基于HT46F49E單片機的三相全控橋式整流觸發器設計與實現

耿恒山，李 欽，王少佐，高 艷

（河北工業大學 計算機科學與軟件學院，天津 300000）

基于HT46F49E單片機的三相全控橋式整流觸發器設計與實現

耿恒山，李 欽，王少佐，高 艷

（河北工業大學 計算機科學與軟件學院，天津 300000）

0 引言

電力電子變流技術在工業化國家中有著很廣泛的應用，其中相控整流占有非常大比重。大功率三相全控橋整流裝置常被用作工業生產的可調直流電源，直流電壓調節是依靠觸發電路來控制，由于模擬電路中參數很難調整，并且易受網壓波動及電磁干擾的影響，導使三相電負荷不平衡，在電網中引起較大的諧波電流。可控整流裝置功率越大，這種現象就越嚴重，甚至能夠引起誤觸發，以至出現燒毀熔斷器、跳閘等各種故障。數字式觸發電路通過模/數轉換器將模擬量轉換成數字量，控制計數脈沖的個數進行移相控制，因此其控制精度較高，并且各相脈沖間的對稱性好，在大功率整流裝置中更能體更能很好的體現其優越性[1]。本設計采用HT46F49E單片機實現三相全控橋式整流器觸發器，通過控制晶閘管觸發脈沖的移相控制角度從而來改變整流裝置輸出的直流電壓大小[2]。并且所采用一種創新的同步信號輸入方式有很強的抗干擾能力，能夠適用于各種惡劣環境。

1 三相全控橋式整流器工作原理

三相橋式全控整流電路及其波形原理圖如圖1所示。

圖1 三相橋式全控整流電路主回路原理圖

圖2 三相橋式全控整流電路電阻負載波形圖（α=0°）

從為了保證電路回路的形成，通過分析自然換流點換流時各晶閘管工作過程，可以確定導通順序及時間差值。

由圖1知：晶閘管VT1和VT4接a相，晶閘管VT3和VT6接b相，晶管VT5和VT2接c相。晶閘管VT1、VT3、VT5組成共陰極組，晶閘管VT2、VT4、VT6組成共陽極組。

通過研究幾個特殊控制角，分析輸出波形的變化規則，可以得到α變化時各晶閘管的導通規律。分析α=0°的情況，即是在自然換相點觸發換相時的情況。

為了分析方便起見，把一個完整周期等分為6段(如圖2所示）。

第1段期間：a相的電壓最高，此時共陰極組的晶閘管VT1被觸發導通，b相電位最低，所以供陽極組的晶閘管VT6應該被觸發導通。這時侯的電流由a相經VT1流向負載，再經VT6流入到b相。變壓器a、b兩相同時工作，共陰極組的a相電流為正，共陽極組的b相電流為負。此時加在負載上的整流電壓為Ud=Ua-Ub=Uab。

經過60°后進入第2段時期：這時a相的電位仍然是最高的，因此晶閘管VTl繼續導通，但是此時c相電位卻變成最低，當經過自然換相點時觸發c相晶閘管VT2，電流即從b相換到c相，VT6因為承受反向電壓而被關斷。這時電流由a相流出經過VTl、負載、VT2流回到c相。變壓器a、c兩相同時工作。這時a相的電流為正，c相的電流為負。此時加在負載上的電壓為Ud=Ua-Uc=Uac。

再經過60°進入了第3段時期：這時b相電位為最高，共陰極組在經過自然換相點時，觸發導通晶閘管VT3，電流即從a相換到b相，c相晶閘管VT2因為電位仍然為最低而繼續導通。此時變為變壓器bc兩相工作，在負載上的電壓為Ud=Ub-Uc=Ubc。

余相依此類推。

由三相全控橋式整流器工作過程可知，在任何時候都必須有兩個晶閘管同時導通，且這兩個晶閘管必須一個是共陰極組的,一個是共陽極組的,只有當它們同時導通,才能夠形成導電回路。因為共陰極的晶閘管是在正半周觸發,共陽極組的晶閘管是在負半周觸發,所以接在同一相的兩個晶閘管的觸發脈沖相位應該相差180°。三相橋式全控整流電路每隔60°有一個晶閘管要換流,因此每隔60°必須有一個晶閘管被觸發[1]。

2 電路的設計與實現

利用HT46F49E單片機的模/數轉換器將模擬量轉換成數字量，通過控制計數脈沖的個數來進行移相控制。外部電路由同步信號電路模塊、α角控制模塊、脈沖輸出模塊、液晶顯示模塊、電源模塊、復位電路模塊、晶體振蕩電路模塊和過壓過流保護模塊八部分組成。其系統架構如圖2所示。

