應用DSP與CPLD實現24脈波低頻電源觸發電路

王 輝，李培培，李 宏

（西安石油大學 陜西 西安 710065）

1 引言

近年來，隨著我國工業技術和科技水平的快速發展，冶金行業對大功率電源的要求越來越高。綠色能源、節能降耗已成為全世界關注的焦點。因此，如何提高電能的利用率具有重大社會經濟效益。

隨著電力電子技術和計算機控制技術的發展，利用數字化功能實現大功率電源控制技術的升級換代對提高系統的可控性、可靠性、實時性等具有十分重要的意義[1]。DSP具有豐富的片內資源和高效的數據處理能力。對于大功率電源，若采用DSP作控制核心，需同時觸發多個晶閘管，加重CPU負擔，響應脈沖可能會產生延時，無法保證多路觸發脈沖的精確度。復雜可編程邏輯器CPLD有豐富的邏輯資源，適用于完成各種算法和組合邏輯，具有I/O多、設計靈活、規模大、速度快、邏輯處理能力強等優點。冶金行業一般要求電源工作在低壓大電流模式下，多個整流模塊并聯同時輸出，因此要求觸發脈沖具有控制精度高、對稱度好、靈活可靠等特點，保證晶閘管的可靠導通及模塊間的一致性。應用高速DSP芯片與CPLD器件相配合能完成復雜的運算和控制功能，并使系統設計的人機接口、數據顯示更加方便。

本文所設計的觸發電路將應用于正在研制的某大噸位電渣爐低頻供電系統中，針對該電渣爐實際工作的一致性、均流、多路觸發、控制精度高等特點，提出了應用DSP與CPLD相結合的控制系統設計方案。

2 整體方案設計

圖1為總體方案設計框圖。變壓器主要由兩臺12脈波整流變壓器構成，每臺整流變壓器一次側接線方式為延邊三角形接線方式，二次側為雙反星帶平衡電抗器的接線方式[2]。兩臺變壓器的四套閥側繞組的線電壓相量互差15°相位，經正組和反組整流機組交替運行，在輸出側形成24脈波的準方波單相交流電。由于電渣爐為低壓大電流負載，考慮到三相橋式電路用的管子數量比較多，故而采用雙反星整流電路，輸出同樣電流晶閘管數量少了一倍[3]。

控制系統由主控制器、PLC監控保護電路、上位機及觸摸屏構成。主控制器主要完成同步信號和反饋信息的采集、觸發脈沖的形成與分配、零電流檢測及頻率控制等功能；PLC單元主要對整個系統實施監控和邏輯保護，同時具有與上位機、觸摸屏及另一塊熱備板間的通訊功能；遠程控制功能主要由上位機實現，可實時顯示電源運行狀態、工作模式、工作電壓與電流等數據。

圖1 系統整體方案框圖

3 觸發電路的硬件電路

硬件電路是保障整個觸發電路功能可靠的基礎，主要從主控制器的硬件設計、同步信號檢測電路、觸發脈沖隔離放大電路、正反組脈沖切換及頻率控制電路幾個方面詳細介紹。

3.1 DSP與CPLD模塊的硬件設計

主控制器采用將DSP與CPLD相結合的方式，將DSP較強的數據處理能力與CPLD的高集成性、硬件可重復編程性結合在一起，系統設計了人機交互接口，數據顯示更加方便[4]。主控制器以DSP為核心通過同步信號來產生初始的觸發脈沖，應用CPLD實現脈沖分配和工作狀態監控。采用DSP與CPLD協同工作，不僅能減輕DSP的處理負擔，充分利用DSP和CPLD資源，而且可實現多路脈沖信號的同時產生，滿足系統控制的高性能、高精度要求。

3.2 同步輸入電路

同步輸入電路如圖2所示。TA、TB、TC為三相輸入端。以TA端為例簡述電路工作原理，C24濾去輸入電路中的高頻成分，R128、R125為限流電阻，U9、U10為光耦TLP251。在交流信號的正半周，當輸入信號大于光耦的開啟信號時，光耦二極管導通，致使CE端接通，A點與地相連形成低電平；若交流信號不足以開啟光耦，則A點通過上拉電阻R16E形成高電平。同理，在交流信號的負半周，在AF點也可形成高低電平。A、AF點接在CPLD的I/O口，CPLD設置為低電平有效。

