基于ATMEL89S52单片机的三相桥式可控触发电路的设计

    摘要：本文提出了一种基于ATMEL89S52单片机的三相桥式可控触发电路的设计方法,主要包括三相桥式可控整流电路、同步信号的检测、脉冲的形成与放大以及软件实现等内容。这种方法利用了电压传感器来检测同步信号,取代了以往利用同步变压器、锁相环等方法实现同步信号的检测的方法,所用的硬件电路较为简单,精度较高。

    1 引言

    晶闸管作为一种半控性功率半导体器件，其基本功能是对电压进行整流、调压和斩波等进行控制，以满足实际需求。目前，晶闸管整流器装置已在工农业生产中得到了广泛的应用，特别是在直流调速系统中。触发电路是晶闸管电力变流技术的一种核心技术，触发电路应具有可靠性高，对称性好等要求。以分立元件及专用集成电路为主的触发电路，其性能不尽如人意，其具有电路复杂、易受电网电压影响、触发脉冲对称度不好等缺点。由单片机组成的控制，其触发电路具有性能良好、触发电路结构简单、控制灵活、温漂影响小、控制精度高、移相范围可任意调节等特点； 因其移相触发角通过软件计算完成，由于软件的可编程性，使微机数字触发器的调速范围更加灵活，能满足更多方面的需要。另外，本设计的原本目的就是利用单片机非对称触发三相整流桥，以产生谐波，然后用整理桥作为有源电力滤波器（ APF） 实验样机的非线性负载使用。

    本文以三相桥式全控整流电路为例，主要介绍采用ATMEL89S52 单片机控制的三相桥式可控整流电路触发电路的设计方法，包括三相桥式全控整流电路、同步信号的检测、脉冲的形成与放大、键盘电路、显示电路以及软件实现等内容。

    2 三相桥式全控整流电路

    三相桥式全控整流电路如图1 所示。电路图中有两组晶闸管，一组是共阴极（ VT1、VT3 和VT5） ,一组是共阳极（ VT4、VT6 和VT2） .在任何时候均需二个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极的，另一个是共阳极的，并且不能为同一相的晶闸管。由于共阴极的晶闸管是在正半周触发，共阳极组的晶闸管是在负半周触发，因此，接在同一相的两个晶闸管的触发脉冲相位应该相差180°。6 个晶闸管的脉冲按VT1 - VT2 - VT3 - VT4 - VT5 - VT6 的顺序依次导通，相位相差60°。为保证电路的正常工作，需确保同时导通的晶闸管均匀脉冲。可采用两种方法：

    一种是宽脉冲触发，一般脉冲宽度位80° ~ 120°；另一种是双窄脉冲触发，即在触发某一晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，使共阴极组和共阳极组的两个应导通的晶闸管均有触发脉冲，脉冲宽度一般为20° ~ 30°，两个脉冲的前沿相差60°。

    采用前者效率较低，本文采用后者，脉冲宽度取为27°。

图1 三相桥式全控整流电路

    3 触发电路的硬件电路设计

    硬件电路以Atmel89s52 单片机为控制器，其结构框图如图2 所示。它包括同步信号检测、AD转换电路、脉冲的形成与放大、显示模块和键盘电路等。

图2 触发器的硬件结构框图

    3. 1 同步信号的检测

    采用北京森社公司生产的CHV - 100 /300A 型号的电压传感器，其额定电压为300V （ 有效值） ,额定输出电流25mA.检测电路中，电压传感器接入220V 的A 相交流电，输出的电流信号经100 欧姆的电阻后，转变为大小为0 ~ 2. 5V 的电压信号（ 实际输出为- 2. 5V ~ 2. 5V） ,此电压信号接入LM258 构成的加法器转换成0 ~ 5V 的直流信号，此信号输入到飞利浦半导体公司生产的8 位AD 转换器PCF8591 的模拟信号输入通道AIN3,PCF8591 的输出信号AOUT 即可接入Atmal89s52单片机，利用I2C 总线进行数据传输，单片机经过软件检测，即可得知同步电压Us 过零点信号。其硬件电路如图3 所示。

图3 同步信号的检测电路

    3. 2 触发脉冲的形成与放大

    脉冲的形成与放大电路如图4 所示。来自单片机P1. 0 P1. 5 的六路较弱的脉冲信号输入到反相器74HC04,经过光电隔离器4N25 隔离输出，最后经过脉冲变压器TB1 放大输出到相应晶闸管的门极g 和阴极k.

