??? 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(jī)技術(shù),采用MCS-8096單片機(jī)為控制核心,設(shè)計(jì)了一種新型的微機(jī)數(shù)字觸發(fā)器" title="數(shù)字觸發(fā)器">數(shù)字觸發(fā)器,給出了其硬件和軟件詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)方法。?

??? 關(guān)鍵詞: 晶閘管? 數(shù)字觸發(fā)器? 單片機(jī)? 微機(jī)技術(shù)

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??? 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)電路的控制精度與穩(wěn)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(dá)到要求,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(shí)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(jì)數(shù)器、脈沖分配器等幾個(gè)部分組成。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展特別是微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,采用以單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)數(shù)字式觸發(fā)器,可以大大簡化硬件電路的組成,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(dá)0.1°～0.01°,甚至更高。另外由于軟件的可編程性,使微機(jī)數(shù)字觸發(fā)器的調(diào)節(jié)范圍相當(dāng)靈活,能滿足多方面的需要。?

??? MCS-96系列單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換通道,具有高速輸入口HSI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端口HSO可以按程序規(guī)定的時(shí)間去觸發(fā)某一事件。當(dāng)HSO的觸發(fā)時(shí)刻在內(nèi)容定址存儲區(qū)CAM中確定以后,規(guī)定的時(shí)間一到,在HSO端口上即可產(chǎn)生觸發(fā)脈沖" title="觸發(fā)脈沖">觸發(fā)脈沖,而且觸發(fā)脈沖的上升沿" title="上升沿">上升沿和下降沿產(chǎn)生的時(shí)刻可以同時(shí)設(shè)定。利用HSO的這一特點(diǎn),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(diǎn),設(shè)計(jì)觸發(fā)器的硬件和軟件。?

1 觸發(fā)器的硬件設(shè)計(jì)

??? 微機(jī)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" title="輸入信號">輸入信號預(yù)處理電路、同步脈沖" title="同步脈沖">同步脈沖產(chǎn)生電路、脈沖的形成與輸出電路、存儲器擴(kuò)展及附屬電路等幾個(gè)部分。硬件框圖如圖1所示。

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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(shí)刻與主電源電壓的某一個(gè)固定的相位點(diǎn)之間相差一個(gè)控制角α),對應(yīng)這一觸發(fā)時(shí)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(shí)刻均由同步基準(zhǔn)決定,這在三相橋式電路中就需要有六個(gè)同步基準(zhǔn)交流電壓;而相對觸發(fā)方式僅需一個(gè)同步基準(zhǔn)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖由同步基準(zhǔn)產(chǎn)生后,再以第一個(gè)觸發(fā)脈沖作為下一個(gè)觸發(fā)脈沖的基準(zhǔn)。在三相橋式電路中,兩相鄰觸發(fā)脈沖之間相差60°電角度,但由于電網(wǎng)頻率會(huì)在50Hz附近波動(dòng),所以必須進(jìn)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(dāng)用線電壓Uac作為同步電壓時(shí),同步基準(zhǔn)在三相橋式電路中,它的上跳沿正好是α=0°的基準(zhǔn);而當(dāng)用相電壓Ua作同步電壓時(shí)就有-30°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(gè)微分信號就是同步相位脈沖,其周期為電網(wǎng)的周期。?

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1.2 觸發(fā)脈沖隔離、驅(qū)動(dòng)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(jī)發(fā)出的觸發(fā)脈沖必須經(jīng)隔離、驅(qū)動(dòng)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。?

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??? 當(dāng)單片機(jī)8096高速輸出口HSO無脈沖信號時(shí),光電隔離器TIL117截止,三極管BG截止,變壓器無脈沖輸出;當(dāng)HSO有脈沖信號時(shí),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(jī)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(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。而實(shí)際的輸入不僅有幅值的差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(biāo)準(zhǔn)電壓信號。?

