基于AVR單片機的三相晶閘管觸發(fā)電路的研制

1、基于AVR單片機的三相晶閘管觸發(fā)電路的研制2008-04-23 嵌入式在線 收藏 | 打印 引 言 用于晶閘管三相全控橋整流裝置的觸發(fā)電路，若僅從觸發(fā)信號的相位控制方式來看，只有多通道相位控制和單通道相位控制兩種。 前者的典型電路為鋸齒波移相觸發(fā)電路，它用于三相全控橋式主電路時，移相通道多達6個，由于各個通道中同步電路本身特性的差異，發(fā)出的觸發(fā)脈沖相位對稱度很差。另外，傳統(tǒng)的晶閘管整流或逆變系統(tǒng)需要3個同步變壓器來得到觸發(fā)脈沖的同步信號，不僅增加了系統(tǒng)的成本，同時給安裝調(diào)試帶來不便。隨著新型器件的發(fā)展，數(shù)字移相技術(shù)逐漸開始取代傳統(tǒng)的模擬移相技術(shù)。AVR單片機具有強大的邏輯分析和計算能力，而且可

2、以在系統(tǒng)編程，可靠性很高。 本文詳細介紹了一種以AVR單片機為核心，并且不需同步變壓器、具有相序自適應(yīng)功能的雙脈沖序列數(shù)字移相觸發(fā)器設(shè)計?，F(xiàn)場應(yīng)用證明，該相控數(shù)字觸發(fā)電路簡單可靠，產(chǎn)生的脈沖對稱性好，抗干擾能力強。 1 三相半控橋的觸發(fā)原理 在三相橋式半控整流電路中，每個導(dǎo)電回路中有2個晶閘管，見圖1。 該電路由一個三相半波不控整流電路與一個三相半波可控整流串聯(lián)而成，因此兼有可控與不可控兩者的特點。共陽極組的整流二極管總是在自然換相點換流，使電流換到陰極電位低的一相上去；而共陰極組的3個晶閘管則要觸發(fā)后才能換到陽極電位更高的一相中去。輸出整流電壓Ud的波形是兩組整流電壓波形之和，改變可控組的控

3、制角可得到02.34U2的可調(diào)輸出平均電壓Ud。 2 裝置的工作原理 2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)總體框圖見圖2。 2.2同步信號的獲取 在三相半控整流電路中，選擇觸發(fā)電路的同步電源非常重要，只有正確地選擇了同步電源，才能使各晶閘管在指定的時刻及時依次順序觸發(fā)導(dǎo)通。同步電源的選擇與3 個因素有關(guān)：整流電路形式及整流變壓器繞組的接法；同步變壓器繞組的接法；觸發(fā)電路中同步電源電壓的相位與觸發(fā)脈沖的相位之間的關(guān)系。 為了得到觸發(fā)脈沖的移相角，即確定觸發(fā)脈沖相對于輸入電壓的位置，必須從三相交流電源引入同步信號。傳統(tǒng)的做法是從電源側(cè)通過3個變壓器得到各相的同步信號，這樣就增加了系統(tǒng)的成本，并且安裝也不方便。

4、采用如圖3所示的方法，將三相線電壓信號，經(jīng)過限流電阻，使用光耦進行電壓隔離，這樣就不需要同步變壓器，線路簡單，同時節(jié)省了成本。 同步信號獲取電路如圖3所示。 在正弦交流電壓信號的正半周，發(fā)光二極管導(dǎo)通，光耦輸出低電平，在負半周輸出高電平。光耦輸出信號的下降沿就是同步信號的正過零時刻。但是，這一時刻會有一點延時，這個問題將在3.2節(jié)中討論。波形圖見圖4。 2.3同步工作原理 在工頻為50 Hz時，電源1個周期理論上應(yīng)為：T=150=0.02s=20ms。因此，系統(tǒng)初始化時T=20 ms。實際應(yīng)用中，由于電網(wǎng)負荷的變化，經(jīng)常出現(xiàn)周期不嚴格等于20 ms的情況。如果不相應(yīng)調(diào)整T值的話，就會產(chǎn)生觸發(fā)誤

5、差。定義16位的定時器T1工作在系統(tǒng)時鐘頻率的18(即1s，最大計時為65.5 ms)，用計數(shù)器1計時兩個下降沿之間的時間就是周期T。這樣就消除了電網(wǎng)頻率不穩(wěn)造成的觸發(fā)誤差。 2.4可控硅觸發(fā)脈沖的形成 Atmega16有3個外部中斷，不需要擴展中斷就可以做到3個同步信號的獲取。定義單片機的中斷為下降沿有效，中斷一來，延時指定的時間t后就在指定的IO口輸出一個高電平，經(jīng)過1 ms輸出低電平。流程見圖5。各相中斷信號互為獨立。 圖6所示為同步信號與觸發(fā)信號波形。 3 觸發(fā)延時時間與電壓的關(guān)系 3.1觸發(fā)角與輸出電壓的關(guān)系 三相半控整流負載R上得的是脈動頻率為3倍電源頻率的脈動直流電壓，在一個脈動

