摘要：本文提出了一種基于ATMEL89S52單片機的三相橋式可控觸發(fā)電路的設計方法,主要包括三相橋式可控整流電路、同步信號的檢測、脈沖的形成與放大以及軟件實現(xiàn)等內(nèi)容。這種方法利用了電壓傳感器來檢測同步信號,取代了以往利用同步變壓器、鎖相環(huán)等方法實現(xiàn)同步信號的檢測的方法,所用的硬件電路較為簡單,精度較高。

    1 引言

    晶閘管作為一種半控性功率半導體器件，其基本功能是對電壓進行整流、調(diào)壓和斬波等進行控制，以滿足實際需求。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)電路應具有可靠性高，對稱性好等要求。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，其具有電路復雜、易受電網(wǎng)電壓影響、觸發(fā)脈沖對稱度不好等缺點。由單片機組成的控制，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； 因其移相觸發(fā)角通過軟件計算完成，由于軟件的可編程性，使微機數(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，本設計的原本目的就是利用單片機非對稱觸發(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） 實驗樣機的非線性負載使用。

    本文以三相橋式全控整流電路為例，主要介紹采用ATMEL89S52 單片機控制的三相橋式可控整流電路觸發(fā)電路的設計方法，包括三相橋式全控整流電路、同步信號的檢測、脈沖的形成與放大、鍵盤電路、顯示電路以及軟件實現(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） ,一組是共陽極（ VT4、VT6 和VT2） .在任何時候均需二個晶閘管同時導通，形成向負載供電的回路，其中一個晶閘管是共陰極的，另一個是共陽極的，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)，共陽極組的晶閘管是在負半周觸發(fā)，因此，接在同一相的兩個晶閘管的觸發(fā)脈沖相位應該相差180°。6 個晶閘管的脈沖按VT1 - VT2 - VT3 - VT4 - VT5 - VT6 的順序依次導通，相位相差60°。為保證電路的正常工作，需確保同時導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)某一晶閘管的同時給前一號晶閘管補發(fā)一個脈沖，使共陰極組和共陽極組的兩個應導通的晶閘管均有觸發(fā)脈沖，脈沖寬度一般為20° ~ 30°，兩個脈沖的前沿相差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)電路的硬件電路設計

    硬件電路以Atmel89s52 單片機為控制器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。它包括同步信號檢測、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 同步信號的檢測

    采用北京森社公司生產(chǎn)的CHV - 100 /300A 型號的電壓傳感器，其額定電壓為300V （ 有效值） ,額定輸出電流25mA.檢測電路中，電壓傳感器接入220V 的A 相交流電，輸出的電流信號經(jīng)100 歐姆的電阻后，轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮��? ~ 2. 5V 的電壓信號（ 實際輸出為- 2. 5V ~ 2. 5V） ,此電壓信號接入LM258 構(gòu)成的加法器轉(zhuǎn)換成0 ~ 5V 的直流信號，此信號輸入到飛利浦半導體公司生產(chǎn)的8 位AD 轉(zhuǎn)換器PCF8591 的模擬信號輸入通道AIN3,PCF8591 的輸出信號AOUT 即可接入Atmal89s52單片機，利用I2C 總線進行數(shù)據(jù)傳輸，單片機經(jīng)過軟件檢測，即可得知同步電壓Us 過零點信號。其硬件電路如圖3 所示。