圖3 電路系統架構圖

2.1 晶閘管觸發方式的選擇

根據可控硅的工作性質，輸出觸發脈沖的3種情況即當移相觸發延遲角α≤60°、60°＜α≤120°、α＞120°。晶閘管的寬脈沖觸發及雙窄脈沖觸發兩種觸發方式脈沖。若采用順序觸發方式，即寬脈沖觸發，設取我國工農業生產和生活用電，電壓220V，頻率50Hz。則周期T=1/f=0.02s。60°相角所占比則知時間延時應為0.02s/6即為3333.33us。為保證電流回路的形成，使得相鄰二晶閘管同時存在觸發脈沖，門極脈沖寬度最好采用≥=60°的寬脈沖。使換相后的脈沖出現時前脈沖還未消失，以保證換相點均有相鄰兩個晶閘管被觸發；另一種是在被觸發某個晶閘管的同時，以前一號的晶閘管補發觸發脈沖，即用兩個窄脈沖代替寬脈沖。為了減小觸發電路功率與脈沖變壓器體積，本設計采用雙窄脈沖觸發方式。

2.2 三相全控橋式整流電路阻感負載的觸發角α的計算

系統只采用了一個u相同步信號，由于本設計采用雙窄脈沖觸發，在計算出第1，6雙脈沖發出的時間后，其余的5次雙脈沖只要依次相差60o即可。下面用圖4介紹第1，6雙脈沖發出時間的計算方法。

圖4 同步信號示意圖

HT46F49E系列的單片機的預分頻器可以選擇1、2、4、8、16、32、64、128其中之一。在本課題設計定時/計數器中采用的是128分頻，內部系統時鐘頻率定為4MHz，則時間間隔為：t=128/4MHz=32us。若定時/計數器位數為n位，則計時長度為（2n-初值）×t；設定時/計數器器采用8位，計數初值為0，由上面得出時間間隔t為32us，可知計時長度為：（28-0）×32=8192us，定時器額定滿刻度值為256。

在三相交流電中，由于我國工農業生產和生活用電，電壓220V，頻率50Hz。則周期T=1/f=2×10-2s。因此180°對應的為T/2即10-2s。由此得出定時器的滿刻度為C=10-2/32×10-6=312，即定時器計數的最大值為312，對應同步脈沖180°電角度。由于定時器的滿刻度值為256，得計數值與相角的對應關系，可知定時/計數器可表示的相角為：(256/312)×180°≈147°。

圖5 α轉換關系示意圖

由外部設計電路α控制部分如圖5分析：設若A/D轉換器，定時/計數器為理想狀態。在計算中，讀出定時器的值tmr，再讀出A/D采集值。三者進行計算，即可得到發出第一個脈沖的時間。定時器計數值在TMR中，占一個字節，而單片機HT46F49E的A/D轉換器的采集的信號轉換位數為9位。為了計算的精確，需要進行標度變換將180°轉換為9位[3]。延時T的計算公式為：

在電路設計時外部可調范圍0°～90°，則A/D值≥60°，因此延時時間T≤120°必然成立。由定時/計數器的可表示相角為147°＞120°。定時/計數器可以正常計數，所以該設計能夠正常運作。在本課題設計中，α限制范圍在0°～90°。實際應用中，進入逆變狀態時α≥120o即可。

在外部α控制電路如圖6中，利用電控制器件繼電器的特點實現α角的控制。外部電路將α角控制在0°～90°。選擇的電阻900Ω和600Ω(其中600Ω為保護電阻)，對應關系：由(900Ω/600Ω)×150°=90°即可得A/D值為60°～150°，α角值為0°～90°的可調范圍。

圖6 α角控制電路

2.3 過壓與過流保護

圖7 電路設計總圖

過壓與過流信號從兩個I/O引腳PC1、PC輸入。第一個脈沖發出之前，調用保護子程序檢測有無過流、過壓信號。若有則將第一個脈沖的發出時間延時到α=120o，進入逆變保護狀態， 同時置一個標志位，表示已經進入逆變狀態，作為保護子程序2檢測用。其余的5個脈沖發出之前，保護子程序2中檢測標志位是否置1，若標志位已經置1，則后面的脈沖間隔均為60o。若標志位未置1，且有過流、過壓信號，則將對應的脈沖發出時間延時A/D值，即α=120o，進入逆變保護狀態。同時置標志位，表示已經進入逆變狀態，作為后面保護子程序3檢測用。過壓、過流的指示經兩個I/O引腳PC3、PC4輸出，由兩個不同的發光二極管指示[3]。

