微机数字触发器的研制

摘要：触发电路是晶闸管整流器的重要组成部分。利用微机技术，采用MCS-8096单片机为控制核心，设计了一种新型的微机数字触发器，给出了其硬件和软件详细的实现方法。关键词：晶闸管 数字触发器 单片机 微机技术 晶闸管整流器装置在工业中得到了广泛的应用。晶闸管的触发控制则是应用中的关键环节，触发电路的控制精度与精定性将直接决定主回路的工作性能。晶闸管的触发电路，大体上可以分为模拟和数字两大类。模拟电路由分立元件组成，体积较大，控制精度较低，很难达到标，现在已很少采用；晶闸管触发信号，本质上是一种离散量，可由数字信号实现。目前已有大量的数字式触发器产品问世，这些数字触发器大体由过零检测器、计数器、脉冲分配器等几个部分组成。随着微电子技术的发展特点是微型计算机的广泛应用，采用以单片机为控制核心设计数字式触发器，可以大大简人硬件电路的组成，并可提高触发器的控制精度，其中触发角α的分辨率可达0.1%26;#176;～0.01%26;#176;，甚至更高。另外由于软件的可编程性，使微机数字触发器的调节范围相当灵活，能满足多方面的需要。MCS-96系列单片机自带A/D转换通道，具有高速输入口HIS和高速输出口HSO，对于脉冲的检测和生成极其方便。其中六路并行的高速输出HSO可以按程序规定的时间去触发其一事件。当HSO的触发时刻在内容定址存储区CAM中确定以后，规定的时间一到，在HSO端口上即可产生触发脉冲，而且触发脉冲的上升沿和下降沿产生的时刻可以同时设定。利用HSO的这一特点，能够很方便地构成晶闸管整流器的触发电路。 本文以三相全控桥式整流电路为讨论的重点，设计触发器的硬件和软件。1 触发器的硬件设计 微机数字触发器的硬件电路主要以MCS-8096为控制核心，包括输入信号预处理电路、同步脉冲产生电路、脉冲的形成与输出电路、存储器扩展及附属电路等几个部分。硬件框图如力所示。 1.1 同步脉冲产生电路 在各种晶闸管整流电路中，各晶闸管的触发脉冲必须与加在晶闸管上的交流主电源电压有相对固定的相位关系（即各管的触发时刻与主电源电压的某一个固定的相位点之间相差一个控制角α），对应这一触发时刻的脉冲称为同步脉冲，完成这一任务的电路就是同步脉冲产生电路。数字触发器根据同步脉冲的不同触发方式分为绝对触发和相对触发方式。所谓绝对触发方式是指每一触发脉冲的形成时刻均由同步基准决定，这在三相桥式电路中就需要有六个同步基准交流电压；而相对触发方式仅需一个同步基准。当第一个脉冲由同步基准产生后，再以第一个触发脉冲作为下一个触发脉冲的基准。在三相桥式电路中，两相邻触发脉冲之间相差60%26;#176;电角度，但由于电网频率会在50Hz附近波动，所以必须进行电网周期的跟踪测量。同步脉冲电压可以用相电压Ua，也可以用线电压Uac。当用线电压Uac作为同步电压时，同步基准在三相桥式电路中，它的上跳沿正好是α=0%26;#176;的基准；而当用相电压Ua作同步电压时就有-30%26;#176;的相位差。在本装置的同步脉冲电路中，以线电压Uac作为同步电压。电路如图2所示。线电压Uac经降压后加至LM339组成的电压比较器，输出高、低电平等宽的方波，经光电隔离器TIL117及电容、电阻组成的微分电路，形成微分信号，这个微分信号就是同步相位脉冲，其周期为电网的周期。 1.2 触发脉冲隔离、驱动与输出电路 为了防止干扰和满足晶闸管的门极对触发脉冲功率的要求，由单片机发出的触发脉冲必须经隔离、驱动才能加至晶闸管的门极。此电路由缓冲器、光电隔离器、变压器等器件组成，如图3所示。 当单片机8096高速输出口HSO无脉冲信号时，光电隔离器TIL117截止，三极管BG截止，变压器无脉冲输出；当HSO有脉冲信号时，光隔TIL117导通，从而使相应的三极管BG导通，这样触发脉冲经脉冲变压器T输出，促使晶闸管触发导通。 