6、周期中，它由一個缺角波形和一個完整波形組成。當=3時，Ud波形只剩下3個波頭，波形剛好與3時的波形維持連續(xù)。于是可得當整流輸出電壓連續(xù)時(即帶電阻負載03時)的平均值為： 3.2觸發(fā)角與延時時間的關(guān)系 設(shè)工頻電源1個周期T，理論上應(yīng)為20 ms，但是，由于電網(wǎng)負荷的變化，經(jīng)常出現(xiàn)周期不嚴格等于20 ms的情況。延時時間t與觸發(fā)角的關(guān)系為： 可見，電網(wǎng)的頻率變化時，要輸出的觸發(fā)角，延時時間也要相應(yīng)調(diào)整。本裝置充分考慮了因周期變化引起的觸發(fā)角的誤差，單片機測量上一個周波的周期，作為這個周波的周期。從式(3)也可以看出當電網(wǎng)電壓周期穩(wěn)定時，延時的時間與觸發(fā)角成正比關(guān)系。 3.3延時時間數(shù)據(jù)的來源 可

7、以根據(jù)需要獲取模擬數(shù)據(jù)或者數(shù)字數(shù)據(jù)，本裝置提供3種類型的數(shù)據(jù)接口。 1)模擬電壓輸入 Atmega16 單片機性價比高，有8路10位AD轉(zhuǎn)換器，從通道0輸入05 V電壓，對應(yīng)1800的相位角，也可以接個可調(diào)電阻調(diào)節(jié)05 V的電壓來改變相位角。在有些場合，需要三相觸發(fā)相位不相同，也可以通過改變跳線選擇3組模擬量輸入，通道0到通道2分別對應(yīng)A、B、C三相的移相的相位角。 2)脈沖信號輸入 在需要現(xiàn)場隔離的場合，脈沖信號只需要一路數(shù)字量隔離就可以將模擬信號傳輸出去。單片機通過檢測輸入信號的占空比來確定移相的相位角。100對應(yīng)0，0對應(yīng)180。同上，也可以分別輸入3個脈沖信號來分別控制三相的觸發(fā)角。

8、3)異步串行數(shù)據(jù)輸入 在工業(yè)控制場合，大量使用RS-485總線，本裝置可以通過異步串行口將移相的相位角的數(shù)據(jù)送入單片機。 3.4線性化輸出電壓 從式(1)和式(2)可以看出，三相半控橋式整流的輸入電壓與輸出電壓不是線性關(guān)系。單片機有強大的計算能力，通過將輸入的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過計算，轉(zhuǎn)換到另外一個角度值，可以做到輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系。輸入信號與輸出電壓的數(shù)學模型如圖7所示。 如果將輸出的直流電壓引入單片機的AD轉(zhuǎn)換器，將大大增加裝置的成本，將高壓信號引到主電路中也比較危險，器件容易損壞，調(diào)試也不方便。所以，這個系統(tǒng)為一個開環(huán)系統(tǒng)，控制的輸出不一定與輸入電壓成比例關(guān)系，有一點靜態(tài)誤差。但是可以

9、加入一個非線性變換，通過調(diào)整，做到輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系。 3.5誤差分析 前面提到過，在獲取正向過零時會有誤差，即得到的不是正向過零時刻。如圖8所示。 發(fā)光二極管導(dǎo)通需要一定的電流，在剛正向過零的一小段時間內(nèi)，發(fā)光二極管還沒能夠?qū)?，當電壓達到一定電壓值時才導(dǎo)通，在接近負過零的一小段時間內(nèi)，電流過小，也不導(dǎo)通了，在負半周，由于二極管向，也不導(dǎo)通。用示波器測得，同步信號的占空比為54，可見，下降沿不是過零點。 同步信號有誤差并不是一點意義也沒有，通過分析有誤差的同步信號，同樣也可以找到過零點。從測量到的數(shù)據(jù)分析，高電平比低電平多8，說明二極管有28.8的時間是因為電流過小而不能夠?qū)?。?/p>

10、么，正向過零點應(yīng)該在下降沿超前14.4。 在計算觸發(fā)時間時必須考慮這個下降沿的滯后角。 由于這個滯后角的存在，不能夠移相0180，對于單相觸發(fā)會有誤區(qū)，對于三相橋式整流來說就沒有。因為，線電壓過零點滯后相電壓過零點30，而下降沿的滯后角一般小于30。 4 裝置的測試 接好三相電源，負載為2只耐壓220 V的白熾燈串聯(lián)。通過調(diào)節(jié)AD輸入口的精密可調(diào)電阻來改變輸入電壓，可以做到05 V的模擬量的輸入。調(diào)節(jié)電阻，燈泡的亮度改變，可知線路工作正常，用AVR單片機設(shè)計的電路可以代替TC787等芯片制作的觸發(fā)電路。 以下為AD口的電壓與輸出的直流電壓的關(guān)系： 式中：VADC為AD轉(zhuǎn)換后的電壓；Vin為被選中的AD引腳的輸入電壓；Vref為參考電壓。 從以上數(shù)據(jù)可以看出輸出電壓