1 引言

晶閘管作為一種半控性功率半導(dǎo)體器件，其基本功能是對(duì)電壓進(jìn)行整流、調(diào)壓和斬波等進(jìn)行控制，以滿足實(shí)際需求。目前，晶閘管整流器裝置已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在直流調(diào)速系統(tǒng)中。觸發(fā)電路是晶閘管電力變流技術(shù)的一種核心技術(shù)，觸發(fā)電路應(yīng)具有可靠性高，對(duì)稱性好等要求。以分立元件及專用集成電路為主的觸發(fā)電路，其性能不盡如人意，其具有電路復(fù)雜、易受電網(wǎng)電壓影響、觸發(fā)脈沖對(duì)稱度不好等缺點(diǎn)。由單片機(jī)組成的控制，其觸發(fā)電路具有性能良好、觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、溫漂影響小、控制精度高、移相范圍可任意調(diào)節(jié)等特點(diǎn)； 因其移相觸發(fā)角通過(guò)軟件計(jì)算完成，由于軟件的可編程性，使微機(jī)數(shù)字觸發(fā)器的調(diào)速范圍更加靈活，能滿足更多方面的需要。另外，本設(shè)計(jì)的原本目的就是利用單片機(jī)非對(duì)稱觸發(fā)三相整流橋，以產(chǎn)生諧波，然后用整理橋作為有源電力濾波器（ APF） 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的非線性負(fù)載使用。

本文以三相橋式全控整流電路為例，主要介紹采用ATMEL89S52 單片機(jī)控制的三相橋式可控整流電路觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)方法，包括三相橋式全控整流電路、同步信號(hào)的檢測(cè)、脈沖的形成與放大、鍵盤電路、顯示電路以及軟件實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。

2 三相橋式全控整流電路

三相橋式全控整流電路如圖1 所示。電路圖中有兩組晶閘管，一組是共陰極（ VT1、VT3 和VT5） ，一組是共陽(yáng)極（ VT4、VT6 和VT2） 。在任何時(shí)候均需二個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，其中一個(gè)晶閘管是共陰極的，另一個(gè)是共陽(yáng)極的，并且不能為同一相的晶閘管。由于共陰極的晶閘管是在正半周觸發(fā)，共陽(yáng)極組的晶閘管是在負(fù)半周觸發(fā)，因此，接在同一相的兩個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖相位應(yīng)該相差180°。6 個(gè)晶閘管的脈沖按VT1 - VT2 - VT3 - VT4 - VT5 - VT6 的順序依次導(dǎo)通，相位相差60°。為保證電路的正常工作，需確保同時(shí)導(dǎo)通的晶閘管均勻脈沖。可采用兩種方法：

一種是寬脈沖觸發(fā)，一般脈沖寬度位80° ~ 120°；另一種是雙窄脈沖觸發(fā)，即在觸發(fā)某一晶閘管的同時(shí)給前一號(hào)晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，使共陰極組和共陽(yáng)極組的兩個(gè)應(yīng)導(dǎo)通的晶閘管均有觸發(fā)脈沖，脈沖寬度一般為20° ~ 30°，兩個(gè)脈沖的前沿相差60°。

采用前者效率較低，本文采用后者，脈沖寬度取為27°。

圖1 三相橋式全控整流電路

3 觸發(fā)電路的硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路以Atmel89s52 單片機(jī)為控制器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。它包括同步信號(hào)檢測(cè)、AD轉(zhuǎn)換電路、脈沖的形成與放大、顯示模塊和鍵盤電路等。

圖2 觸發(fā)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖

3. 1 同步信號(hào)的檢測(cè)

采用北京森社公司生產(chǎn)的CHV - 100 /300A 型號(hào)的電壓傳感器，其額定電壓為300V （ 有效值） ，額定輸出電流25mA.檢測(cè)電路中，電壓傳感器接入220V 的A 相交流電，輸出的電流信號(hào)經(jīng)100 歐姆的電阻后，轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮? ~ 2. 5V 的電壓信號(hào)（ 實(shí)際輸出為- 2. 5V ~ 2. 5V） ，此電壓信號(hào)接入LM258 構(gòu)成的加法器轉(zhuǎn)換成0 ~ 5V 的直流信號(hào)，此信號(hào)輸入到飛利浦半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8 位AD 轉(zhuǎn)換器PCF8591 的模擬信號(hào)輸入通道AIN3，PCF8591 的輸出信號(hào)AOUT 即可接入Atmal89s52單片機(jī)，利用I2C 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)經(jīng)過(guò)軟件檢測(cè)，即可得知同步電壓Us 過(guò)零點(diǎn)信號(hào)。其硬件電路如圖3 所示。