2.4 電路總圖的設計與實現

整體電路是根據分析設計的實現效果及可以提供的條件下而設計的。將最初的詳細的數據分析推理結合電器元件的選用，實現各個模塊的電路設計。

3 程序流程分析設計

HT46系列單片機具有A/D功能，可直接處理模擬信號，因此無需外部附加電路。

該系列單片機包含一個集成的多通道模數轉換器，以及一個或多個脈沖寬度調制輸出。單片機其他內部特性，如暫停、喚醒功能、振蕩器選擇和可編程分頻器等，增加了單片機的靈活性。正是由于以上的優勢，因此使得程序的編程較為容易實現[4]。

單片機能否成功運作取決于它的指令集。HOLTEK單片機采用RISC結構，指令數量相對較少[5]。HT46系列的指令集提供了算術運算、邏輯運算、遞增遞減、移位、數據傳送、位運算、轉移、查表等其他指令共有63條指令。RISC結構性能是較高的，主要原因是它的每個指令都是以固定周期執行的。其在8個振蕩周期內完成一條指令的執行，HOLTEK單片機有2層流水線，即有2條指令在同時執行，因此在4個振蕩周期就能完成一條指令。

在本設計中使用的是4MHz的系統時鐘，因此一個指令周期為4×1/4MHz=1us。

HT46單片機采用的是管線作業微體系架構，指令的讀取和執行都在一個指令周期內完成，因此提高了單片機的運行效率。在軟件設計采用中斷服務程序的方法，使用定時器中斷[6]。對于發脈沖子程序的脈沖寬度和間隔采用軟件延時方式來定時。

圖8 程序流程圖

4 設計測試結果

設計完成后，需對設計進行進一步的調試修正，測試方法步驟如下：

1)主回路不加電，合上控制電源，利用雙向顯波器觀察分析6個輸出引腳的輸出情況，細致分析輸出相序和波形。

2)將6個輸出引腳連接到對應的可控硅VT1～VT6的控制級。合上主回路電源開關，利用示波器觀察主回路的波形的輸出情況。

3)調節電位器，觀察輸出波形的變化情況，輸出電壓由最大到最小的變化情況。

測試輸出的實驗結果如圖9所示。

圖9 引腳（PB1～PB6）輸出情況

5 結束語

隨著電子技術和計算機應用的發展，單片機被廣泛應用于工業自動控制、智能化儀表、計算機外部設備的控制理等系統中，單片機的功能也漸漸趨向于多樣化、專用化，指令的功能也越來越強。基于HT46F49E單片機控制的三相全控橋式整流器該方式有很強的抗干擾能力，很好的體現其優越性。控制方案簡單，使用元件少，實現容易，應用廣泛，具有較高的實用和推廣價值。

[1]袁燕等.電力電子技術[M].北京:中國電力出版社,2012.

[2]張鵬.HOLTEKHT46系列單片機C語言實例教程[M].北京:北京郵電大學出版社,2010.

[3]耿恒山,薛美云,耿躍華,楊昕.基于AT89C2051單片機的嵌入式晶閘管觸發器[J].電力電子技術,2004,38(5).

[4]李勛,林廣艷,盧景山.單片機微型計算機大學讀本[M].北京:北京航空航天大學出版社,1998.

[5]李齊雄,鄭顏雄,蔡孟昌.HOLTEK HT48系列單片機原理及應用實例[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[6]錢曉捷.匯編語言程序設計[M].北京:電子工業出版社,2012.

[7]凌振峰.橋式整流電路的特點[J].山東:科技信息,2010,19.

[8]張毅剛,彭喜元,彭宇等.單片機原理及應用[M].北京:高等教育出版社,2010.

Design and implementation of three-phase bridge rectifier based on HT46F49E

GENG Heng-shan, LI Qin, WANG Shao-zuo, GAO Yan

利用HT46F49E單片機的模/數轉換器將外部控制得到的模擬量轉換成數字量，通過控制計數脈沖的個數控制晶閘管觸發脈沖實現移相控制。外部電路由同步信號電路模塊、α角控制模塊、脈沖輸出模塊、液晶顯示模塊、電源模塊、復位電路模塊、晶體振蕩電路模塊和過壓過流保護模塊八部分組成。基于HT46R232單片機設計的三相全控橋式整流器具有很強的抗干擾能力。其控制方案簡單、元件使用較少，實現容易，應用廣泛，并且有較高的實用和推廣價值。

HT46R232；觸發器；晶閘管；三相全控橋式整流器；設計

耿恒山（1952 -），男，河北徐水人，教授，研究方向為計算機控制和電子電力技術。

TP29

A

1009-0134(2014)05(下)-0097-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).27

2013-11-27