基于单片机控制的三相全控桥晶闸管触发器的设计1

嘭艺量ｔ４３２００７年第２８卷第８期基于单片机控制的三相全控桥晶闸管触发器的设计杨晓晴张一哲（河北建筑Ｘ－程学院电气系）摘要介绍了采用ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机控制三相全控桥晶闸管触发器，并利用单片机从整流输出端取得电压信号，与给定电压构成控制偏差进行数字ＰＩＤ调节以实现电压负反馈闭环控制；设计中采用非中断同步方式，硬件电路简单、可靠性高、抗干扰能力强，是一种比较理想的晶闸管触发装置。

关键词单片机晶闸管数字ＰＩＤ调节电压负反馈闭环控制非中断同步方式１引言称度差、调试困难、抗干扰能力差等缺点。

利用单片机采用数字ＰＩＤ调节器组成电压负反馈闭环系统，由在工业领域使用的变流装置中，普遍是采用三相全控桥式晶闸管变流电路。

而晶闸管触发器以前是以晶体管等为主要元件的分立式元件所组成的电路，不仅制作工艺及电路调试复杂，且体积大，某些技术性能不好。

随着集成电路制作技术的提高，晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，并以其可靠性高、技术性能好、体积小、功耗低，调试方便等特点已逐渐取代分立式电路。

目前国内常用的有ＫＪ系列和ＫＣ系列。

但由这种集成电路组成的触发器仍需用几个集成块共同组成三相全控桥式电路中六个晶闸管的脉冲触发电路。

个别有采用单片大规模高性能晶闸管三相触发器集成电路，但在性能及体积上仍不理想。

而采用以单片机为核心控制的晶闸管脉冲触发器，则电路简单、操作方便、整个控制面板集成度高、面积比以往的控制电路缩减了许多。

本文讨论采三相全控桥晶闸管整流电路取出电压信号，采用带限幅的电压负反馈确保在电网电压波动时，整流输出电压的稳定。

并且摒弃了以往的中断同步方式，改为定时器计时同步方式，这样就从根本上消除了干扰信号的影响，通过软件编程实现控制功能，灵巧简单，抗干扰能力强，控制精度高，实时性好，对称度高，稳定性强。

２硬件电路采用ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机组成的三相全控桥晶闸管触发电路主要由ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机、ＴＬＣ０８３４八位串行控制模／数转换器，同步信号处理电路，过电流、过电压保护电路组成，如图ｌ所示。

本装置所用ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机的定时／计数器，采用１２Ｍ晶振定时器方式工作。

Ｐ１口用作输用ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机组成的三相全控桥晶闸管触发电路，它克服了模拟式触发电路和普通数字式触发电路硬件电路复杂、波形对一６６一万方数据来自图１电路原理图基于单片机控制的三相全控桥晶闸管触发器的设计 出脉冲和保护显示。

Ｐ３口用作接收同步信号和采集Ａ／Ｄ信号、ＰＩＤ控制以及接收过电流、过电压控制信号。

通过改变电位器的值，调整电压给定值，进而改变触发角度口，电位器范围是０—５Ｖ，通过ＴＬＣ０８３４Ａ／Ｄ转换器得到的相应值为０—２５５，单片机根据采集到的数据，与从整流输出端得到的电压反馈信号Ａ／Ｄ转换后进行数字ＰＩＤ调节，构嘭；量胡２００７年第２６卷第８期度为１８。

