數(shù)字式移相觸發(fā)器的設(shè)計(jì)

劉東文 曾文波 蔡利婷

?

數(shù)字式移相觸發(fā)器的設(shè)計(jì)

劉東文 曾文波 蔡利婷

（廣東南豐電氣自動(dòng)化有限公司）

通過分析傳統(tǒng)模擬式相控觸發(fā)電路的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種適用于三相全控橋式整流器的數(shù)字式移相觸發(fā)器。該觸發(fā)器以單片機(jī)為核心，主要包括同步電路、脈沖形成和脈沖功率放大等單元。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明：該數(shù)字式移相觸發(fā)器具有較高的對(duì)稱性、精確性、穩(wěn)定性和可靠性，已在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)上投入工程應(yīng)用。

數(shù)字；移相；同步；脈沖形成；電角度；單片機(jī)

0　引言

三相全控橋式[1]移相觸發(fā)控制電路[2-3]是晶閘管三相整流電路的核心控制部分，其性能好壞直接影響變流裝置的控制性能。對(duì)于特定的控制策略，要通過包含控制信息的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)變流裝置實(shí)現(xiàn)。只有高精度、高對(duì)稱性和高可靠性的觸發(fā)裝置才能保證控制策略的精確實(shí)現(xiàn)，從而構(gòu)成高質(zhì)量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的晶閘管控制器多采用模擬式脈沖觸發(fā)電路，雖然模擬式觸發(fā)器技術(shù)已經(jīng)很成熟，但采用分立元件，存在器件參數(shù)分散、溫漂現(xiàn)象嚴(yán)重、產(chǎn)生的脈沖對(duì)稱性差、可靠性差等缺點(diǎn)，且調(diào)試比較困難，故障診斷能力較弱[4]。

隨著數(shù)字電路的發(fā)展，數(shù)字移相技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)模擬移相技術(shù)。為克服傳統(tǒng)模擬電路的缺點(diǎn)，提高觸發(fā)電路的可靠性和通用性，通過將單片機(jī)（MCU）技術(shù)應(yīng)用于移相觸發(fā)控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相觸發(fā)。本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32F4X系列MCU的全控橋新型數(shù)字相控觸發(fā)器，該觸發(fā)器集成了同步、移相、頻率補(bǔ)償、脈沖分配和脈沖功放等功能。

1　觸發(fā)器構(gòu)成與工作原理

1.1　觸發(fā)器構(gòu)成

本設(shè)計(jì)以STM32F405為主控芯片，通過RC移相獲得需要的同步信號(hào)；使用SPI接口采樣外部用戶給定的觸發(fā)角度信號(hào)；采用C語言編程實(shí)現(xiàn)相序檢測、頻率補(bǔ)償、同步移相、余弦移相和脈沖分配，其構(gòu)成如圖1所示。

圖1　數(shù)字式移相觸發(fā)器構(gòu)成

1.2　硬件電路

數(shù)字式移相觸發(fā)器硬件電路如圖2所示，由交流同步信號(hào)整形、給定信號(hào)輸入、MCU和脈沖功放電路組成。

MCU采用外部8 MHz晶振，通過內(nèi)部PLL配置電路將頻率提升至168 MHz，以提高M(jìn)CU定時(shí)器精度。同時(shí)為了提高裝置的可靠性，外部控制器可以根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行情況復(fù)位本觸發(fā)器。

1.3　工作原理

觸發(fā)器的工作原理：同步電壓經(jīng)隔離變壓器取自陽極電壓，由同步電路整形為同步方波信號(hào)；單片機(jī)根據(jù)同步方波信號(hào)過零點(diǎn)和來自調(diào)節(jié)控制器的控制信號(hào)進(jìn)行移相控制；通過I/O口輸出六相脈沖。脈沖功放電路的作用是產(chǎn)生能夠驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器的六相脈沖。

同步電路中加入RC移相目的是濾除同步電壓的諧波干擾。但實(shí)際應(yīng)用中，整流器交流輸入電壓的頻率、幅值等都是變化的。在不同頻率下，RC回路產(chǎn)生的滯后角并不恒定，所以需要通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償和校正。

常規(guī)觸發(fā)器與前級(jí)控制器的連接通常采用DA+AD的方式。這種方式雖然簡單易用，但容易受到DA、AD的精度影響；若采用MCU自帶的12位DA和AD，在0°~150°移相范圍內(nèi)，每個(gè)碼的計(jì)算精度僅為0.0366°。為提高精度，本設(shè)計(jì)采用SPI數(shù)字通訊方式連接外部調(diào)節(jié)器的MCU，通過SPI方式傳輸16位數(shù)據(jù)。在同樣的移相范圍內(nèi)，每個(gè)碼的計(jì)算精度為0.0023°，提高了觸發(fā)器的觸發(fā)精度和脈沖的對(duì)稱性。

2　同步關(guān)系

2.1　全控整流電路觸發(fā)脈沖順序與相位關(guān)系

為防止漏觸發(fā)脈沖，增加觸發(fā)可靠性，設(shè)計(jì)中增加了抑制定時(shí)觸發(fā)器在變化時(shí)發(fā)生漏觸發(fā)的措施。MCU在響應(yīng)同步中斷后立即輸出一個(gè)補(bǔ)脈沖，補(bǔ)上漏發(fā)的脈沖，填滿缺口。經(jīng)此處理后，變流器輸出電壓的變化較平滑。無論給定角在10°~150°之間怎樣移動(dòng)，觸發(fā)器不再丟脈沖。可控硅元件號(hào)與相位對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示，對(duì)應(yīng)觸發(fā)脈沖輸出序號(hào)如表1所示。