圖3 同步信號的檢測電路

    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。來自單片機P1. 0 P1. 5 的六路較弱的脈沖信號輸入到反相器74HC04,經(jīng)過光電隔離器4N25 隔離輸出，最后經(jīng)過脈沖變壓器TB1 放大輸出到相應晶閘管的門極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)脈沖形成過程如下。當單片機檢測到A 同步電壓Ua 從負到正的過零點信號（ 實際上檢測到的應該是2.5V） 時，它會接收到來自于INT1 的中斷請求信號，這時，單片機會中斷響應，服務子程序。這個子程序的功能是決定如何產(chǎn)生第一個觸發(fā)脈沖的上升沿。當單片機檢測到同步信號過零點時，單片機的16 位計數(shù)器/定時器1 同時開始計時，它工作在工作方式1; 由于Atmel89s52 單片機的晶振是12MHz,它的一個機器周期是1μm.定時的長度是由單片機的要產(chǎn)生的觸發(fā)延時角α 決定的。由于一個正弦波的周期是20ms,定時的長度由下式?jīng)Q定： tα = α × 20 /360°ms.定時器的初始化值可以根據(jù)tα來設定。為了簡單起見，本文定義了一個長度為180 的數(shù)組，它對應于觸發(fā)延時角α 從0 到180 度的變化。這個數(shù)組保存在單片機的ROM 存儲區(qū)。這樣，定時器對應于每個觸發(fā)角的初始化設定值就可以直接賦值給定時器1 了。定時器初始化之后，就啟動定時器工作。當定時時間就一到，定時器的溢出標志位置1,單片機開始執(zhí)行定時器1 的中斷服務子程序。

    這子函數(shù)將P1. 0 設置為高電平，用于觸發(fā)VT1;這里定義脈沖的寬度為27°，即1. 5ms,則定時器1 的TH1 = FAH,TL1 = 24H; 于是開始啟動定時器第二次計數(shù)； 當定時時間一到，定時器開始執(zhí)行中斷服務子程序。在這個函數(shù)中，P1. 0 設置為低電平，表示觸發(fā)脈沖結(jié)束。由于第二個脈沖比一個脈沖滯后60°，也即是3. 33ms; 那么，第一個脈沖的下降沿到第二個脈沖的上升沿的時間間隔應為1. 83ms.因此，定時器應設置為TH1 = F8H,TL1= DAH; 這樣就啟動定時器第三次定時。當定時時間一到，定時器開始執(zhí)行中斷服務子程序。在這個子函數(shù)中，P1.1 引腳被置為高電平來觸發(fā)VT2.對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 引腳輸出一個主脈沖給VT1 的同時，P1. 5 引腳輸出一個次脈沖（ 補發(fā)脈沖） 給VT6; 延時60°后，P1. 1 引腳輸出一個主脈沖給VT2,同時，P1. 0 引腳輸出一個次脈沖給VT1; 至于其它晶閘管的觸發(fā)，其過程亦是如此。

    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)碼管是共陽極的，即當輸入為低電平時，數(shù)碼管點亮。數(shù)碼管采用動態(tài)顯示，相對于靜態(tài)顯示具有使用元件少、引腳少、電路簡單的優(yōu)勢。其中，段選位接到單片機的P0 口，位選位有單片機的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。其功能是設置觸發(fā)角a的大小。它由四個開關(guān)和電阻，外加一個+ 5V 電源組成。開關(guān)K1、K2 、K3 和K4 分別接到單片機的P2. 0、P2. 1、P2. 2 和P2. 3.當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，并且相應的數(shù)碼管被點亮； 按下第二次時，個位數(shù)字被選擇，并且相應數(shù)碼管的被點亮； 按下第三次時，十位數(shù)被選擇，并且相應數(shù)碼管被點亮； 按下第四次時，百位數(shù)被選擇，并且相應的數(shù)碼管被點亮。當K4 按下時，輸入的數(shù)據(jù)被送到單片機的存儲區(qū)。

圖7 鍵盤電路

    4 觸發(fā)電路的軟件設計

    觸發(fā)電路的軟件設計是非常重要的一個部分。本設計最重要的特點之一就是充分利用了單片機的軟件編程能力。這里主要是用軟件檢測同步電壓的過零點，以控制脈沖信號的產(chǎn)生。軟件部分包括主函數(shù)、中斷子函數(shù)、顯示子函數(shù)和延時函數(shù)等。采用C 語言進行編程，它具有編程簡單，一致性高等特點。

    程序流程圖如圖8 所示。首先，將單片機初始化，包括定時器1 的初始化，封鎖脈沖信號的輸出，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，單片機會監(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，單片機檢測同步信號，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 單片機的三相橋式可控觸發(fā)電路的設計方法。與以往利用同步變壓器，鎖相環(huán)等方法實現(xiàn)同步信號的檢測不同，本文利用電壓傳感器來檢測同步信號，是一種新的嘗試。相對來說，這種方法硬件電路較為簡單，成本較低，精度也較高。<