電子鋁箔化成直流電源的DSP觸發控制

寧宇,巫禮杰,黃景維,張燕金,滕世國

(1.韶關學院物理與機電工程學院,廣東韶關512005; 2.乳源東陽光機械有限公司,廣東韶關512721)

電子鋁箔化成直流電源的DSP觸發控制

寧宇1,巫禮杰1,黃景維1,張燕金2,滕世國2

(1.韶關學院物理與機電工程學院,廣東韶關512005; 2.乳源東陽光機械有限公司,廣東韶關512721)

研制出用于電子鋁箔化成大功率晶閘管直流電源的TMS320F2812數字觸發控制器.研究了電網頻率跟蹤和相序自適應實現方法和步驟,詳細介紹了控制器的硬件和軟件設計.實現了晶閘管觸發脈沖的形成和移相控制的完全數字化.仿真和實驗結果證明所提出的設計方法是有效的.該觸發控制器觸發精度高,具有硬件簡單、可靠性高等特點.

相控整流器;相序自適應;數字觸發控制器

大功率整流電源及其控制器是化成箔、腐蝕箔生產的關鍵設備.與早期的模擬電路集成芯片相比,單片機數字觸發器具有輸出波形穩定、可靠性高、溫飄影響小、觸發電路結構簡單,控制靈活等優點而被廣泛采用[1-2].

生產工藝需要高效率、低紋波和高功率因數的直流電源.要求實時監測功率因數,始終保持允許的最小觸發控制角,實現功率因數最高.8位單片機觸發器運算速度低,觸發控制的精度受到限制,不能勝任實時計算電壓和電流有效值、功率因數和智能控制算法的要求.

筆者針對大功率高壓化成直流電源研制配套的32位DSP數字觸發器,實現了電網頻率跟蹤和相序自適應功能,并具備軟啟動、缺相保護和過電流保護等功能.

1 三相晶閘管橋式整流電源及其對觸發控制的要求

圖1 化成直流電源電路簡圖

如圖1(a)所示,三相橋式整流電源上下橋臂各有一只晶閘管,同時導通才能形成電流回路,而移相控制脈沖根據輸入電源的相序依次間隔60°發出,這就要求觸發脈沖是間隔60°的雙窄脈沖.由于接線時并不清楚電源的相序,所以有可能出現正負相序兩種情況,如圖1(b)、(c)所示.圖1(a)規定的是正相序的導通順序,一旦接為負相序,晶閘管就不能正常導通.因此,必須自動檢測電源的相序并相應確定正確導通的順序.同時,電網的頻率也會出現變化,要求脈沖相位也隨之調整,才能保證精準的控制.總之,三相橋式整流電源要求觸發脈沖控制具備相序自適應、電網頻率跟蹤和雙窄脈沖的功能,此外,觸發脈沖電路還應與主回路隔離,脈沖波形有一定的寬度和陡度才能保證晶閘管可靠快速導通[3].

2 硬件電路設計

如圖2所示,DSP數字式觸發器控制系統的控制內核為DSP控制器2812,外圍電路主要由同步電路、電壓電流檢測、信號調理電路和脈沖隔離功率放大輸出電路等組成.2812通過軟件實現包括電源缺相保護、過壓欠壓檢測和相序自適應控制的開機初檢程序.初檢通過后,根據外部運行軟啟動指令和板內電位器給定信號,完成移相觸發,電壓或電流的數字(PID)閉環控制.可根據故障信號發出封鎖或開放觸發器指令,保證系統安全可靠工作.此外,DSP2812的SCI口通過以太網電路與上位機相連,根據通信協議,接收上位機的命令參數或返回整流電源的狀態參數如移相控制角、交流電壓和電流有效值、功率因數、直流電壓和電流數據,改變以往的單片機單機控制,可實現遠程網絡控制.

