一種基于單片機(jī)的可控硅觸發(fā)器設(shè)計(jì)

 可控硅觸發(fā)器作為一種比較常見的重要電子配件，在一些數(shù)字控制以及通訊領(lǐng)域的應(yīng)用比較多。在今天的方案分享中，我們將會(huì)為大家分享一種基于單片機(jī)的可控硅觸發(fā)器設(shè)計(jì)，該種設(shè)計(jì)的可靠性比較高，且基于移相觸發(fā)脈沖的控制原理而實(shí)現(xiàn)，精準(zhǔn)度較高，下面就讓我們一起來看看吧。

單片機(jī)觸發(fā)器的組成

在本方案中，我們所設(shè)計(jì)的這種基于單片機(jī)控制的可控硅觸發(fā)器，其系統(tǒng)組成主要由同步信號(hào)檢測(cè)、CPU硬件電路、復(fù)位電路和觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路4部分組成，其組成框圖如圖1所示。可以看到，在這一系統(tǒng)中，CPU通過檢測(cè)電路獲知觸發(fā)信號(hào)，依據(jù)所要控制的電路要求，通過編程實(shí)現(xiàn)預(yù)定的程序流程，在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)通過單片機(jī)I/O端輸出觸發(fā)脈沖信號(hào)，復(fù)位電路可保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。

圖1 可控硅觸發(fā)器的組成框圖

移相觸發(fā)脈沖的控制原理

在這一基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的可控硅觸發(fā)器設(shè)計(jì)方案中，我們所采用的主電路系統(tǒng)主要利用了移向觸發(fā)脈沖的控制原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面我們就來看一下這種控制原理的具體情況。相位控制要求以變流電路的自然換相點(diǎn)為基準(zhǔn)，經(jīng)過一定的相位延遲后，再輸出觸發(fā)信號(hào)使可控硅導(dǎo)通。在本次的案例應(yīng)用中，自然換相點(diǎn)通過同步信號(hào)給出，再按同步電壓過零檢測(cè)的方法在CPU中實(shí)現(xiàn)同步，并由CPU控制軟件完成移相計(jì)算，按移相要求輸出觸發(fā)脈沖。

下圖中，圖2為我們所采用的三相橋式全控整流電路。以該種三相橋式全控整流電路為例，在該電路系統(tǒng)中，觸發(fā)脈沖信號(hào)輸出的時(shí)序也可由單片機(jī)根據(jù)同步信號(hào)電平確定，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到A相同步信號(hào)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(hào)和一個(gè)定時(shí)器完成觸發(fā)脈沖的計(jì)算。這在三相電路對(duì)稱時(shí)是可行的。因?yàn)槿嗤耆珜?duì)稱，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。

圖2 三相橋式全控整流電路

在利用這種三相橋式全控整流電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，由于全稱只用一個(gè)同步輸入信號(hào)，所有可控硅的觸發(fā)脈沖延遲都以其為基準(zhǔn)。為因此，了保證觸發(fā)脈沖延遲相位的精度，用一個(gè)定時(shí)器測(cè)量同步電壓信號(hào)的周期，并由此計(jì)算出60°和120°電角度所對(duì)應(yīng)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(dǎo)通一只可控硅。這也就是說，每隔60°時(shí)間必然要輸出一次觸發(fā)脈沖信號(hào)，因此作為基準(zhǔn)的第一個(gè)觸發(fā)脈沖信號(hào)必須調(diào)整到小于60°才能保證觸發(fā)脈沖不遺漏。當(dāng)以A相同步電壓信號(hào)為基準(zhǔn)，單片機(jī)檢測(cè)到A相同步電壓信號(hào)正跳變時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器工作，當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)，輸出第一個(gè)觸發(fā)脈沖信號(hào)，以后由所計(jì)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(jī)再次檢測(cè)到A相同步信號(hào)的正跳變時(shí)，這個(gè)周期結(jié)束，開始下一個(gè)周期。

此時(shí)需要注意的一個(gè)問題是，在觸發(fā)脈沖信號(hào)的設(shè)計(jì)時(shí)，我們所設(shè)置的從單片機(jī)檢測(cè)到同步電壓正跳變到輸出第一個(gè)觸發(fā)脈沖信號(hào)的時(shí)間，必須調(diào)整到小于等于60°電角度時(shí)間。如果沒有調(diào)整，就造成觸發(fā)脈沖的遺漏。第一個(gè)觸發(fā)脈沖相對(duì)于同步信號(hào)正跳變的時(shí)間，可根據(jù)三相橋式全控整流電路的觸發(fā)時(shí)序來調(diào)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(hào)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)周期360°;g0表示同步脈沖信號(hào)，gl、g2、g3、g4、g5、g6分別表示VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6觸發(fā)脈沖信號(hào);其中0表示低電平，1為高電平。

