基于单片机的晶闸管触发器的设计

1 引言
    晶闸管也叫可控硅整流器．是目前工业应用中最为广泛的大功率变换器件。晶闸管在烧结炉、电弧炉等整流场合主要采用移相触发控制，即通过调节晶闸管导通时刻的相位实现控制输出。传统的晶闸管触发器采用模拟控制电路，无法克服其固有缺点。数字式控制电路与模拟式相比，主要优点是输出波形稳定和可靠性高，但其缺点是电路比较复杂，移相触发角较大时控制精度不高。随着单片机技术的发展，由单片机组成的控制电路的优势越明显，除具有与数字式触发电路相同的优点外，更因其移相触发角通过软件计算完成，触发电路结构简单，控制灵活，温漂影响小，控制精度可通过软件补偿，移相范围可任意调节等特点，目前已获得业界的广泛认可。以三相桥式全控整流电路为例，介绍应用单片机组成晶闸管触发器硬件电路的设计，以及软件实现移相触发脉冲控制的方法。

2 单片机触发器的组成
    单片机控制的晶闸管触发器主要由同步信号检测、CPU硬件电路、复位电路和触发脉冲驱动电路4部分组成，如图l所示。CPU通过检测电路获知触发信号，依据所要控制的电路要求，通过编程实现预定的程序流程，在相应时间段内通过单片机I/O端输出触发脉冲信号，复位电路可保证系统安全可靠的运行。

3 移相触发脉冲的控制原理
    相位控制要求以变流电路的自然换相点为基准，经过一定的相位延迟后，再输出触发信号使晶闸管导通。在实际应用中，自然换相点通过同步信号给出，再按同步电压过零检测的方法在CPU中实现同步，并由CPU控制软件完成移相计算，按移相要求输出触发脉冲。
    图2为三相桥式全控整流电路，触发脉冲信号输出的时序也可由单片机根据同步信号电平确定，当单片机检测到A相同步信号时，输出脉冲时序通常采用移相触发脉冲的方法，即用一个同步电压信号和一个定时器完成触发脉冲的计算。这在三相电路对称时是可行的。因为三相完全对称，各相彼此相差120°，电路每隔60°换流一次，且换流的时序事先已知。该方法所用单片机资源少，只需一个同步信号，电路比较简单，但软件设计工作量稍大。

    因为只用一个同步输入信号，所有晶闸管的触发脉冲延迟都以其为基准。为了保证触发脉冲延迟相位的精度，用一个定时器测量同步电压信号的周期，并由此计算出60°和120°电角度所对应的时间。由于三相桥式全控整流电路的触发电路，必须每隔60°触发导通一只晶闸管，也就是说，每隔60°时间必然要输出一次触发脉冲信号，因此作为基准的第一个触发脉冲信号必须调整到小于60°才能保证触发脉冲不遗漏。当以A相同步电压信号为基准，单片机检测到A相同步电压信号正跳变时，启动定时器工作，当定时器溢出时，输出第一个触发脉冲信号，以后由所计算出的周期确定每隔60°己时输出一次触发脉冲，直到单片机再次检测到A相同步信号的正跳变时，这个周期结束，开始下一个周期。需要注意，从单片机检测到同步电压正跳变到输出第一个触发脉冲信号的时间，必须调整到小于等于60°电角度时间，否则会造成触发脉冲的遗漏。第一个触发脉冲相对于同步信号正跳变的时间，可根据三相桥式全控整流电路的触发时序来调整，如图3所示。图3中α1为触发延迟角，(α2-α1)、(α4-α3)均为触发窄脉冲宽度60°，α0为同步脉冲信号的一个标准周期360°；g0表示同步脉冲信号，gl、g2、g3、g4、g5、g6分别表示VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6触发脉冲信号；其中0表示低电平，1为高电平。

