基于一種三相可控硅半控橋數(shù)字觸發(fā)器的設(shè)計(jì)

本文介紹了一種利用80C196單片機(jī)作為數(shù)字觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)對(duì)三相可控硅半控橋電路移相觸發(fā)的方法。給出了數(shù)字觸發(fā)器的電路設(shè)計(jì)、工作原理、控制角算法及程序流程圖。

一、引言

三相可控硅橋式半控整流電路可以在交流電源電壓不變的情況下，通過改變可控硅的觸發(fā)電路控制角來實(shí)現(xiàn)對(duì)整流電路直流輸出電壓的控制，這種電路在中等容量的整流裝置或不要求可逆的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。傳統(tǒng)的三相橋式半控整流電路需要三套獨(dú)立的模擬式觸發(fā)器來觸發(fā)可控硅，由于模擬式觸發(fā)器存在著線路復(fù)雜、調(diào)整困難、可靠性低的問題，為此，本文提出一種用80C196KC單片機(jī)組成的數(shù)字觸發(fā)器電路，控制電路大為簡(jiǎn)化，所產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖具有移相范圍寬、控制精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，其性能指標(biāo)優(yōu)于模擬式觸發(fā)器。

二、電路組成及原理分析

1.三相可控硅半控橋式整流電路的數(shù)字觸發(fā)器由80C196KC單片機(jī)最小系統(tǒng)、同步檢測(cè)電路、脈沖功率放大電路組成，如圖1所示。單片機(jī)8 0 C 1 9 6 K C、鎖存器、27C256程序存儲(chǔ)器、62C256數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器構(gòu)成最小系統(tǒng)。80C196KC為Intel公司16位高性能單片機(jī)，它的功耗極低，除正常工作外，還可以工作在待機(jī)和掉電兩種節(jié)電方式。其工作速度比51單片機(jī)高數(shù)倍。總線寬度為8/16位可選，而內(nèi)部寬度總是16位的。80C196KC內(nèi)含8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，512字節(jié)RAM,2個(gè)硬件定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)監(jiān)視跟蹤定時(shí)器，晶振為12MHz.單片機(jī)根據(jù)給定與反饋信號(hào)的差值，經(jīng)運(yùn)算后形成控制角為α 的移相脈沖從HS0.0~0.2口腳輸出。

2.同步信號(hào)檢測(cè)由光電隔離、比較器和整形電路組成(如圖2)。由同步變壓器送過來的線電壓UAC的過零點(diǎn)時(shí)，在光電隔離器的輸出端產(chǎn)生一個(gè)方波，經(jīng)反相器U1整形、RC電路微分后產(chǎn)生一個(gè)脈沖作為外部中斷信號(hào)加到80C196KC的EXTINT端，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖與電源同步。為了簡(jiǎn)化電路，本系統(tǒng)采用了相對(duì)觸發(fā)方式，只需要單相同步即可。

3.脈沖功率放大電路。如圖3所示，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大電感負(fù)載的可靠觸發(fā)，本觸發(fā)電路使用脈沖序列觸發(fā)方式。從單片機(jī)端口HS0.0~0.2輸出的脈沖送入由555組成的脈沖簇形成電路，經(jīng)過場(chǎng)效應(yīng)管功率放大和脈沖變壓器隔離后，輸出到可控硅的觸發(fā)極。

三、控制角算法

在每一相的自然換相點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)刻起動(dòng)軟件定時(shí)器(其整定時(shí)刻為α t )，軟件定時(shí)器到時(shí)時(shí)刻即為該相發(fā)出觸發(fā)脈沖(控制角為α )的時(shí)刻。

三相橋式半控整流電路帶大電感負(fù)載時(shí)的移相范圍為0~180°。當(dāng)控制角α 大于120°時(shí)，相鄰兩個(gè)可控硅觸發(fā)電路可能同時(shí)工作，所以在模擬式觸發(fā)電路中每個(gè)可控硅必須有自己的觸發(fā)電路。由于一個(gè)單片機(jī)只能組成一個(gè)數(shù)字觸發(fā)電路，為了使三相電路能共用一個(gè)觸發(fā)電路，我們必須將控制角α 限制在120°以內(nèi)。這可以通過改變觸發(fā)順序的辦法來實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)α120°時(shí)，在0~120°時(shí)觸發(fā)A相可控硅VT1;在120°~240°時(shí)觸發(fā)B相可控硅VT2;在240°~360°時(shí)觸發(fā)C相可控硅V T 3 .當(dāng)α > 1 2 0 ° 時(shí)， 按理應(yīng)在120°~240°時(shí)VT1,以后每隔120°觸發(fā)VT2、VT3,但也可以0~120°時(shí)以α ′ =α-120°觸發(fā)VT3,過120°以后以α ′ 觸發(fā)V T 1.顯然兩者是等效的，但這樣處理后，控制角可以限制在120°以內(nèi)，就可以共用一個(gè)觸發(fā)器了。

四、軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字觸發(fā)器的程序由主程序、同步電路中斷處理子程序、軟件定時(shí)中斷處理子程序、鍵盤與顯示處理子程序等四個(gè)模塊組成。為了提高指令運(yùn)行速度，本電路所有程序采用匯編語(yǔ)言編寫，而且采用了模塊化結(jié)構(gòu)，為程序的編寫和修改提供了方便。本文簡(jiǎn)要介紹前三個(gè)模快。

1.主程序主要完成80C196單片機(jī)的堆棧指針設(shè)計(jì)、清工作單元、設(shè)置初始值、開放中斷、鍵盤掃描等的初始化工作，框圖如圖4所示。

2.同步電壓中斷子程序。當(dāng)同步電壓由正半波到負(fù)半波過零時(shí)刻產(chǎn)生一個(gè)尖脈沖，加到單片機(jī)的EXTINT端引發(fā)外部中斷。