圖2 DSP移相觸發控制系統

2.1 同步電路

圖3 同步電路原理

同步控制是移相控制的特殊問題.筆者考慮到大功率整流電源帶負載后電整流變壓器T的電壓波形會出現畸變,易使電壓過零點不準確,采用專用同步變壓器.三路同步變壓器二次線電壓SUV、SUW、SVW信號經濾波整形后變成方波接入CAP1~CAP3.線電壓同步信號的好處是過零點即自然換相點(零觸發角).同時,三路線電壓信號還用作相序自適應和缺相保護并方便調試.同步電路原理圖如圖3所示.

2.2 脈沖的輸出和功率放大電路

圖4 DSP輸出脈沖鎖存及高頻振蕩電路

DSP產生的移相脈沖信號由PWM口輸出到脈沖鎖存器MC74HC174N.它的選通信號PM由DSP一個指定的IO口PMC信號提供.PMC=1時選通,允許脈沖輸出.PMC也可用作故障保護時封鎖脈沖.圖4左邊的電路是一個高頻振蕩器,其作用是將脈沖信號變為脈沖列(如圖5所示).整個脈沖列的寬度是由單片機輸出脈沖的時間來決定,一般為18°~20°,由程序設定.而脈沖列中單個脈沖的寬度是由電容C16和電阻R的值決定的,高頻脈沖列可降低脈沖變壓器的功耗,減小脈沖變壓器的體積.圖4右邊是脈沖隔離變壓器功率放大電路.

圖5 高頻單脈沖波形

3 軟件程序設計

3.1 觸發控制原理及DSP資源分配

2812數字觸發實際上是模擬鋸齒波觸發控制原理,由定時器產生一遞增信號,該信號相當于鋸齒波與控制信號相比較生成脈沖的移相控制角,所以移相觸發控制的核心是定時器的控制.

2812有3個32位的CPU定時器和4個16位的事件管理器定時器[7].如圖6所示,由捕捉口CAP1在同步方波信號上升沿發出CAP中斷,作為觸發脈沖基準,啟動CPU定時器,實時計算電網電壓的周期T和對應60°的時間,同時計算電位器給定或由上位機傳送的移相控制角對應的時間.在下一周期發出的CAP中斷中,根據實時測算的周期和移相控制角重新賦值相關寄存器,從而實現了電網頻率跟蹤.

圖6 觸發控制原理

3.2 相序自適應算法

相序自適應就是自動辨別電網三相電壓相序,根據不同的相序自動確定觸發脈沖的順序,保證觸發脈沖與晶閘管陽陰極的電壓始終保持同步,這樣可實現一定程度的免調試功能[4].相序自適應包含兩個問題:正負相序的判斷和正負相序的處理.

3.2.1 正負相序的判斷

將線電壓信號SUV、SUW、SVW引入2812的3個捕捉口,SUV、SUW、SVW三者間隔60°.SUV設置為上升沿和下降沿觸發捕捉中斷,此時另外2個捕捉口設置為輸入口,依次讀取SUW和SWV上升沿和下降沿的值,如果兩者的值相同,即同為"0"或"1"就是正相序,見圖7(a),如果不同就是負相序,即一為"0",另一為"1".相應地可根據正負相序和缺相給一變量S賦值"0"、"1",則0代表正相序,"1"代表負序,根據S的值轉入相應的處理程序.

圖7 正負相序判定原理

3.2.2 正負相序的處理

由圖1(b)、(c)可知,正序時脈沖發送的順序應為(VT6,VT1),(VT1,VT2),(VT2,VT3),(VT3,VT4), (VT4,VT5),(VT5,VT6),(VT6,VT1);負序時的順序為應為(VT2,VT1),(VT1,VT6),(VT6,VT5),(VT5, VT4),(VT4,VT3),(VT3,VT2),(VT2,VT1)[5].按以上順序循環就實現了相序自適應功能.