圖3 同步信號(hào)的檢測(cè)電路

3. 2 觸發(fā)脈沖的形成與放大

脈沖的形成與放大電路如圖4 所示。來(lái)自單片機(jī)P1. 0 P1. 5 的六路較弱的脈沖信號(hào)輸入到反相器74HC04，經(jīng)過(guò)光電隔離器4N25 隔離輸出，最后經(jīng)過(guò)脈沖變壓器TB1 放大輸出到相應(yīng)晶閘管的門極g 和陰極k.

圖4 觸發(fā)脈沖的形成與放大

如圖5 所示，六路觸發(fā)脈沖形成過(guò)程如下。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到A 同步電壓Ua 從負(fù)到正的過(guò)零點(diǎn)信號(hào)（ 實(shí)際上檢測(cè)到的應(yīng)該是2.5V） 時(shí)，它會(huì)接收到來(lái)自于INT1 的中斷請(qǐng)求信號(hào)，這時(shí)，單片機(jī)會(huì)中斷響應(yīng)，服務(wù)子程序。這個(gè)子程序的功能是決定如何產(chǎn)生第一個(gè)觸發(fā)脈沖的上升沿。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到同步信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，單片機(jī)的16 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器1 同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，它工作在工作方式1; 由于Atmel89s52 單片機(jī)的晶振是12MHz，它的一個(gè)機(jī)器周期是1μm.定時(shí)的長(zhǎng)度是由單片機(jī)的要產(chǎn)生的觸發(fā)延時(shí)角α 決定的。由于一個(gè)正弦波的周期是20ms，定時(shí)的長(zhǎng)度由下式?jīng)Q定： tα = α × 20 /360°ms.定時(shí)器的初始化值可以根據(jù)tα來(lái)設(shè)定。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文定義了一個(gè)長(zhǎng)度為180 的數(shù)組，它對(duì)應(yīng)于觸發(fā)延時(shí)角α 從0 到180 度的變化。這個(gè)數(shù)組保存在單片機(jī)的ROM 存儲(chǔ)區(qū)。這樣，定時(shí)器對(duì)應(yīng)于每個(gè)觸發(fā)角的初始化設(shè)定值就可以直接賦值給定時(shí)器1 了。定時(shí)器初始化之后，就啟動(dòng)定時(shí)器工作。當(dāng)定時(shí)時(shí)間就一到，定時(shí)器的溢出標(biāo)志位置1，單片機(jī)開(kāi)始執(zhí)行定時(shí)器1 的中斷服務(wù)子程序。

這子函數(shù)將P1. 0 設(shè)置為高電平，用于觸發(fā)VT1;這里定義脈沖的寬度為27°，即1. 5ms，則定時(shí)器1 的TH1 = FAH，TL1 = 24H; 于是開(kāi)始啟動(dòng)定時(shí)器第二次計(jì)數(shù)； 當(dāng)定時(shí)時(shí)間一到，定時(shí)器開(kāi)始執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。在這個(gè)函數(shù)中，P1. 0 設(shè)置為低電平，表示觸發(fā)脈沖結(jié)束。由于第二個(gè)脈沖比一個(gè)脈沖滯后60°，也即是3. 33ms; 那么，第一個(gè)脈沖的下降沿到第二個(gè)脈沖的上升沿的時(shí)間間隔應(yīng)為1. 83ms.因此，定時(shí)器應(yīng)設(shè)置為TH1 = F8H，TL1= DAH; 這樣就啟動(dòng)定時(shí)器第三次定時(shí)。當(dāng)定時(shí)時(shí)間一到，定時(shí)器開(kāi)始執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。在這個(gè)子函數(shù)中，P1.1 引腳被置為高電平來(lái)觸發(fā)VT2.對(duì)于其他晶閘管的觸發(fā)原理相同，這里不再詳述。

