1 引言

　　晶閘管也叫可控硅整流器．是目前工業(yè)應用中最為廣泛的大功率變換器件。晶閘管在燒結爐,、電弧爐等整流場合主要采用移相觸發(fā)控制，即通過調(diào)節(jié)晶閘管導通時刻的相位實現(xiàn)控制輸出,。傳統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)器采用模擬控制電路,，無法克服其固有缺點。數(shù)字式控制電路與模擬式相比,，主要優(yōu)點是輸出波形穩(wěn)定和可靠性高,，但其缺點是電路比較復雜，移相觸發(fā)角較大時控制精度不高,。隨著單片機技術的發(fā)展,，由單片機組成的控制電路的優(yōu)勢越明顯，除具有與數(shù)字式觸發(fā)電路相同的優(yōu)點外,，更因其移相觸發(fā)角通過軟件計算完成,，觸發(fā)電路結構簡單，控制靈活,，溫漂影響小,，控制精度可通過軟件補償，移相范圍可任意調(diào)節(jié)等特點,，目前已獲得業(yè)界的廣泛認可,。以三相橋式全控整流電路為例，介紹應用單片機組成晶閘管觸發(fā)器硬件電路的設計,，以及軟件實現(xiàn)移相觸發(fā)脈沖控制的方法,。

　　2 單片機觸發(fā)器的組成

　　單片機控制的晶閘管觸發(fā)器主要由同步信號檢測、CPU硬件電路,、復位電路和觸發(fā)脈沖驅(qū)動電路4部分組成,，如圖l所示,。CPU通過檢測電路獲知觸發(fā)信號，依據(jù)所要控制的電路要求,，通過編程實現(xiàn)預定的程序流程,，在相應時間段內(nèi)通過單片機I/O端輸出觸發(fā)脈沖信號，復位電路可保證系統(tǒng)安全可靠的運行,。

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　　3 移相觸發(fā)脈沖的控制原理

　　相位控制要求以變流電路的自然換相點為基準,，經(jīng)過一定的相位延遲后，再輸出觸發(fā)信號使晶閘管導通,。在實際應用中,，自然換相點通過同步信號給出，再按同步電壓過零檢測的方法在CPU中實現(xiàn)同步,，并由CPU控制軟件完成移相計算,，按移相要求輸出觸發(fā)脈沖。

　　圖2為三相橋式全控整流電路,，觸發(fā)脈沖信號輸出的時序也可由單片機根據(jù)同步信號電平確定,，當單片機檢測到A相同步信號時，輸出脈沖時序通常采用移相觸發(fā)脈沖的方法,，即用一個同步電壓信號和一個定時器完成觸發(fā)脈沖的計算,。這在三相電路對稱時是可行的。因為三相完全對稱,，各相彼此相差120°,，電路每隔60°換流一次，且換流的時序事先已知,。該方法所用單片機資源少,，只需一個同步信號，電路比較簡單,，但軟件設計工作量稍大,。

　　因為只用一個同步輸入信號，所有晶閘管的觸發(fā)脈沖延遲都以其為基準,。為了保證觸發(fā)脈沖延遲相位的精度,，用一個定時器測量同步電壓信號的周期，并由此計算出60°和120°電角度所對應的時間,。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)導通一只晶閘管，也就是說,，每隔60°時間必然要輸出一次觸發(fā)脈沖信號,，因此作為基準的第一個觸發(fā)脈沖信號必須調(diào)整到小于60°才能保證觸發(fā)脈沖不遺漏。當以A相同步電壓信號為基準,，單片機檢測到A相同步電壓信號正跳變時,，啟動定時器工作,，當定時器溢出時，輸出第一個觸發(fā)脈沖信號,，以后由所計算出的周期確定每隔60°己時輸出一次觸發(fā)脈沖,，直到單片機再次檢測到A相同步信號的正跳變時，這個周期結束,，開始下一個周期,。需要注意，從單片機檢測到同步電壓正跳變到輸出第一個觸發(fā)脈沖信號的時間,，必須調(diào)整到小于等于60°電角度時間,，否則會造成觸發(fā)脈沖的遺漏。第一個觸發(fā)脈沖相對于同步信號正跳變的時間,，可根據(jù)三相橋式全控整流電路的觸發(fā)時序來調(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為同步脈沖信號的一個標準周期360°,；g0表示同步脈沖信號,，gl、g2,、g3、g4,、g5,、g6分別表示VT1、VT2,、VT3,、VT4、VT5,、VT6觸發(fā)脈沖信號,；其中0表示低電平，1為高電平,。

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　　依照三相橋式全控整流電路晶閘管導通的時序要求,，輸出觸發(fā)脈沖分為3種情況：