图4 触发脉冲的形成与放大

    如图5 所示，六路触发脉冲形成过程如下。当单片机检测到A 同步电压Ua 从负到正的过零点信号（ 实际上检测到的应该是2.5V） 时，它会接收到来自于INT1 的中断请求信号，这时，单片机会中断响应，服务子程序。这个子程序的功能是决定如何产生第一个触发脉冲的上升沿。当单片机检测到同步信号过零点时，单片机的16 位计数器/定时器1 同时开始计时，它工作在工作方式1; 由于Atmel89s52 单片机的晶振是12MHz,它的一个机器周期是1μm.定时的长度是由单片机的要产生的触发延时角α 决定的。由于一个正弦波的周期是20ms,定时的长度由下式决定： tα = α × 20 /360°ms.定时器的初始化值可以根据tα来设定。为了简单起见，本文定义了一个长度为180 的数组，它对应于触发延时角α 从0 到180 度的变化。这个数组保存在单片机的ROM 存储区。这样，定时器对应于每个触发角的初始化设定值就可以直接赋值给定时器1 了。定时器初始化之后，就启动定时器工作。当定时时间就一到，定时器的溢出标志位置1,单片机开始执行定时器1 的中断服务子程序。

    这子函数将P1. 0 设置为高电平，用于触发VT1;这里定义脉冲的宽度为27°，即1. 5ms,则定时器1 的TH1 = FAH,TL1 = 24H; 于是开始启动定时器第二次计数； 当定时时间一到，定时器开始执行中断服务子程序。在这个函数中，P1. 0 设置为低电平，表示触发脉冲结束。由于第二个脉冲比一个脉冲滞后60°，也即是3. 33ms; 那么，第一个脉冲的下降沿到第二个脉冲的上升沿的时间间隔应为1. 83ms.因此，定时器应设置为TH1 = F8H,TL1= DAH; 这样就启动定时器第三次定时。当定时时间一到，定时器开始执行中断服务子程序。在这个子函数中，P1.1 引脚被置为高电平来触发VT2.对于其他晶闸管的触发原理相同，这里不再详述。

图5 六路触发脉冲的波形

    双窄脉冲的输出如图5 所示。P1. 0 引脚输出一个主脉冲给VT1 的同时，P1. 5 引脚输出一个次脉冲（ 补发脉冲） 给VT6; 延时60°后，P1. 1 引脚输出一个主脉冲给VT2,同时，P1. 0 引脚输出一个次脉冲给VT1; 至于其它晶闸管的触发，其过程亦是如此。

    3. 3 显示电路

    显示电路是为了更好的得知触发延时角α 的变化。根据触发角α 的大小，触发电路需要四个七段LED 数码管，这可以显示到小数，这里数码管是共阳极的，即当输入为低电平时，数码管点亮。数码管采用动态显示，相对于静态显示具有使用元件少、引脚少、电路简单的优势。其中，段选位接到单片机的P0 口，位选位有单片机的P2. 4~ P2. 7 控制。其电路图如图6 所示。

图6 显示电路

    3. 4 键盘电路

    键盘电路如图7 所示。其功能是设置触发角a的大小。它由四个开关和电阻，外加一个+ 5V 电源组成。开关K1、K2 、K3 和K4 分别接到单片机的P2. 0、P2. 1、P2. 2 和P2. 3.当K1 按下一次，触发角α 增加1; K2 按下一次，α 减1; K3 用于选择位数，按下第一次，小数位被选择，并且相应的数码管被点亮； 按下第二次时，个位数字被选择，并且相应数码管的被点亮； 按下第三次时，十位数被选择，并且相应数码管被点亮； 按下第四次时，百位数被选择，并且相应的数码管被点亮。当K4 按下时，输入的数据被送到单片机的存储区。

图7 键盘电路

    4 触发电路的软件设计

    触发电路的软件设计是非常重要的一个部分。本设计最重要的特点之一就是充分利用了单片机的软件编程能力。这里主要是用软件检测同步电压的过零点，以控制脉冲信号的产生。软件部分包括主函数、中断子函数、显示子函数和延时函数等。采用C 语言进行编程，它具有编程简单，一致性高等特点。

    程序流程图如图8 所示。首先，将单片机初始化，包括定时器1 的初始化，封锁脉冲信号的输出，以及外部中断1 的初始化； 然后调用数码管显示子函数，以显示移相触发角α； 其次，单片机会监视是否有按键按下，如果有，则调用键盘操作子程序； 然后，单片机检测同步信号，并据此确定是否产生脉冲并将脉冲放大，最后去触发晶闸管。

图8 程序流程图

    5 结论

    本文给出了一种采用ATMEL89S52 单片机的三相桥式可控触发电路的设计方法。与以往利用同步变压器，锁相环等方法实现同步信号的检测不同，本文利用电压传感器来检测同步信号，是一种新的尝试。相对来说，这种方法硬件电路较为简单，成本较低，精度也较高。<