圖5 六路觸發(fā)脈沖的波形

雙窄脈沖的輸出如圖5 所示。P1. 0 引腳輸出一個(gè)主脈沖給VT1 的同時(shí)，P1. 5 引腳輸出一個(gè)次脈沖（ 補(bǔ)發(fā)脈沖） 給VT6; 延時(shí)60°后，P1. 1 引腳輸出一個(gè)主脈沖給VT2，同時(shí)，P1. 0 引腳輸出一個(gè)次脈沖給VT1; 至于其它晶閘管的觸發(fā)，其過(guò)程亦是如此。

3. 3 顯示電路

顯示電路是為了更好的得知觸發(fā)延時(shí)角α 的變化。根據(jù)觸發(fā)角α 的大小，觸發(fā)電路需要四個(gè)七段LED 數(shù)碼管，這可以顯示到小數(shù)，這里數(shù)碼管是共陽(yáng)極的，即當(dāng)輸入為低電平時(shí)，數(shù)碼管點(diǎn)亮。數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示，相對(duì)于靜態(tài)顯示具有使用元件少、引腳少、電路簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。其中，段選位接到單片機(jī)的P0 口，位選位有單片機(jī)的P2. 4~ P2. 7 控制。其電路圖如圖6 所示。

圖6 顯示電路

3. 4 鍵盤電路

鍵盤電路如圖7 所示。其功能是設(shè)置觸發(fā)角a的大小。它由四個(gè)開(kāi)關(guān)和電阻，外加一個(gè)+ 5V 電源組成。開(kāi)關(guān)K1、K2 、K3 和K4 分別接到單片機(jī)的P2. 0、P2. 1、P2. 2 和P2. 3.當(dāng)K1 按下一次，觸發(fā)角α 增加1; K2 按下一次，α 減1; K3 用于選擇位數(shù)，按下第一次，小數(shù)位被選擇，并且相應(yīng)的數(shù)碼管被點(diǎn)亮； 按下第二次時(shí)，個(gè)位數(shù)字被選擇，并且相應(yīng)數(shù)碼管的被點(diǎn)亮； 按下第三次時(shí)，十位數(shù)被選擇，并且相應(yīng)數(shù)碼管被點(diǎn)亮； 按下第四次時(shí)，百位數(shù)被選擇，并且相應(yīng)的數(shù)碼管被點(diǎn)亮。當(dāng)K4 按下時(shí)，輸入的數(shù)據(jù)被送到單片機(jī)的存儲(chǔ)區(qū)。

圖7 鍵盤電路

4 觸發(fā)電路的軟件設(shè)計(jì)

觸發(fā)電路的軟件設(shè)計(jì)是非常重要的一個(gè)部分。本設(shè)計(jì)最重要的特點(diǎn)之一就是充分利用了單片機(jī)的軟件編程能力。這里主要是用軟件檢測(cè)同步電壓的過(guò)零點(diǎn)，以控制脈沖信號(hào)的產(chǎn)生。軟件部分包括主函數(shù)、中斷子函數(shù)、顯示子函數(shù)和延時(shí)函數(shù)等。采用C 語(yǔ)言進(jìn)行編程，它具有編程簡(jiǎn)單，一致性高等特點(diǎn)。

程序流程圖如圖8 所示。首先，將單片機(jī)初始化，包括定時(shí)器1 的初始化，封鎖脈沖信號(hào)的輸出，以及外部中斷1 的初始化； 然后調(diào)用數(shù)碼管顯示子函數(shù)，以顯示移相觸發(fā)角α； 其次，單片機(jī)會(huì)監(jiān)視是否有按鍵按下，如果有，則調(diào)用鍵盤操作子程序； 然后，單片機(jī)檢測(cè)同步信號(hào)，并據(jù)此確定是否產(chǎn)生脈沖并將脈沖放大，最后去觸發(fā)晶閘管。

圖8 程序流程圖

5 結(jié)論

本文給出了一種采用ATMEL89S52 單片機(jī)的三相橋式可控觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)方法。與以往利用同步變壓器，鎖相環(huán)等方法實(shí)現(xiàn)同步信號(hào)的檢測(cè)不同，本文利用電壓傳感器來(lái)檢測(cè)同步信號(hào)，是一種新的嘗試。相對(duì)來(lái)說(shuō)，這種方法硬件電路較為簡(jiǎn)單，成本較低，精度也較高。