鎖相技術在三相交流調壓電源裝置中的應用

劉開緒，鄒立君，郭宗光

(大慶師范學院 物理與電氣信息工程學院, 黑龍江 大慶 163712)

0 引言

三相交流調壓裝置在工業生產中得到了廣泛的應用。隨著電子技術的發展和工藝的進步，基于智能芯片的調壓裝置不斷被研發出來。

晶閘管交流調壓電源裝置要解決的技術關鍵是同步觸發和移相控制，交流調壓電源裝置還兼做無觸點開關使用，在故障時封鎖調壓電源裝置的觸發脈沖輸出，從而使人身安全和設備安全得到保證。為了適應工業生產工作環境的需要,設計了一種具有強抗干擾能力的晶閘管調壓器。調壓器采用新型的系統級芯片SoC類型單片機C8051F360作為主控芯片,該單片機片內資源非常豐富,再配以復雜可編程邏輯芯片EPM7032等組成數字觸發控制裝置。該設計具有系統簡潔,具有軟硬件協同加密的特點。

1 鎖相環工作原理

CMOS鎖相環由3個基本單元構成：相位比較器，電壓控制振蕩器和低通濾波器[1，3-4]。集成電路CC4046鎖相環包含了相位比較器和電壓控制振蕩器兩個單元，使用時外接低通濾波器可構成完整的鎖相環，即PLL系統。CC4046的管腳排列如圖1所示,PLL功能框圖如圖2所示。電路中COMPIN、SIGIN為相位比較器輸入端；Qcomp-I、Qcomp-II相位比較器輸出端；VCOIN為壓控振蕩器輸入端；Qvco為壓控振蕩器輸出端；INH為禁止端，當INH為“1”電平時，禁止Qvco輸出；DZ為內部提供的穩壓管的負極；Cl(⑥腳和⑦腳)為壓控振蕩器外接振蕩電容端；Rl、R2(11腳和12腳)端則為壓控振蕩器外接電阻端。

圖1 CC4046引腳圖 圖2 壓控振蕩器電路

CC4046的內部結構如圖3所示。其相位比較器信號輸入端(SIGIN)可以直接輸入CMOS邏輯電平(“O"≤(VDD-VSS)30%，“l”≥(VDD-VSS)70%)。對于較小幅度的輸入信號，則必須經電容耦合輸入。

相位比較器I是一個異或門，為了使鎖定范圍最大，信號輸入端(SIGIN)和比較器輸入端(COMPIN)的輸入信號必須是5O%占空比。當無信號或噪聲信號輸入時，異或門輸出平均電壓等于VDD/2，經低通濾波器(R3和C2)后送到VCOIN端(見CC4046邏輯圖)，使VCO在中心頻率(f0)上起振。

鎖相環由起始的失鎖狀態到最終的鎖定狀態所允許的輸入信號頻率范圍定義為頻率捕捉范圍(2fC)；鎖相環始終處于鎖定狀態所允許的輸入信號頻率范圍定義為頻率鎖定范圍(2fL)，fC≤fL。

圖3 CC4046內部結構及應用電路

相位比較器I的特點：一是能鎖定接近VCO中心頻率的諧波的輸入頻率；二是兩個輸入信號的相位差在0°～180°之間，在中心頻率處相位差為90°。圖4示出相位比較器I的這種相位和輸出電壓的特性及鎖定在中心頻率時相位比較器I的輸出波形。

(a) 輸出電壓特性 (b)相位比較器(在中心頻率時的輸出波形)圖4相位比較器I輸出特性和波形圖

相位比較器II是一個邊沿控制的數據存儲網絡，它由4個觸發器、控制門和三態輸出電路組成。由于輸入信號僅在上升沿時起作用，所以對輸入信號占空比無限制。當SIGIN端輸入頻率高于COMPIN端輸入頻率時，低通濾波器輸出電壓上升；反之，當COMPIN端輸入頻率較高時，濾波器輸出電壓下降；當兩個輸入信號的頻率和相位都相等時，輸出端為高阻狀態，濾波器輸出電壓保持不變，同時QP輸出為“1”，表示處于鎖定狀態。若無外信號輸入時，比較器II使VCO處予最低振蕩頻率[2]。圖5示出相位比較器II的輸出波形。

