基于單片機的晶閘管觸發(fā)器的研究與設計

　　1 引言

　　晶閘管也叫可控硅整流器．是目前工業(yè)應用中最為廣泛的大功率變換器件。晶閘管在燒結爐、電弧爐等整流場(chǎng)合主要采用移相觸發(fā)控制，即通過(guò)調節晶閘管導通時(shí)刻的相位實(shí)現控制輸出。傳統的晶閘管觸發(fā)器采用模擬控制電路，無(wú)法克服其固有缺點(diǎn)。數字式控制電路與模擬式相比，主要優(yōu)點(diǎn)是輸出波形穩定和可靠性高，但其缺點(diǎn)是電路比較復雜，移相觸發(fā)角較大時(shí)控制精度不高。隨著(zhù)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，除具有與數字式觸發(fā)電路相同的優(yōu)點(diǎn)外，更因其移相觸發(fā)角通過(guò)軟件計算完成，觸發(fā)電路結構簡(jiǎn)單，控制靈活，溫漂影響小，控制精度可通過(guò)軟件補償，移相范圍可任意調節等特點(diǎn)，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，介紹應用單片機組成晶閘管觸發(fā)器硬件電路的設計，以及軟件實(shí)現移相觸發(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、復位電路和觸發(fā)脈沖驅動(dòng)電路4部分組成，如圖l所示。CPU通過(guò)檢測電路獲知觸發(fā)信號，依據所要控制的電路要求，通過(guò)編程實(shí)現預定的程序流程，在相應時(shí)間段內通過(guò)單片機I/O端輸出觸發(fā)脈沖信號，復位電路可保證系統安全可靠的運行。

　　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(diǎn)為基準，經(jīng)過(guò)一定的相位延遲后，再輸出觸發(fā)信號使晶閘管導通。在實(shí)際應用中，自然換相點(diǎn)通過(guò)同步信號給出，再按同步電壓過(guò)零檢測的方法在CPU中實(shí)現同步，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(shí)序也可由單片機根據同步信號電平確定，當單片機檢測到A相同步信號時(shí)，輸出脈沖時(shí)序通常采用移相觸發(fā)脈沖的方法，即用一個(gè)同步電壓信號和一個(gè)定時(shí)器完成觸發(fā)脈沖的計算。這在三相電路對稱(chēng)時(shí)是可行的。因為三相完全對稱(chēng)，各相彼此相差120°，電路每隔60°換流一次，且換流的時(shí)序事先已知。該方法所用單片機資源少，只需一個(gè)同步信號，電路比較簡(jiǎn)單，但軟件設計工作量稍大。

　　因為只用一個(gè)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(gè)定時(shí)器測量同步電壓信號的周期，并由此計算出60°和120°電角度所對應的時(shí)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)導通一只晶閘管，也就是說(shuō)，每隔60°時(shí)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(gè)觸發(fā)脈沖信號必須調整到小于60°才能保證觸發(fā)脈沖不遺漏。當以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(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器工作，當定時(shí)器溢出時(shí)，輸出第一個(gè)觸發(fā)脈沖信號，以后由所計算出的周期確定每隔60°己時(shí)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(shí)，這個(gè)周期結束，開(kāi)始下一個(gè)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(gè)觸發(fā)脈沖信號的時(shí)間，必須調整到小于等于60°電角度時(shí)間，否則會(huì )造成觸發(fā)脈沖的遺漏。第一個(gè)觸發(fā)脈沖相對于同步信號正跳變的時(shí)間，可根據三相橋式全控整流電路的觸發(fā)時(shí)序來(lái)調整，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(gè)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通的時(shí)序要求，輸出觸發(fā)脈沖分為3種情況：

　　(1)當移相觸發(fā)延遲角α≤60°，此時(shí)以A相同步信號為基準，并按延遲角時(shí)間定時(shí)實(shí)現的第一個(gè)脈沖輸出，應該是A相VT1晶閘管的觸發(fā)信號，觸發(fā)延遲時(shí)間和觸發(fā)脈沖的時(shí)序無(wú)需調整，之后每隔60°時(shí)間依次輸出VT2、VT3、VT4、VT5、VT6晶閘管的觸發(fā)信號。

　　(2)當移相觸發(fā)延遲角60°α≤120°時(shí)，為保證觸發(fā)脈沖不遺漏，應將觸發(fā)延遲角的定時(shí)時(shí)間調整在60°時(shí)間之內，即減去一個(gè)60°時(shí)間。同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖的時(shí)序也要進(jìn)行調整，此時(shí)第一個(gè)輸出觸發(fā)脈沖信號應該是B相，VT6晶閘管的觸發(fā)信號，之后每隔60°時(shí)間依次輸出VT1、VT2、VT3、VT4、VT5晶閘管的觸發(fā)信號。

　　(3)當移相觸發(fā)延遲角α>120°時(shí)，要將觸發(fā)延遲角的定時(shí)時(shí)間調整在60°時(shí)間內，從而保證觸發(fā)脈沖不遺漏，則需減去一個(gè)120°時(shí)間，并且對觸發(fā)脈沖時(shí)序進(jìn)行相應調整，此時(shí)第一個(gè)輸出觸發(fā)脈沖信號應該是C相VT5晶閘管的觸發(fā)信號，之后每隔60°時(shí)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(gè)引腳，2 KB內存。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(gè)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(shí)，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(shí)際上是要量脈沖的寬度，這決定于信號到來(lái)的時(shí)間。使用該比較電路，無(wú)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(guò)零點(diǎn)，R2和C3對輸出信號進(jìn)行濾波，以避免輸出信號出現波動(dòng)。由于A(yíng)T89C2051為8位單片機，所以該觸發(fā)器內部均為8位數字量計算，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部運算位數的限制，但足以滿(mǎn)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(dòng)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。為了使復位更可靠，采用先進(jìn)的專(zhuān)用上電復位器件X25045，該器件具有可編程定時(shí)器，采用SPI總線(xiàn)結構。定時(shí)器看門(mén)狗的作用是保證在設定的時(shí)間內，若系統程序走死，不能定時(shí)訪(fǎng)問(wèn)X25045的片選端，X25045將能對系統復位．提高了系統的可靠性，給單片機提供獨立的保護系統。其他的端口如P1端口的P1．0～P1．1(引腳12和13)可作為過(guò)壓、過(guò)流指示，P3端口的P3.4~P3．5(引腳8和9)作為過(guò)壓和過(guò)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轉換后進(jìn)行數字PI調節，構成電壓負反饋閉環(huán)控制，以保證整流輸出端電壓穩定。

　　5 移相觸發(fā)脈沖控制軟件的設計

　　移相觸發(fā)脈沖的控制軟件可方便進(jìn)行延遲計算，由軟件完成系統初始化、初值的輸入和電角度時(shí)間的計算并送入定時(shí)器，通過(guò)外部中斷實(shí)現觸發(fā)延遲角的處理。由于A(yíng)T89C2051上電復位期間所有端口均輸出高電平，為了保證復位期間所有晶閘管都沒(méi)有觸發(fā)信號的觸發(fā)，應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 結語(yǔ)

　　在實(shí)驗中加入數字PI調節，構成電壓負反饋閉環(huán)控制，使輸出電壓穩定運行，提高了觸發(fā)脈沖的對稱(chēng)度和穩定性，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。該設計方案實(shí)現了晶閘管觸發(fā)器的單片機控制，體現了控制電路簡(jiǎn)單、便于調節且占用CPU資源少的特點(diǎn)，是一種理想的易于推廣的晶閘管觸發(fā)控制設計方案。