1.3 输入信号预处理电路 输入信号预处理电路的主要作用是产生脉冲移相控制信号。由于8096具有四路10位A/D转换通道，不需要再外接A/D转换电路。但8096单片机A/D转换器对外加控制电压有一定要求，它只允许0至+5V的标准电压进行转换。而实际的输入不仅有幅值的有效期异而且有极性的不同，因此设置输入信号预处理电路。它的任务主要是判断输入信号的极性，提取输入信号的幅值，将外加电压信号转换成0～5V的标准电压信号。 此外，微机数字触发器电路中，由于8096单片机具有64kB的寻址空间，除了256个内部特殊存储器外，其余空间均需扩展，所以硬件电路中还包括用来存放系统控制程序、实时采样数据、各种中间结果等的存储器扩展电路以及复位电路、模拟基准高精度5V电源、12MHz晶振和用于显示的单片机附属电路。 2 触发器的软件设计 触发器的软件设计主要分为主程序、脉冲同步与移相和脉冲的形成与输出等几个部分，分别说明如下。 2.1 主程序 主程序是系统程序，主要完成系统初始化、α角度的显示及等待中断等功能，主程序框图如图4所示。 2.2 脉冲同步与移相 在此装置中，当同步脉冲信号的上跳沿发生时，8096的HIS.0中断立即响应，获取并计算α值，以实现脉冲的同步与移相。 利用相邻同步信号上升沿之间的时间差来计算电网周期。设前一个同步脉冲基准到来时定时器T1计数值为t1，当前同步基准到来时定时器计数值为t2，则电风周期T=t2-t1。单位电角度对应时间为T/360%26;#176;，电角度对应的时间T1U=αT/360%26;#176;，T1U即为在同步脉冲上升沿发生后第一个脉冲解发时间。第一个脉冲产生时间的变化就意味着脉冲移相。脉冲同步与移相的子程序框图如图5所示。 2.3 脉冲的形成与输出 利用8096软硬件定时器，高速输出通道HSO和高速输入通道HIS的功能，使用软件定时中断，在六路HSO口实现六路触发脉冲的输出。 当同步信号的正跳沿发生时，立即引起HIS.0外中断，由脉冲同步与移相的子程序，计算每周期第一个脉冲上升沿对应的定时值T1U。脉冲下降沿定时值T1D由其脉宽决定，设脉宽对应的电角度为15%26;#176;，则T1D=（α+15%26;#176;）T/360，将T1U、T1D值置入HSO的内容定址存储区CAM中，HSO通过与定时器T1比较，在T1U时刻输出高电平，在T1D时刻输出低电平这样就形成了1号触发脉冲。 当1号脉冲上升沿到来时，HSO产生中断，根据当前值，加上两相邻冲之间的相位差Δα（在三相桥电路中Δα=60%26;#176;），则2号脉冲的定时值为：上升沿定值T2U=（α+60%26;#176;）T/360%26;#176;，下降沿定时值T2D=(α+75%26;#176;)T/75%26;#176;）/360%26;#176;。同理当2号至5号脉冲的上升沿产生时，也分别引起HSO中断，产生3号至6号触发脉冲。 脉冲的形成与输出的HIS、HSO及10位A/D转换通道设计的微机数字触发器，不需要增加很多其它外围电路，就可实现数字触发电路的全部功能，使得触发器的硬件电路设计变得简单，实现容易。在本装置的设计中改变模拟输入Ux的大小，可方便地实现α角移相，并且有较大的移相范围。利用HIS.0两次中断的时间间隔，可动态地跟踪电网周期的变化。另外，只需将软件程序稍加修改，就可使这种微机数字触发器不仅用于整流，也可用于逆变。所以该装置的设计是合理的，并且具有较高的控制精度。此外，还可将此系统扩展，将单片机与上位机连接，由上位机下达α角的调节命令，能够使整个控制系统更加完善。