)時間。第一個脈沖產(chǎn)生時間的變化就意味著脈沖移相。脈沖同步與移相的子程序框圖如圖5所示。 2.3 脈沖的形成與輸出 利用8096軟硬件定時器，高速輸出通道HSO和高速輸入通道HIS的功能，使用軟件定時中斷，在六路HSO口實現(xiàn)六路觸發(fā)脈沖的輸出。 當同步信號的正跳沿發(fā)生時，立即引起HIS.0外中斷，由脈沖同步與移相的子程序，計算每周期第一個脈沖上升沿對應(yīng)的定時值T1U。脈沖下降沿定時值T1D由其脈寬決定，設(shè)脈寬對應(yīng)的電角度為15%26;#176;，則T1D=（α+15%26;#176;）T/360，將T1U、T1D值置入HSO的內(nèi)容定址存儲區(qū)CAM中，HSO通過與定時器T1比較，在T1U時刻輸出高電平，在T1D時刻輸出低電平這樣就形成了1號觸發(fā)脈沖。 當1號脈沖上升沿到來時，HSO產(chǎn)生中斷，根據(jù)當前值，加上兩相鄰沖之間的相位差Δα（在三相橋電路中Δα=60%26;#176;），則2號脈沖的定時值為：上升沿定值T2U=（α+60%26;#176;）T/360%26;#176;，下降沿定時值T2D=(α+75%26;#176;)T/75%26;#176;）/360%26;#176;。同理當2號至5號脈沖的上升沿產(chǎn)生時，也分別引起HSO中斷，產(chǎn)生3號至6號觸發(fā)脈沖。 脈沖的形成與輸出的HIS、HSO及10位A/D轉(zhuǎn)換通道設(shè)計的微機數(shù)字觸發(fā)器，不需要增加很多其它外圍電路，就可實現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)電路的全部功能，使得觸發(fā)器的硬件電路設(shè)計變得簡單，實現(xiàn)容易。在本裝置的設(shè)計中改變模擬輸入Ux的大小，可方便地實現(xiàn)α角移相，并且有較大的移相范圍。利用HIS.0兩次中斷的時間間隔，可動態(tài)地跟蹤電網(wǎng)周期的變化。另外，只需將軟件程序稍加修改，就可使這種微機數(shù)字觸發(fā)器不僅用于整流，也可用于逆變。所以該裝置的設(shè)計是合理的，并且具有較高的控制精度。此外，還可將此系統(tǒng)擴展，將單片機與上位機連接，由上位機下達α角的調(diào)節(jié)命令，能夠使整個控制系統(tǒng)更加完善。