，再延时４２。

到发下一组脉冲。

在每组脉冲前进行保护判断，如果正常工作则最后一组脉冲结束后返回。

接着再进行下一周期的电压给定信号的Ａ／Ｄ转换采样，之后再启动ＴＬＣ０８３４采样ＣＨｌ通道的电压反馈信号。

由电压给定值与电压反馈信号构成控制偏差进行ＰＩＤ控制调节，以保证在电网波动时整流输出电压的稳定。

成电压负反馈闭环控制，以保证整流输出端电压的 ３．２ＰＩＤ控制算法稳定。

单片机以此数据作为定时器的计数值进行延 时控制，控制脉冲的输出，以达到改变整流电路输 出电压的目的。

ＴＬＣ０８３４八位串行控制模／数转换器，是八位逐次逼近模／数转换器，有四个输入通 道。

ＴＬＣ０８３４ Ｔ作时，选择哪个模拟通道，取决于输入时序中的配置位。

同时配置位也决定了输入 是单端输入还是差分输入。

本装置采用单端输入，由于ＤＩ端只在多路寻址时被检测，而此时ＤＯ端 仍为高阻状态，因此ＤＩ端和ＤＯ端可以连在一起。

六路脉冲信号经７４ＬＳ０４反相放大，推动功率放大芯片ＴＤ６２００４ＡＤ，该芯片的输出接脉冲变压器的的一次侧绕组。

同步信号的输入采用了比较器采用标准的增量式ＰＩＤ算法。

根据电压给定和电压反馈的有效采样值计算控制量，计算公式为ｎｉ＝Ｕｉ一１＋△“△“：群ｈ‰＋丢ｑ＋每（略一２¨博：）】式中，ｅｉ为第ｉ次采样时刻输入的偏差值；ＫＰ为 比例系数；ｕ；为第ｉ次采样时刻的控制变量；Ｔ为采样周期；ＴＤ为微分时间常数；ＴＩ为积分时间 常数。

这种算法只需保留偏差ｅｉ、ｅ；一。

、ｅ；一２和 “；一１即可完成递推运算。

将上式进一步整理可得． △ｕ：Ｋ，（－＋丢＋等）ｅｉ－Ｋｐ １＋２争）札，＋ＬＭ３９３。

过电流、过电压保护电路经ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机的８脚、９脚输入。

Ｋ，每Ⅲ一”ａｌ３采用数字ＰＩＤ调节器组成的电压负反馈式中 ａｏ：Ｋ，（ｔ＋丢＋等）闭环系统３．１模拟量采样处理模拟量输入信号共有两个，一个是电压给定信 号，另一个是电压反馈信号。

ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机的Ｐ３．０一Ｐ３．２分别控制ＴＬＣ０８３４的ＤＩ／ＤＯ口、串行时钟输入端ＣＬＫ和片选端ｃｓ，电压给定信号送入 通道ＣＨＯ，电压反馈信号送ＣＨｌ，输入通道ＣＨ０的转换配置位为ＩＯＯＢ，输入通道ＣＨｌ的转换配置位为 １ｌＯＢ。

在设计程序中２０５１中的定时器１，模式１是靠ＩＮＴｌ触发开始计数的。

系统上电后首先在程序 开始时先等待ＩＮＴｌ的低电平打开定时器，等ＩＮＴｌ变成高电平时，才开始启动ＴＬＣ０８３４采样ＣＨ０通道的电压给定值。

因为ＴＬＣ０８３４Ａ／Ｄ转换器得出的是八位，可表示的数据是０—２５５，而定时器是双字节 计时（模式１，１６位定时），故Ａ／Ｄ转换器采样转换完毕后，要进行由单字节到双字节的转换。

接着进行渐变处理，然后进行保护，计算延时，在要求的时间发脉冲。

本系统采用双窄脉冲触发，脉冲宽口。

＝Ｋ，（１＋２睾）ａ２：Ｋｐ等它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、 微分时间常数有关的系数。

调整口ｏ、口。

、ｏ：就可 获得理想的动态响应特性。

４同步信号的处理如图１所示，同步信号的获取是由电源整流变压器的二次侧取Ａ相１５Ｖ电压，阻容滤波器滤波后 得到的正弦同步信号，经两个二极管削波后，送入比较放大器ＬＭ３９３的输入端，ＬＭ３９３输出为电角度１８０。

与电源相位相同的方波，如图２所示。

同步信 号输出接２０５１的Ｐ３．３脚上，即外部中断ＩＮＴｌ引脚，从表面上看好像是外部中断信号输入，实际上是要测量脉冲的宽度，这决定于信号到来的时间。

用单片机测量这个脉冲到来的时间可用图３说 明。

定时器选用模式１，Ｃ／Ｔ＝０，门控位Ｇａｔｅ置一６７—万方数据—＿１一定时器的开关闭嘭艺与明２００７年第２６卷第８期基于单片机控制的三相全控桥晶闸管触发器的设计１，经非门反相角度。