圖2 同步輸入電路

3.3 觸發脈沖隔離驅動單元

本文所涉及的低頻電源運行時電流大，電源輸出容量大，每個整流臂需4個晶閘管并聯；正組和反組各工作每個低頻周期的半個周期，運行時電場和磁場干擾較大；觸發脈沖從觸發板輸出至晶閘管GK極間的引線較長。因此采用光纖作為脈沖隔離與傳輸的媒介。單路脈沖輸出電路，如圖3所示。VT1為晶體管，起脈沖功率放大作用；發光二極管VL1用來指示脈沖正常與否；晶體管B極的電阻起限流與抗干擾作用。該控制板由于輸出24路觸發脈沖，所以有相同工作原理的脈沖功放電路有24個。

圖3 單路觸發脈沖輸出電路

3.4 正反組脈沖切換及頻率控制電路

交-交變頻電路是由兩組三相可控整流交替工作實現的。正常工作時正組和反組按頻率要求，在半個周期內只能有一組工作，但當兩組進行換流時，必須保證前邊工作的那組已經完全關斷，才能使另一組開始工作。圖4為零電流檢測及正反組脈沖切換頻率控制電路。保證正組和反組正常切換的前提是正組正常工作時，按控制邏輯，當發出封鎖正組脈沖的指令后，先檢測原來工作的正組整流臂中的電流是否降為零后，才能允許反組觸發脈沖輸出。圖中霍爾電流傳感器HLI為檢測主電路電流，電路中將檢測結果與零電流值進行比較，確認其為零時，檢測反組觸發脈沖輸出。圖中低頻信號為設定輸出頻率的環節，它由控制電路中DSP部分的編程輸出[5]。

圖5 零電流檢測及正反組脈沖切換頻率控制電路

4 軟件設計

數字控制系統的軟件設計根據硬件電路的特點基于DSP&CPLD編程設計。DSP的外部存儲器片選端子和連接在CPLD上，因此CPLD可映射到TMS320F2812的XINTF0區、XINTF1區和XINTF2區[6]。DSP與CPLD通過SRAM在每個板選控制周期進行一次并行數據通訊。從CPLD在“0”地址每隔20μs向DSP交替發出“1”和“0”信號，若DSP能讀到板選控制信號，說明兩者之間通訊正常。

實現晶閘管觸發器相序自適應的關鍵是通過軟件設計來產生觸發脈沖，其框圖如圖5所示。首先判別電路啟動過程中是否有過電、過流等外部故障，若存在則系統進行脈沖封鎖；其次對同步檢測電路獲取的信號進行分析，獲得觸發脈沖產生的基準。另外，通過對三相方波上升沿不同組合的分析來判斷是否存在缺相、亂相等情況，若圖中任何一種情況成立，則進行脈沖封鎖；若無，則依照相序自適應的方法觸發相應晶閘管。

圖6 觸發器軟件設計流程圖

5 結語

本文提出一種應用于大功率低頻電源的數字控制觸發系統，以DSP為控制核心，CPLD為輔助芯片，控制單元觸發調節技術指標優良，控制策略和網絡通信功能強大，特別是在調試和運行維護中更顯簡單便捷。

實驗結果表明，以高檔的系統設計為基礎，將先進的控制技術成功應用于大功率強干擾的晶閘管整流裝置中，其綜合實現晶閘管整流電源觸發控制，達到參數設置方便、靈活，輸出波形對稱度高，降低無功功率，提高功率因數，增加產量等良好效果。

[1] 余娟.基于DSP+CPLD的多工況大功率電源的設計與實現[J].電源技術，2012，10.

[2] 董海燕，田銘興，等.地鐵24脈波整流機組的仿真及諧波電流分析[J].電源技術，2011，5.

[3] 王兆安.電子電子技術（第五版）[M].北京：機械工業出版社，2011.

[4] 張鋒.基于DSP&CPLD的8KW電壓型PWM整流器設計[J].電氣自動化，2014,36（2）.

[5] 李宏，楊毅明.120T低頻電渣爐電源系統的研制及應用[J].冶金自動化，2017.3，41

[6] 萬山明.TMS320F281X DSP原理及應用實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007:7.