    依照三相桥式全控整流电路晶闸管导通的时序要求，输出触发脉冲分为3种情况：
    (1)当移相触发延迟角α≤60°，此时以A相同步信号为基准，并按延迟角时间定时实现的第一个脉冲输出，应该是A相VT1晶闸管的触发信号，触发延迟时间和触发脉冲的时序无需调整，之后每隔60°时间依次输出VT2、VT3、VT4、VT5、VT6晶闸管的触发信号。
    (2)当移相触发延迟角60°<α≤120°时，为保证触发脉冲不遗漏，应将触发延迟角的定时时间调整在60°时间之内，即减去一个60°时间。同时输出触发脉冲的时序也要进行调整，此时第一个输出触发脉冲信号应该是B相，VT6晶闸管的触发信号，之后每隔60°时间依次输出VT1、VT2、VT3、VT4、VT5晶闸管的触发信号。
    (3)当移相触发延迟角α>120°时，要将触发延迟角的定时时间调整在60°时间内，从而保证触发脉冲不遗漏，则需减去一个120°时间，并且对触发脉冲时序进行相应调整，此时第一个输出触发脉冲信号应该是C相VT5晶闸管的触发信号，之后每隔60°时间依次输出VT1、VT2、VT3、VT4晶闸管的触发信号。

4 触发器硬件组成
    图4给出单片机控制的移相触发脉冲控制硬件电路图。单片机选用AT89C2051，其属于MCS一51系列小型单片机，共有20个引脚，2 KB内存。同步信号的输入经电阻R1，R1起到限流和保护的作用，正弦同步信号经VD1和VD2两个限制比较器输入电压的箝位二极管削波后，送入比较器LM339的输入端，LM339输出为180°与电源相位相同的方波。同步检测信号发生正跳变时，经反相以中断方式向单片机的INT0(引脚6)提供同步指令，从表面上看好像是外部中断信号输入，实际上是要量脉冲的宽度，这决定于信号到来的时间。使用该比较电路，无论输入的同步电压信号高还是低，LM339的输出信号都能较准确的反映同步输入信号的过零点，R2和C3对输出信号进行滤波，以避免输出信号出现波动。由于AT89C2051为8位单片机，所以该触发器内部均为8位数字量计算，其触发延迟角范围为0°～180°，控制精度为0．7°，虽然控制精度受到内部运算位数的限制，但足以满足一般控制要求。

    AT89C2051的Pl端口的P1．2～P1．7(引脚14~19)分别用于输出三相桥式全控整流电路VT1～VT6的触发脉冲信号，6路脉冲信号经741504反相放大，推动功率放大器TD62004，该器件的输出连接到脉冲变压器的初级绕组。为了使复位更可靠，采用先进的专用上电复位器件X25045，该器件具有可编程定时器，采用SPI总线结构。定时器看门狗的作用是保证在设定的时间内，若系统程序走死，不能定时访问X25045的片选端，X25045将能对系统复位．提高了系统的可靠性，给单片机提供独立的保护系统。其他的端口如P1端口的P1．0～P1．1(引脚12和13)可作为过压、过流指示，P3端口的P3.4~P3．5(引脚8和9)作为过压和过流的输入端，P3端口的其余端口可以从整流端采集电压负反馈信号经A／D转换后进行数字PI调节，构成电压负反馈闭环控制，以保证整流输出端电压稳定。

5 移相触发脉冲控制软件的设计
    移相触发脉冲的控制软件可方便进行延迟计算，由软件完成系统初始化、初值的输入和电角度时间的计算并送入定时器，通过外部中断实现触发延迟角的处理。由于AT89C2051上电复位期间所有端口均输出高电平，为了保证复位期间所有晶闸管都没有触发信号的触发，应采用低电平为有效触发晶闸管的信号。移相触发脉冲控制软件流程图如图5所示。

6 结语 
    在实验中加入数字PI调节，构成电压负反馈闭环控制，使输出电压稳定运行，提高了触发脉冲的对称度和稳定性，触发延迟角最大可达180°，改善了触发器的性能指标和变流装置的可靠性。该设计方案实现了晶闸管触发器的单片机控制，体现了控制电路简单、便于调节且占用CPU资源少的特点，是一种理想的易于推广的晶闸管触发控制设计方案。