基于DSP的晶閘管數字觸發(fā)器的研究與設計

1引言

EAST極向場(chǎng)電源是托卡馬克主要的子系統之一，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和控制手段。對于裝置運行的性能與安全，物理實(shí)驗的成敗與效率，有著(zhù)至關(guān)重要的作用。所以，極向場(chǎng)電源整流控制電路對于實(shí)時(shí)性和控制精度都有相當高的要求。其中，晶閘管的觸發(fā)控制是整流電路的關(guān)鍵環(huán)節。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(wú)法60o改變一次α角，大多的數字觸發(fā)器由過(guò)零檢測、計數器、脈沖分配器組成，本文設計了一種以DSP為控制核心的數字觸發(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，并且軟件易于調試，調節范圍靈活。

2系統組成及硬件流程圖

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°，所以對應每個(gè)整流器的相同位置的晶閘管得移相脈沖因此也因相應的相差180°相位。對于每一臺整流器，都設有alpha控制器一塊，所以只要分析其中一臺整流器。

3路同步變壓器的線(xiàn)電壓，經(jīng)過(guò)光耦和比較器處理成方波，再經(jīng)過(guò)阻容濾波和施密特觸發(fā)器，成為同步脈沖信號。Alpha信號由控制室發(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)運放，即0v對應150^o，3.3v對應15^o。

圖1：結構原理圖

3 DSP控制原理及軟件設計

3.1 DSP控制原理

所選DSP芯片為T(mén)MS320LF2407,這是一款由TI公司研制的性?xún)r(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)捕獲單元檢測六個(gè)同步過(guò)零信號，同步信號到來(lái)時(shí)，相應捕獲產(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，其所對應的線(xiàn)性關(guān)系為Alpha=－135/3.3*u+150。由于2407僅有四個(gè)定時(shí)器，所以在本文的設計中，ab相與ba相的觸發(fā)脈沖是基于T1產(chǎn)生的，ab過(guò)零時(shí)所對應的觸發(fā)脈沖引腳為PWM1,ba過(guò)零時(shí)所對應觸發(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(guò)零時(shí)所對應觸發(fā)脈沖引腳為PWM7,ca過(guò)零時(shí)所對應觸發(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，所對應引腳為T(mén)2PWM;cb相的觸發(fā)脈沖是基于T4產(chǎn)生的，所對應引腳為T(mén)4PWM；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)現其Alpha角在15o ～150o范圍內的控制。

圖2：觸發(fā)脈沖產(chǎn)生原理圖

3.2 軟件流程

當捕獲單元檢測到同步信號時(shí)，產(chǎn)生捕獲中斷，進(jìn)入捕獲中斷，啟動(dòng)定時(shí)器，開(kāi)始計數；復位ADC,啟動(dòng)ADC去采Alpha的值，所采的值為電平信號（u），所對應的數字值（D）為：D＝1023×u/3.3，根據所設定的定時(shí)器的預定標系和系統時(shí)鐘來(lái)計算Alpha所對應的計數值，將計數值載入全比較寄存器CMPRx（T1、T3）或者比較寄存器TxCMPR(T2、T4)，根據所需要的脈沖寬度，加上一個(gè)計數值載入周期寄存器TxPR。設置周期中斷，周期產(chǎn)生中斷時(shí)，使定時(shí)器停止計數，相應的，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)驗結果

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)晶閘管導通時(shí)，要補給前一個(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，根據晶閘管導通的順序，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)現晶閘管的雙窄脈沖觸發(fā)。