圖3 單一同步基準(zhǔn)的雙窄觸發(fā)脈沖時(shí)序

觸發(fā)器硬件組成

在了解了移相觸發(fā)脈沖的控制原理之后，接下來我們就需要結(jié)合該種控制原理以及本方案的設(shè)計(jì)要求，對(duì)該種可控硅觸發(fā)器的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。下圖中，圖4給出單片機(jī)控制的移相觸發(fā)脈沖控制硬件電路圖。單片機(jī)選用AT89C2051，其屬于MCS一51系列小型單片機(jī)，共有20個(gè)引腳、2KB內(nèi)存。同步信號(hào)的輸入經(jīng)電阻R1，此時(shí)，R1的設(shè)置可以起到限流和保護(hù)的作用，正弦同步信號(hào)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。當(dāng)同步檢測(cè)信號(hào)發(fā)生正跳變時(shí)，經(jīng)反相以中斷方式向單片機(jī)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(hào)輸入，實(shí)際上是要量脈沖的寬度，這決定于信號(hào)到來的時(shí)間。

在使用該比較電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，這種單片機(jī)控制的移向觸發(fā)脈沖控制硬件電路具有一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)，那就是無論輸入的同步電壓信號(hào)高還是低，LM339的輸出信號(hào)都能較準(zhǔn)確的反映同步輸入信號(hào)的過零點(diǎn)，R2和C3對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，以避免輸出信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)。由于AT89C2051為8位單片機(jī)，所以該觸發(fā)器內(nèi)部均為8位數(shù)字量計(jì)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(nèi)部運(yùn)算位數(shù)的限制，但足以滿足一般控制要求。

AT89C2051單片機(jī)的Pl端口的P1.2～P1.7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(hào)，6路脈沖信號(hào)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(jí)繞組。此時(shí)，為了使復(fù)位更可靠，我們選擇采用先進(jìn)的專用上電復(fù)位器件X25045，該器件具有可編程定時(shí)器，采用SPI總線結(jié)構(gòu)。定時(shí)器看門狗的作用是保證在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，若系統(tǒng)程序走死，不能定時(shí)訪問X25045的片選端，X25045將能對(duì)系統(tǒng)復(fù)位，提高了系統(tǒng)的可靠性，給單片機(jī)提供獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)。其他的端口如P1端口的P1.0～P1.1(引腳12和13)可作為過壓、過流指示，P3端口的P3.4~P3.5(引腳8和9)作為過壓和過流的輸入端，P3端口的其余端口可以從整流端采集電壓負(fù)反饋信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)字PI調(diào)節(jié)，構(gòu)成電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制，以保證整流輸出端電壓穩(wěn)定。

移相觸發(fā)脈沖控制軟件的設(shè)計(jì)

在本方案中，我們所設(shè)計(jì)的這種基于單片機(jī)控制的可控硅觸發(fā)器想要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)行，還需要利用移相觸發(fā)脈沖的控制軟件進(jìn)行輔助，以此方便進(jìn)行延遲計(jì)算。由軟件控制，可以快速完成系統(tǒng)初始化、初值的輸入和電角度時(shí)間的計(jì)算并送入定時(shí)器，通過外部中斷實(shí)現(xiàn)觸發(fā)延遲角的處理。由于AT89C2051單片機(jī)上電復(fù)位期間所有端口均輸出高電平，為了保證復(fù)位期間所有可控硅都沒有觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)，應(yīng)采用低電平為有效觸發(fā)可控硅的信號(hào)。移相觸發(fā)脈沖控制軟件流程圖如圖4所示。

圖4 移向觸發(fā)脈沖控制軟件流程圖

在實(shí)驗(yàn)中加入數(shù)字PI調(diào)節(jié)，構(gòu)成電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制，使輸出電壓穩(wěn)定運(yùn)行，提高了觸發(fā)脈沖的對(duì)稱度和穩(wěn)定性，觸發(fā)延遲角最大可達(dá)180°，改善了可控硅觸發(fā)器的性能指標(biāo)和變流裝置的可靠性。該設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了可控硅觸發(fā)器的單片機(jī)控制，體現(xiàn)了控制電路簡(jiǎn)單、便于調(diào)節(jié)且占用CPU資源少的特點(diǎn)，是一種理想的易于推廣的可控硅觸發(fā)控制設(shè)計(jì)方案。