　　(1)當移相觸發(fā)延遲角α≤60°，此時以A相同步信號為基準,，并按延遲角時間定時實現(xiàn)的第一個脈沖輸出,，應該是A相VT1晶閘管的觸發(fā)信號，觸發(fā)延遲時間和觸發(fā)脈沖的時序無需調(diào)整,，之后每隔60°時間依次輸出VT2,、VT3,、VT4、VT5,、VT6晶閘管的觸發(fā)信號,。

　　(2)當移相觸發(fā)延遲角60°<α≤120°時，為保證觸發(fā)脈沖不遺漏,，應將觸發(fā)延遲角的定時時間調(diào)整在60°時間之內(nèi),，即減去一個60°時間。同時輸出觸發(fā)脈沖的時序也要進行調(diào)整,，此時第一個輸出觸發(fā)脈沖信號應該是B相,，VT6晶閘管的觸發(fā)信號，之后每隔60°時間依次輸出VT1,、VT2,、VT3、VT4,、VT5晶閘管的觸發(fā)信號,。

　　(3)當移相觸發(fā)延遲角α>120°時，要將觸發(fā)延遲角的定時時間調(diào)整在60°時間內(nèi),，從而保證觸發(fā)脈沖不遺漏,，則需減去一個120°時間，并且對觸發(fā)脈沖時序進行相應調(diào)整,，此時第一個輸出觸發(fā)脈沖信號應該是C相VT5晶閘管的觸發(fā)信號,，之后每隔60°時間依次輸出VT1、VT2,、VT3,、VT4晶閘管的觸發(fā)信號。

　　4 觸發(fā)器硬件組成

　　圖4給出單片機控制的移相觸發(fā)脈沖控制硬件電路圖,。單片機選用AT89C2051,，其屬于MCS一51系列小型單片機，共有20個引腳,，2 KB內(nèi)存,。同步信號的輸入經(jīng)電阻R1，R1起到限流和保護的作用,，正弦同步信號經(jīng)VD1和VD2兩個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,。同步檢測信號發(fā)生正跳變時,，經(jīng)反相以中斷方式向單片機的INT0(引腳6)提供同步指令，從表面上看好像是外部中斷信號輸入,，實際上是要量脈沖的寬度,，這決定于信號到來的時間,。使用該比較電路，無論輸入的同步電壓信號高還是低,，LM339的輸出信號都能較準確的反映同步輸入信號的過零點,，R2和C3對輸出信號進行濾波，以避免輸出信號出現(xiàn)波動,。由于AT89C2051為8位單片機,，所以該觸發(fā)器內(nèi)部均為8位數(shù)字量計算，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)部運算位數(shù)的限制，但足以滿足一般控制要求,。

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　　AT89C2051的Pl端口的P1．2～P1．7(引腳14~19)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,，6路脈沖信號經(jīng)741504反相放大，推動功率放大器TD62004,，該器件的輸出連接到脈沖變壓器的初級繞組,。為了使復位更可靠，采用先進的專用上電復位器件X25045,，該器件具有可編程定時器,，采用SPI總線結構。定時器看門狗的作用是保證在設定的時間內(nèi),，若系統(tǒng)程序走死,，不能定時訪問X25045的片選端，X25045將能對系統(tǒng)復位．提高了系統(tǒng)的可靠性,，給單片機提供獨立的保護系統(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反饋信號經(jīng)A／D轉換后進行數(shù)字PI調(diào)節(jié),，構成電壓負反饋閉環(huán)控制,，以保證整流輸出端電壓穩(wěn)定。

　　5 移相觸發(fā)脈沖控制軟件的設計

　　移相觸發(fā)脈沖的控制軟件可方便進行延遲計算,，由軟件完成系統(tǒng)初始化,、初值的輸入和電角度時間的計算并送入定時器，通過外部中斷實現(xiàn)觸發(fā)延遲角的處理,。由于AT89C2051上電復位期間所有端口均輸出高電平,，為了保證復位期間所有晶閘管都沒有觸發(fā)信號的觸發(fā)，應采用低電平為有效觸發(fā)晶閘管的信號,。移相觸發(fā)脈沖控制軟件流程圖如圖5所示,。

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　　6 結語

　　在實驗中加入數(shù)字PI調(diào)節(jié),，構成電壓負反饋閉環(huán)控制，使輸出電壓穩(wěn)定運行,，提高了觸發(fā)脈沖的對稱度和穩(wěn)定性,，觸發(fā)延遲角最大可達180°，改善了觸發(fā)器的性能指標和變流裝置的可靠性,。該設計方案實現(xiàn)了晶閘管觸發(fā)器的單片機控制,，體現(xiàn)了控制電路簡單、便于調(diào)節(jié)且占用CPU資源少的特點,，是一種理想的易于推廣的晶閘管觸發(fā)控制設計方案,。