基于三相可控硅的半控橋數(shù)字觸發(fā)器設(shè)計(jì)

　　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

　　可控硅控制角α由下式求出：

　　大電感負(fù)載時(shí)，三相半控橋式整流電路輸出電壓Ud與控制角α的關(guān)系為：

　　上式表明三相半控橋式整流電路輸出電流Id與控制角α是非線性的，而(1)式是建立在線性化基礎(chǔ)上的，所以必須通過下面的式子予以修正：

　　為了簡(jiǎn)化程序，采用U給定-ω-α′查表方式獲得控制角α。由于單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器為10位的，給定電壓5V經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后為3FFH=1023，若分成51檔，則：

　　所以ω=33H正好對(duì)應(yīng)給定電壓U=5V;當(dāng)U=4.9V時(shí)，二進(jìn)制數(shù)為1003H，則：

　　其余類推，即正好0 。 1 V對(duì)應(yīng)0 1 H，0.2V對(duì)應(yīng)02H，…等，這樣便于查表。

　　利用一個(gè)過零檢測(cè)電路在同步電壓UAC從負(fù)半波到正半波過零時(shí)刻產(chǎn)生同步脈沖，因?yàn)閁AC落后于相電壓UA30°，所以同步脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻正好是A 相電壓的自然換相點(diǎn)，A、B、C各相的自然換相點(diǎn)彼此相差120°，當(dāng)A相的自然換相點(diǎn)找到后，其余B、C相的自然換相點(diǎn)彼此相差時(shí)刻為T/3，T為上次測(cè)到的電壓周期，可用測(cè)量相鄰兩個(gè)同步脈沖的時(shí)間間隔得到。

　　設(shè)2 T、1 T分別為本次同步脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻和上次脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻。當(dāng)1 T 》 1 T時(shí)，則：

　　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αt )，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)α1 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。

　　在中斷服務(wù)子程序中完成置角度初值，測(cè)量及計(jì)算電源電壓周期，設(shè)置第一個(gè)時(shí)間間隔，啟動(dòng)軟件定時(shí)器0和定時(shí)器1.軟件定時(shí)器0中斷處理子程序?？刂平?alpha;用一個(gè)軟件定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)時(shí)刻來獲得。當(dāng)同步脈沖出現(xiàn)后，此即為A相的自然換相點(diǎn)(即A相α=0的時(shí)刻)，此時(shí)將與控制角對(duì)應(yīng)的時(shí)刻置入軟件定時(shí)器0.當(dāng)軟件定時(shí)器到時(shí)后，一方面發(fā)出A相的觸發(fā)脈沖，另一方面又將T/3時(shí)刻置入軟件定時(shí)器0;當(dāng)軟件定時(shí)器到時(shí)，一方面發(fā)出B相的觸發(fā)脈沖，另一方面又將T/3 時(shí)刻置入軟件定時(shí)器0;當(dāng)軟件定時(shí)器到時(shí)，發(fā)出C相的觸發(fā)脈沖，此時(shí)不可再將T/3時(shí)刻置入軟件定時(shí)器0.很明顯，當(dāng)給定電壓固定時(shí)，A、B、C三相的觸發(fā)脈沖一定是相差T/3的，所以在A相的同步脈沖出現(xiàn)后，將αt置入軟件定時(shí)器0，軟件定時(shí)器0到時(shí)時(shí)刻所就是所需的A相脈沖的控制角α。在子程序中完成給定電壓與反饋電壓的采樣，控制角α計(jì)算，標(biāo)度變換以及將控制角度數(shù)值送到顯示緩沖區(qū)等工作。程序框圖略。圖5是同步中斷子程序框圖。

　　采用16位單片機(jī)80C196KC系統(tǒng)，器件減少、結(jié)構(gòu)緊湊，整個(gè)觸發(fā)器電路大為簡(jiǎn)化，并且，由于單片機(jī)運(yùn)算速度快，采樣與顯示可以在兩次同步信號(hào)之間完成而且每次同步信號(hào)都被采樣，因而中斷程序可以按照最新的采樣數(shù)據(jù)調(diào)整觸發(fā)脈沖的移相角。實(shí)驗(yàn)表明，該觸發(fā)器的動(dòng)態(tài)特性好、控制精度高。