基于锁相环的单片机控制可控硅整流触发器

第33卷增刊

2003年9月

　东南大学学报(自然科学版)JOURNA L OF S OUTHE AST UNIVERSITY (Natural Science Edition )　V ol 133Sup.Sept.2003

基于锁相环的单片机控制可控硅整流触发器

郝媚美 郑应文

(福州大学电气工程系,福州350002)

摘要:介绍了一种利用MCS 251系列单片机控制的控制角可调整的三相全控桥可控硅整流触发器.采用锁相环技术实现触发脉冲与电源信号的同步,提高了触发器的抗干扰能力,改善了三相触发脉冲的对称性.由软件控制可产生不同控制角的6组触发脉冲,且电路易于实现,成本低.

关键词:锁相环;可控硅;触发电路

中图分类号:TP23 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2003)增刊20147203

A thyristor trigger controlled by the singlechip based on the PLL

Hao Meimei Zheng Y ingwen

(Department of E lectrical Engineering ,Fuzhou University ,Fuzhou 350002,China )

Abstract :　This paper introduced a thyristor trigger control system of three phase full 2control 2bridge based on the singlechip controller of which control angle could be changed.The phase locked loop P LL was helpful to realize synchronization between the touch im pulse and the power signal.The system has strong anti 2jam 2ming ability and g ood touch im pulse symmetry.It can produce six groups of the touch im pulses under the control of s oftware.The cost of the instrument is lower than the former ones.

K ey w ords :　P LL ;thyristor ;gating circuit

　收稿日期:2003205223.　作者简介:郝媚美(1979—),女,硕士生;郑应文(联系人),研究员,zhengyw @https://www.wendangku.net/doc/ab10909061.html,.

晶闸管电力变流技术的核心控制技术是触发电路,它要求触发电路的可靠性高,对称性好.早期的分离元件构成的触发电路,由于元件参数的分散性、同步电压波形畸变都会导致三相触发电路中各个触发器的移相特性不一致,对称性、可靠性差,调试困难,现已逐步被淘汰.一些升级换代的计算机产品靠本身晶振构成的时钟决定触发角,机内时钟不能与工频电源同步,所以当工频电源频率有波动时必然产生触发误差,虽对触发精度影响不是很大,但属于原理性误差,应设法消除.采用单片机控制可控硅的触发,是可控硅应用的发展趋势.本文用MCS 251系列单片机结合外围器件控制可控硅触发,采用C D4046锁相环芯片,再造一个和采样信号严格同步的信号来直接控制信号的采样和转换,保证采样频率和信号基波频率的比值为固定值,实现取样频率和信号基波频率的准确跟踪.

图1　锁相环原理图1　工频50Hz 锁相倍频原理

工频电源的1个周期理论上是20ms ,但由于电网负荷的

变化,经常出现周期不严格等于20ms 的情况.为适应这种现

实,将单片机对周期的计时改为对频率的计数.只要该频率为

工频电源的倍频,则每一倍频后的脉冲即代表一个固定的电

角度.若该倍频脉冲串与工频电源的相位严格锁定,则这种方

案可以从原理上消除电网频率不稳定造成的触发误差[1].其原理如图1所示.

锁相环路是一个相位负反馈的闭合环路,相位比较器(也称鉴相器)对基准输入信号和压控振荡器引入信号进行比较,当基准信号和压控振荡器信号频率与相位相同时,鉴相器的输出为零;当两信号的频率和相位不同时,鉴相器的输出就产生一个误差电压,这个误差电压经过滤波环节,控制压控振荡器,使其输出频率

和相位与输入信号的频率和相位绝对匹配,锁相环路即实现了“锁相”[2].

C D4046是C MOS 锁相环集成数字芯片,该电路主要由2个鉴相器(Ⅰ和Ⅱ)、一个线性度很好的压控振

荡器VC O 和需外接电阻和电容的低通滤波器组成.

2　系统组成及工作原理

211　同步脉冲信号的形成

电路组成如图2所示.控制电路由单片机及其外围电路组成.工频信号经变压器BT 降压后进入滤波整流电路,变压器BT 带中间抽头,原边两段接工频电源,副边绕组的两相分别经二极管半波整流后,加在运算放大器的同相输入端和反相输入端.因为运算放大器用作开环放大器,所以它的输出是一个与相电压U a 正弦波同相位、同频率的方波.这个方波信号一路进入锁相环电路,一路与C D4046第1脚与非后进入单片机的控制端口使能.单片机一检测到下跳沿即产生中断响应.对进入锁相环的方波信号进行4096倍频,也就是在信号的一个整周期内等间隔采样4096个点,则信号的采样频率为204.8kH z.该频率为工频电源的倍频,则每一倍频后的脉冲可代表一定的电角度.这里360/4096=010********,即每一脉冲约合01088°.如果采样点数取其他数值,只需改变锁相环电路中C D4040分频器的分频比即可

.

图2　同步脉冲信号形成电路原理图

212　软件实现脉冲的移相

单片机根据当前控制角置计数器的计数初值,当I NT 0端检测到下跳沿时,即转入中断服务子程序.采用双窄脉冲触发,脉宽为15°.由于自然换相点与U a 相电压过零点相差30°,4096/360°×30°≈341,即由过零点开始计数脉冲341个相当于经过30°.P1口的P110～P115分别对应触发脉冲的1号到6号脉冲.假设控制角α=30°,则第1组触发脉冲的初值为4096/360°×30°+4096/360°×30°≈682,计数值满后P110和P115由高电平跳变为低电平,延时15°后恢复为高电平,在P110和P115跳变的同时,置第2组脉冲信号的初值,由于这6组脉冲间隔为60°,4096/360°×60°≈682,所以这里的计数初值也置682,下面的依次类推.流程图如图3和图4所示.

213　触发脉冲的形成与放大

脉冲的形成与放大电路如图5所示,这样的电路共有6路,接在单片机的P110～P115后.第1组计数值满后,P110和P115输出低电平,延时15°,经过光耦,脉冲变压器等元器件最终得到15°的双窄脉冲,相当于第1组触发脉冲的1号脉冲和6号补脉冲.经过60°时间间隔后,P110和P111输出低电平,经过电路变换,得到第2组触发脉冲的1号补脉冲和2号脉冲,余下的依次类推.

214　波形图

整个系统中各个点的电压波形图如图6所示.U a 为相电压,U o 为运放的输出,U 1为C D4046一脚信号,U 3为C D4046三脚信号,U 4为C D4046四脚信号(如图2所示,构成4096倍频电路).2个U p 分别是单片机P1口的P110,P112,P114和P111,P113,P115分别相连接入2路示波器所得到的波形.U g 为触发三相全控桥可控硅的触发脉冲.

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图6　电压波形图

3　结论

采用单片机来控制可控硅的触发,是可控硅应用的发展趋势,采用锁相技术保证单片机的计数脉冲相位与电源相位严格保持同步可减小触发误差,使其更精确.本文的思路是在尽量少增加硬件的情况下,充分利用单片机资源实现对三相全波全控桥整流触发的控制,对提高三相全波全控桥整流装置的可靠性具有实际意义.

参考文献(R eferences )

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41增刊郝媚美等:基于锁相环的单片机控制可控硅整流触发器