2.2　頻率補(bǔ)償問題

同步整形電路采用二級(jí)RC移相，濾除同步電壓的諧波干擾，得到同步電壓的基波分量。同步關(guān)系設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮同步電壓與陽極電壓的相位關(guān)系以及RC移相產(chǎn)生的滯后角。

圖2 數(shù)字式移相觸發(fā)器硬件電路圖

圖3　觸發(fā)脈沖順序與相位關(guān)系

表1　可控硅元件號(hào)和對(duì)應(yīng)觸發(fā)脈沖輸出序號(hào)

二級(jí)RC移相網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4　2級(jí)RC移相網(wǎng)絡(luò)

由基爾霍夫定律可得

該網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)二階線性常微分方程，移相的總滯后角計(jì)算公式為

3　脈沖形成與軟件設(shè)計(jì)

3.1　補(bǔ)償角計(jì)算

由上節(jié)的推導(dǎo)，補(bǔ)償角的計(jì)算為

顯然與頻率相關(guān)，頻率通過測量同步信號(hào)的周期計(jì)算得到。通過MCU程序可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償計(jì)算。

3.2　電角度計(jì)算

根據(jù)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求，勵(lì)磁系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器所提供的控制信號(hào)是與控制角成正比的碼值，根據(jù)同步信號(hào)的周期和值給出一個(gè)確定的控制角。實(shí)際上，當(dāng)頻率變化時(shí)，與頻率成反比才能保證移相的電角度值不變。

3.3　移相范圍設(shè)置

3.4　脈沖輸出

六相脈沖通過I/O口輸出，依次相隔60電角度。圖5分別是最小和最大控制角時(shí)的時(shí)序圖。

圖5　輸出脈沖時(shí)序圖

3.5　移相觸發(fā)器的MCU程序框圖

移相觸發(fā)器程序由測頻計(jì)算、頻率補(bǔ)償、電角度計(jì)算、移相范圍設(shè)置和六相脈沖輸出組成，其程序框圖如圖6所示。

首先MCU主程序完成對(duì)同步信號(hào)頻率的測量并進(jìn)行測頻計(jì)算；然后根據(jù)計(jì)算值對(duì)50 Hz的基準(zhǔn)移相角度進(jìn)行頻率補(bǔ)償，并完成電角度計(jì)算；為防止移相超出預(yù)定范圍，對(duì)角度進(jìn)行上下限幅；最后根據(jù)當(dāng)前同步關(guān)系輸出相應(yīng)的脈沖輸出控制字，完成本次同步的脈沖輸出。

圖6　數(shù)字式移相觸發(fā)器程序框圖

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與工程應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字式移相觸發(fā)器已應(yīng)用于同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，開環(huán)試驗(yàn)實(shí)測的電阻負(fù)載下整流輸出電壓在不同控制信號(hào)時(shí)的波形圖如圖7所示。

分析圖7可知：在不同的控制信號(hào)下，圖7(a)~ 圖7(f)波頭完整、平滑、對(duì)稱度好，說明該觸發(fā)器可靠性、分辨率高、脈沖信號(hào)對(duì)稱性好。本數(shù)字式移相觸發(fā)器適用于晶閘管三相全控橋整流/逆變和三相交流調(diào)壓控制，亦適用于三相半控橋整流電路。

本設(shè)計(jì)中獨(dú)特的頻率補(bǔ)償計(jì)算，按電角度移相等功能特別適用于供電系統(tǒng)頻率變化的場合，該硬件已在我公司生產(chǎn)的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中大量應(yīng)用，效果優(yōu)良，提高了勵(lì)磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 黃俊,王兆安.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2] 戴本祁.三相整流器移相觸發(fā)電路的EDA設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù),2000,34(3):53-54.

[3] 楊媛,安濤,高勇,等.三相晶閘管移相觸發(fā)器IP核的開發(fā)[J].電力電子技術(shù),2003,37(4):70-72.

[4] 郝新,徐文立,張?jiān)?等.大功率晶閘管數(shù)字觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)[J].電氣傳動(dòng),2001(3):29-31.

Design of Digital Phase Shift Trigger

Liu Dongwen Zeng Wenbo Cai Liting

(Guangdong Nanfeng Electric Automation Co., Ltd.)

Analyzed the advantages and disadvantages of the traditional analog phase controlled trigger circuit, on this basis, a digital phase shift trigger suitable for three-phase full controlled bridge rectifier is designed. The trigger is based on single chip microcomputer (MCU)，it mainly includes synchronous circuit, pulse forming, pulse power amplification and other units. The experimental results show that the digital trigger has high symmetry, accuracy, stability and reliability. The trigger has been put into engineering in the excitation system of synchronous generator.

Digital; Phase Shift; Synchronization; Pulse Generator; Electric Angle; MCU

劉東文，男，1976年生，本科，工程師，主要研究方向：電氣自動(dòng)化。

曾文波，男，1983年生，大專，助理工程師，主要研究方向：機(jī)電一體化

蔡利婷，女，1982年生，大專，助理工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化。