3.3 主程序流程

主程序流程如圖8所示,系統上電后檢查是否過壓欠壓缺相,若出現以上情況,系統啟動報警電路,反之,開CAP中斷,轉到CAP中斷程序塊.CAP中斷指CAP1中斷,設置為上升沿和下降沿觸發,即一個周期共產生2次中斷,兩次中斷相隔180°,CAP中斷里,首先判斷相序自檢是否已完成,若沒完成則轉到相序自適應程序塊,若完成則分別預置定時器T1、T2、T3.

圖8 主程序流程

圖9 CAP中斷程序流程

圖10 T1中斷程序流程

圖11 T2中斷程序流程

圖12 T3中斷程序流程

T1、T2、T3分別為移項角Ta,脈寬TH,60°時間T60°,此時更新移項角,隨后開定時器T1.T1中斷里開定時器T2,同時將相應PWM輸出引腳置高,T2中斷里再將相應引腳置低.判斷Num是否為2,因為兩次中斷剛好120°,120°時間里2次T1中斷由T3開啟,下一個T1中斷由下一個CAP中斷開啟,依次循環,通過T1、T2、T3則可以成功發完脈沖[6-7].

4 實驗結果

負載兩端整流電壓波形(α=30°)如圖12所示,其中,(a)為仿真波形,(b)為實驗波形.晶閘管端電壓波形(α=30°)如圖13所示,其中(a)為仿真波形,(b)為實驗波形.同步信號和觸發脈沖信號實驗波形如圖14所示.

圖12 整流電壓波形(α=30°)

圖13 晶閘管端電壓波形(α=30°)

圖14 同步信號和觸發脈沖信號實驗波形

5 結論

實驗結果表明,實驗波形和仿真波形完全一致.筆者已經完成了DSP數字觸發器的實驗室評估,具備了工業現場實驗的基本條件.進一步的工作如直接從整流變壓器側接入同步信號所需的數字濾波算法及功率因數的實時檢測正在開發之中.

[1]馮廣義,張光,李宏.相序自適應全數字智能化晶閘管觸發器[J].電力電子技術,2003,37(5):82-83.

[2]李宏,鄒偉,邢隆.寬頻率范圍跟蹤晶閘管觸發器的研制與應用[J].電力電子技術,2005,39(6):138-140.

[3]王兆安,黃俊.電力電子技術[M].5版.北京:機械工業出版社,2007.

[4]王慶華.無同步變壓器的相序自適應晶閘管觸發電路[J].電力電子技術,1998(4):93-95,101.

[5]李宏,范柳絮,趙棟,等.基于CPLD的相序自適應晶閘管數字觸發器設計[J].電氣應用,2008,27(1):76-78.

[6]杜海江,石新春.相序相位自適應相控整流器原理分析及實現[J].電工技術學報,2005,20(2):105-109.

[7]蘇奎峰.TMS320F2812原理與開發[M].北京:電子工業出版社,2005.

On the trigger control of DC power supp ly for formed foil based on DSP

NING Yu1,WU Li-jie1,HUANG Jing-wei1,ZHANG Yan-jin2,TENG Shi-guo2
(1.School of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Shaoguan University,Shaoguan 512005, Guangdong,China;2.Ruyuan Dongyangguang Machinery Co.,Ltd.,Shaoguan 512721,Guangdong,China)

This paper developed a digital trigger controller for high power thyristor DC power for electronic aluminum formed foil.It used high performance digital signal processor(DSP)TMS320F2812 chip as the control center,achieved key functions such as digital shift phase trigger pulse,power grid frequency tracking and phase sequenceadaptive.Thehardwareand software design of the controller is investigated in details.Theexperimental re sult indicated that the controller had good performance due to simple hardware and high reliability.

phase-controlled rectifier;phase sequence adaptive;digital trigger controller

TM461.4

:A

:1007-5348(2014)06-0030-06

(責任編輯:李婉)

2014-05-12

韶關市創新資金資助項目(SCJ2012-10508);廣東省大學生創新實驗資助項目(1057613-013).

寧宇(1962-),男,安徽安慶人,韶關學院物理與機電工程學院自動化系副教授,碩士,主要從事電力電子電路及電機的數字控制方面的教學和研究.