综上可以得出对应关系１００００／１８０＝Ｘ／１５０。

后为０。

这时与可以得到Ｘ＝８ ３３３，这意味着Ａ／Ｄ的满刻度为门的输出受ＴＲｌ８３３３。

即Ａ／Ｄ的变化值为０—８ ３３３。

和ＩＮＴｌ的共同控制。

当ＴＲｌ＝ １时，ＩＮＴｌ弓Ｉ脚 ｌ ｌ：系统只采用 了一个Ａ相同 步信号，在计算的高电平将控制图２同步信号合，定时器的计数值等于Ｔ而’高电平的宽度，其最大值为１８００电角度。

由于比较器的输出波形很 出第一个脉冲发 出的时间后，其 余５个只要仿效相应差６０。

即可。

整齐，所以可以保证输入的同步信号稳定，不容易 下面用图４介绍图４同步信号示意图被干扰。

本系统选用１２ＭＨｚ晶振，则１／．ｔｓ为一个计数单位，计数最大值为１０ ０００。

定时器的初值选 为０，在ＩＮＴｌ为高时及时置ＴＲｌ为１，则定时器１自动在ＩＮＴｌ高电平的作用下计数，在需要处理时 读出其计数值。

可以看出，这时同步信号的输入方式完全是查 询方式，而不是中断方式。

因而极大地增强了系统 的抗干扰能力。

假设在极端情况下此引脚输入了较 大的干扰脉冲，也只会使读数产生一些变化，造成 电压的一些波动，而不会造成整流触发脉冲的混 乱，不会影响程序正常运行。

这样系统更稳定，应 第一个脉冲发出时间的计算方法。

设整流延迟角口＝０，则第一个脉冲应在同步脉冲的３００时发出。

设口＝１５００，则第一个脉冲应在同步脉冲的１８００时发出。

实际应用中，进入逆变状态时１４０。

即可。

已知模值＝１０ ０００，读出定时器的值，再读出电压 给定信号及电压反馈信号两个Ａ／Ｄ采样值经ＰＩＤ 控制算法得到的数值。

三者进行计算，即可得到发 出第一个脉冲的时间。

定时器计数值在ＴＨｌ、ＴＬｌ 中，占两个字节，而单片机对两个Ａ／Ｄ采集值进 行ＰＩＤ控制算法得到的数值输出是双字节。

延时ｒ的计算公式为用性更强。

Ｔ＝１００００一ＰＩＤ算法输出值一（ＴＨｌ、ＴＬｌ）６结束语由于同步信号采用了非中断方式，干扰信号不能从单片机的外部中端引入，提高了信号的抗干扰 能力。

且在整流输出端采用了由数字ＰＩＤ调节器 组成的电压负反馈闭环系统，使输出电压稳定。

故 该方案具有较高的实用和推广价值。

图３定时／计数Ｔｌ工作模式１原理图参考文献５Ａ／Ｄ数值、定时器及第一个脉冲的计算 方法［１］赵晓安，耿恒山，杨鹏．ＭＣＳ一５１单片机原理及应用［Ｍ］．天津：天津大学出版社，２００１．［２］黄俊，王兆安．电力电子技术［Ｍ］．北京：机械工由于定时器的晶振为１２ＭＨｚ，它是１２分频，所以相应时钟周期为ｒ＝１／厂＝１／１ＮＨｚ＝１０“ｓ，而同步信号的时钟周期为Ｔ＝１／５０＝２０ｍｓ＝２×１０．２ｓ，而１８００的周期为１０．２ｓ，由此可得出定时器的满刻度值Ｃ＝１０－２／１０“＝１０ ０００，即定时器计数的最大值为１０ ０００。

