三相可控硅半控桥数字触发器的设计 - 全文

　　一、引言

　　三相可控硅桥式半控整流电路可以在交流电源电压不变的情况下，通过改变可控硅的触发电路控制角来实现对整流电路直流输出电压的控制，这种电路在中等容量的整流装置或不要求可逆的电力拖动系统中应用较为广泛。传统的三相桥式半控整流电路需要三套独立的模拟式触发器来触发可控硅，由于模拟式触发器存在着线路复杂、调整困难、可靠性低的问题，为此，本文提出一种用80C196KC单片机组成的数字触发器电路，控制电路大为简化，所产生的触发脉冲具有移相范围宽、控制精度高，动态响应快、稳定可靠的特点，其性能指标优于模拟式触发器。

　　二、电路组成及原理分析

　　1.三相可控硅半控桥式整流电路的数字触发器由80C196KC单片机最小系统、同步检测电路、脉冲功率放大电路组成，如图1所示。单片机8 0 C 1 9 6 K C、锁存器、27C256程序存储器、62C256数据存储器构成最小系统。80C196KC为Intel公司16位高性能单片机，它的功耗极低，除正常工作外，还可以工作在待机和掉电两种节电方式。其工作速度比51单片机高数倍。总线宽度为8/16位可选，而内部宽度总是16位的。80C196KC内含 8路10位A/D转换器，512字节RAM，2个硬件定时/计数器，一个监视跟踪定时器，晶振为12MHz.单片机根据给定与反馈信号的差值，经运算后形成控制角为α的移相脉冲从HS0.0~0.2口脚输出。

　　

　　2.同步信号检测由光电隔离、比较器和整形电路组成（如图2）。由同步变压器送过来的线电压UAC的过零点时，在光电隔离器的输出端产生一个方波，经反相器U1整形、RC电路微分后产生一个脉冲作为外部中断信号加到80C196KC的EXTINT端，实现触发脉冲与电源同步。为了简化电路，本系统采用了相对触发方式，只需要单相同步即可。

　　

　　3.脉冲功率放大电路。如图3所示，为了实现对大电感负载的可靠触发，本触发电路使用脉冲序列触发方式。从单片机端口HS0.0~0.2输出的脉冲送入由555组成的脉冲簇形成电路，经过场效应管功率放大和脉冲变压器隔离后，输出到可控硅的触发极。

　　

　　三、控制角算法

　　可控硅控制角α由下式求出：

　　

　　大电感负载时，三相半控桥式整流电路输出电压Ud与控制角α的关系为：

　　

　　上式表明三相半控桥式整流电路输出电流Id与控制角α是非线性的，而（1）式是建立在线性化基础上的，所以必须通过下面的式子予以修正：

　　

　　为了简化程序，采用U给定-ω-α′查表方式获得控制角α。由于单片机的A/D转换器为10位的，给定电压5V经过A/D转换后为3FFH=1023，若分成51档，则：

　　

　　所以ω=33H正好对应给定电压U=5V；当U=4.9V时，二进制数为1003H，则：

　　

　　其余类推，即正好0 。 1 V对应0 1 H，0.2V对应02H，…等，这样便于查表。

　　利用一个过零检测电路在同步电压UAC从负半波到正半波过零时刻产生同步脉冲，因为UAC落后于相电压UA30°，所以同步脉冲出现的时刻正好是A 相电压的自然换相点，A、B、C各相的自然换相点彼此相差120°，当A相的自然换相点找到后，其余B、C相的自然换相点彼此相差时刻为T/3，T为上次测到的电压周期，可用测量相邻两个同步脉冲的时间间隔得到。

　　设2 T、1 T分别为本次同步脉冲出现的时刻和上次脉冲出现的时刻。当1 T 》 1 T时，则：

　　

　　在每一相的自然换相点出现时刻起动软件定时器（其整定时刻为αt ），软件定时器到时时刻即为该相发出触发脉冲（控制角为α）的时刻。

　　三相桥式半控整流电路带大电感负载时的移相范围为0~180°。当控制角α大于120°时，相邻两个可控硅触发电路可能同时工作，所以在模拟式触发电路中每个可控硅必须有自己的触发电路。由于一个单片机只能组成一个数字触发电路，为了使三相电路能共用一个触发电路，我们必须将控制角α限制在120°以内。这可以通过改变触发顺序的办法来实现。

　　当α1 2 0°时，按理应在120°~240°时VT1，以后每隔120°触发VT2、VT3，但也可以0~120°时以α′=α-120°触发VT3，过120° 以后以α′触发V T 1.显然两者是等效的，但这样处理后，控制角可以限制在120°以内，就可以共用一个触发器了。

　　四、软件设计

　　数字触发器的程序由主程序、同步电路中断处理子程序、软件定时中断处理子程序、键盘与显示处理子程序等四个模块组成。为了提高指令运行速度，本电路所有程序采用汇编语言编写，而且采用了模块化结构，为程序的编写和修改提供了方便。本文简要介绍前三个模快。

　　1.主程序主要完成80C196单片机的堆栈指针设计、清工作单元、设置初始值、开放中断、键盘扫描等的初始化工作，框图如图4所示。

　　

　　2.同步电压中断子程序。当同步电压由正半波到负半波过零时刻产生一个尖脉冲，加到单片机的EXTINT端引发外部中断。

　　在中断服务子程序中完成置角度初值，测量及计算电源电压周期，设置第一个时间间隔，启动软件定时器0和定时器1.软件定时器0中断处理子程序。控制角α用一个软件定时器产生定时时刻来获得。当同步脉冲出现后，此即为A相的自然换相点（即A相α=0的时刻），此时将与控制角对应的时刻置入软件定时器0.当软件定时器到时后，一方面发出A相的触发脉冲，另一方面又将T/3时刻置入软件定时器0；当软件定时器到时，一方面发出B相的触发脉冲，另一方面又将T/3 时刻置入软件定时器0；当软件定时器到时，发出C相的触发脉冲，此时不可再将T/3时刻置入软件定时器0.很明显，当给定电压固定时，A、B、C三相的触发脉冲一定是相差T/3的，所以在A相的同步脉冲出现后，将αt置入软件定时器0，软件定时器0到时时刻所就是所需的A相脉冲的控制角α。在子程序中完成给定电压与反馈电压的采样，控制角α计算，标度变换以及将控制角度数值送到显示缓冲区等工作。程序框图略。图5是同步中断子程序框图。

　　

　　

　　采用16位单片机80C196KC系统，器件减少、结构紧凑，整个触发器电路大为简化，并且，由于单片机运算速度快，采样与显示可以在两次同步信号之间完成而且每次同步信号都被采样，因而中断程序可以按照最新的采样数据调整触发脉冲的移相角。实验表明，该触发器的动态特性好、控制精度高。