??? 此外,微機(jī)數(shù)字觸發(fā)器電路中,由于8096單片機(jī)具有64kB的尋址空間,除了256個(gè)內(nèi)部特殊存儲器外,其余空間均需擴(kuò)展,所以硬件電路中還包括用來存放系統(tǒng)控制程序、實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)、各種中間結(jié)果等的存儲器擴(kuò)展電路以及復(fù)位電路、模擬基準(zhǔn)高精度5V電源、12MHz晶振和用于顯示的單片機(jī)附屬電路。?

2 觸發(fā)器的軟件設(shè)計(jì)?

??? 觸發(fā)器的軟件設(shè)計(jì)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(gè)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。?

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2.2 脈沖同步與移相?

??? 在此裝置中,當(dāng)同步脈沖信號的上跳沿發(fā)生時(shí),8096的HSI.0中斷立即響應(yīng),獲取并計(jì)算α值,以實(shí)現(xiàn)脈沖的同步與移相。?

??? 利用相鄰?fù)叫盘柹仙刂g的時(shí)間差來計(jì)算電網(wǎng)周期。設(shè)前一個(gè)同步脈沖基準(zhǔn)到來時(shí)定時(shí)器T1計(jì)數(shù)值為t₁,當(dāng)前同步基準(zhǔn)到來時(shí)定時(shí)器計(jì)數(shù)值為t₂,則電網(wǎng)周期T=t₂-t₁。單位電角度對應(yīng)的時(shí)間為T/360°,電角度對應(yīng)的時(shí)間T_1U=αT/360°,T_1U即為在同步脈沖上升沿發(fā)生后第一個(gè)脈沖的觸發(fā)時(shí)間。第一個(gè)脈沖產(chǎn)生時(shí)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。?

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2.3 脈沖的形成與輸出?

??? 利用8096軟硬件定時(shí)器,高速輸出通道HSO和高速輸入通道HSI的功能,使用軟件定時(shí)中斷,在六路HSO口實(shí)現(xiàn)六路觸發(fā)脈沖的輸出。?

??? 當(dāng)同步信號的正跳沿發(fā)生時(shí),立即引起HSI.0外中斷,由脈沖同步與移相的子程序計(jì)算每周期第一個(gè)脈沖上升沿對應(yīng)的定時(shí)值T_1U。脈沖下降沿定時(shí)值T_1D由其脈寬決定,設(shè)脈寬對應(yīng)的電角度為15°,則T_1D=(α+15°)T/360,將T_1U、T_1D值置入HSO的內(nèi)容定址存儲區(qū)CAM中,HSO通過與定時(shí)器T₁比較,在T_1U時(shí)刻輸出高電平,在T_1D時(shí)刻輸出低電平,這樣就形成了1號觸發(fā)脈沖。?

??? 當(dāng)1號脈沖上升沿到來時(shí),HSO產(chǎn)生中斷,根據(jù)當(dāng)前值,加上兩相鄰沖之間的相位差Δα(在三相橋電路中Δα=60°),則2號脈沖的定時(shí)值為:上升沿定值T_2U=(α+60°)T/360°,下降沿定時(shí)值T_2D=(α+75°)T/360°。同理當(dāng)2號至5號脈沖的上升沿產(chǎn)生時(shí),也分別引起HSO中斷,產(chǎn)生3號至6號觸發(fā)脈沖。?

??? 脈沖的形成與輸出子程序框圖如圖6所示。?

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??? 利用8096單片機(jī)的HSI、HSO及10位A/D轉(zhuǎn)換通道設(shè)計(jì)的微機(jī)數(shù)字觸發(fā)器,不需要增加很多其它外圍電路,就可實(shí)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(jì)變得簡單,實(shí)現(xiàn)容易。在本裝置的設(shè)計(jì)中改變模擬輸入U(xiǎn)x的大小,可方便地實(shí)現(xiàn)α角移相,并且有較大的移相范圍。利用HSI.0兩次中斷的時(shí)間間隔,可動(dòng)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(jī)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(jì)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(kuò)展,將單片機(jī)與上位機(jī)連接,由上位機(jī)下達(dá)α角的調(diào)節(jié)命令,能夠使整個(gè)控制系統(tǒng)更加完善。?

參考文獻(xiàn)?

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