它对应同步脉冲１８０。

电角度。

而单片机从模数转换器Ａ／Ｄ采集的信号最大值对应３０。

１８０。

，它有ｒ一＝１８０。

一３０。

的变化区域，即１５０。

电—－——６８・－——万方数据业出版社，２００２．［３］王兆安，张明勋．电力电子设备设计和应用手册 ［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２．［４］耿恒山，等．基于单片机的嵌入式晶闸管触发器［Ｊ］．电力电子技术，２００４（５）．［５］何克忠，李伟．计算机控制系统［Ｍ］．北京：清华 大学出版社，１９９８．收稿日期：２００７—０３一Ｏｌ基于单片机控制的三相全控桥晶闸管触发器的设计作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名：年，卷(期)： 引用次数： 杨晓晴，张一哲河北建筑工程学院电气系 电气应用ELECTROTECHNICAL APPLICATION2007，26(8)1次1.赵晓安.耿恒山.杨鹏 MCS-51单片机原理及应用 2001 2.黄俊.王兆安 电力电子技术 20023.王兆安.张明勋 电力电子设备设计和应用手册 20024.耿恒山 基于单片机的嵌入式晶闸管触发器 2004(5)5.何克忠.李伟 计算机控制系统 1998用89C52单片机为核心部件构成了一个晶闸管触发电路,有效地消除了晶闸管及其触发电路作为一个环节在控制系统中表现出的非线性.该触发电路可 以挂在计算机控制电路的总线上,与主CPU 组成主从式双CPU 结构,大大提高了系统的精度,简化了硬件电路.2.期刊论文 殷晓安.吴明亮 基于单片机AT89S52的晶闸管触发电路设计 -中国科技博览2009(8)该文阐述了基于单片机AT89S52构成的三相半波可控整流电路晶闸管触发电路的设计,介绍了AT89S52单片机控制的触发装置的硬件与软件设计,并且 成功地改造了KGT-1型晶闸管调速装置.3.期刊论文 海涛.齐红伟.骆武宁.文志刚.谌亮书.辛鹏.海敏.HAI Tao .QI Hongwei .LUO Wuning .WEN Zhigang . CHEN Liangshu .XIN Peng .HAI Min 基于AVR 单片机的三相晶闸管触发电路的研制 -电子工程师2008,34(1)介绍了一种应用于三相晶闸管整流或逆变电路的数字移相触发电路,该电路以AVR(Atmega16)单片机为核心,产生的触发脉冲稳定性好、可靠性高,并 且不需同步变压器,具有相序自适应功能的双脉冲序列数字移相触发器电路.阐述了触发器的工作原理,并分析了触发器涉及的关键问题.现场实验证明,该 相控数字触发电路简单可靠,产生的脉冲对称性好,抗干扰能力强.本系统在实际应用中也已显示出触发精度高、可靠性高、易于调试、操作方便等优点.4.期刊论文 郇战.许淮.HUAN Zhan .XU Huai 基于单片机与TC787的智能化晶闸管控制电路 -江苏工业学院学报 2007,19(3)介绍了一种基于AT89C52单片机与专用集成触发芯片TC787的晶闸管触发器,它结合专用集成触发芯片和数字触发器的优点,获得了高性能和高度对称 的触发脉冲.它充分利用单片机内部资源,集相序自适应、系统参数在线显示、调节和各种保护功能于一体,可用于对负载的恒电压或恒电流控制.5.期刊论文 陈分雄.王典洪.黄学达.CHEN Fen-xiong .WANG Dian-hong .HUANG Xue-da 基于单片机与TC787数字智能 化的晶闸管触发器 -武汉科技大学学报（自然科学版）2005,28(1)介绍一种基于8XC196KB 单片机与专用集成触发芯片TC787的晶闸管触发器,它结合专用集成触发芯片和数字触发器的优点,获得了高性能和高度对称的 触发脉冲.它充分利用单片机内部资源,集相序自适应、系统参数在线调节和各种保护功能于一体,可用于对负载的恒电压或恒电流控制.6.学位论文 曹立杰 单片机模糊控制晶闸管直流调压系统的研究 2003船舶电站试验教学是为了加强航海类院校在校学生实际技能的培养，使他们在任职后能对电站、发电机组及船舶电气设备的具体问题有较强的分析 和解决的能力。