圖5 相位比較器II輸出波形圖

2 鎖相環產生同步脈沖信號

圖6給出了鑒相電路原理框圖。

圖6 鑒相電路原理圖

整形電路把18 V同步、交流電壓信號V1變成方波V2，鑒相器為90°鑒相，其實是一個異或門電路，當輸入信號V2和V3電平相同時其輸出V4為低，當V2與V3電平不同時其輸出為高。鑒相后得到100 Hz的方波電壓，其高電平，寬度與V2、V3相位有關，V4經過低通濾波后變成波形平直的直流電壓(含有一定的紋波)V5，V5即作為壓控振蕩器的控制電壓，壓控振蕩器的輸出f0為一系列高頻脈沖，其頻率與控制電壓V5成正比，分頻電路把f0變成大約50 Hz的方波電壓V3送給鑒相器。此電路又稱為鎖相倍頻脈沖發生器，目的是為單片機提供上述的基本數字控制脈沖，其鎖相同步原理可表述如下：設f0的頻率為系統電網頻率的n倍，經n分頻器除n后得到和系統頻率相同的方波電壓V3，V3與系統電壓經整形后的方波V2一起送入鑒相器，調節壓控振蕩器的阻容參數，可以調節V3恰好滯后V2為90°，這時處于良好的鎖定狀態，波形如圖7所示。f0正好是電網頻率的n倍，假如電網的頻率上升(f增加)即V2周期減小，由鑒相器輸出波形分析可知V4的高電平寬度增加，從而引起低通濾波后的直流控制電壓V5上升，結果壓控振蕩器的頻率f0也將增加，f0仍增大到等于系統頻率的n倍為止，反之，假設電網頻率下降，則V2周期加長，波形V4的高電平寬度將變窄，從而引起V5降低，f0也減小，仍然等于系統電網頻率的n倍，這樣f0始終與系統電網保持固定的倍頻關系，故又稱鎖相倍頻脈沖發生器。若選擇分頻器的分頻數n=720，則f0的每個脈沖周期恰好等于電角度0.5度，在對可控硅進行相位控制時，即以此脈沖做為計量延遲觸發角的計數脈沖，可以實現比模擬式觸發更精確的數字控制。本裝置為了適應二進制計數，選n=768，這樣可控硅的觸發角精度可以控制在0.5度電角度以內。

圖7 鑒相電路對應點波形圖

3 單片機控制三相交流調壓系統

單片機控制系統以C8051F360單片機作為主控制器，C8051F360無需外接程序存貯器，它內含32 KB Flash程序存儲器、1 KB的RAM，17個I/O口、16通道10bit的ADC、1通道10 bit的DAC及溫度檢測等功能部件。從調節器來的模擬控制量直接送入到C8051F360的ADC轉換單元，轉換完成的數字量直接在單片機中處理，大大簡化了電路，提高了系統的可靠性，降低了成本[5]。圖8給出了單片機控制三相交流調壓電源裝置系統圖。

圖8單片機控制三相交流調壓系統圖

4 結語

采用單片機作為核心控制元件，利用鎖相環技術設計的晶閘管調壓電源裝置具有如下特點：

1)具有可靠性高，抗干擾能力強；

2)具有調壓特性好，可以連續、平滑調節，并且可實現軟啟動功能；

3)能實現在0.5度電角度內實施控制，調節精度高，輸出電壓穩定；

4)安裝簡單，調試方便，維護工作量小。

該晶閘管調壓電源裝置產品幾經換代，換代產品在多年的使用中，證實了其具有非常優越的性能指標。

[參考文獻]

[1] 黃鳳娟.用鎖相環CD4046實現電動機轉速測量的研究[J].重慶科技學院學報,2007(1):49-52.

[2] 牟海維.鎖相環CD4046在電能質量分析儀中的應用[J].科學技術與工程,2009(11):3076-3078.

[3] 宋國峰.鎖相環集成電路CD4046及其在車速信號測量中的應用[J].濰坊學院學報,2006(2):38-39.

[4] 張大華.鎖相環集成電路CD4046及其在自動化儀表中的應用[J].工業計量,2003(6):30-32.