基于HT46F49E單片機的三相全控橋式整流觸發(fā)器設(shè)計與實現(xiàn)

耿恒山，李 欽，王少佐，高 艷

（河北工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與軟件學(xué)院，天津 300000）

基于HT46F49E單片機的三相全控橋式整流觸發(fā)器設(shè)計與實現(xiàn)

耿恒山，李 欽，王少佐，高 艷

（河北工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與軟件學(xué)院，天津 300000）

0 引言

電力電子變流技術(shù)在工業(yè)化國家中有著很廣泛的應(yīng)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(yè)生產(chǎn)的可調(diào)直流電源，直流電壓調(diào)節(jié)是依靠觸發(fā)電路來控制，由于模擬電路中參數(shù)很難調(diào)整，并且易受網(wǎng)壓波動及電磁干擾的影響，導(dǎo)使三相電負(fù)荷不平衡，在電網(wǎng)中引起較大的諧波電流?？煽卣餮b置功率越大，這種現(xiàn)象就越嚴(yán)重，甚至能夠引起誤觸發(fā)，以至出現(xiàn)燒毀熔斷器、跳閘等各種故障。數(shù)字式觸發(fā)電路通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，控制計數(shù)脈沖的個數(shù)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(xiàn)其優(yōu)越性[1]。本設(shè)計采用HT46F49E單片機實現(xiàn)三相全控橋式整流器觸發(fā)器，通過控制晶閘管觸發(fā)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(chuàng)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(huán)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(fù)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(dǎo)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(guī)則，可以得到α變化時各晶閘管的導(dǎo)通規(guī)律。分析α=0°的情況，即是在自然換相點觸發(fā)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(fā)導(dǎo)通，b相電位最低，所以供陽極組的晶閘管VT6應(yīng)該被觸發(fā)導(dǎo)通。這時侯的電流由a相經(jīng)VT1流向負(fù)載，再經(jīng)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(fù)。此時加在負(fù)載上的整流電壓為Ud=Ua-Ub=Uab。

經(jīng)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(xù)導(dǎo)通，但是此時c相電位卻變成最低，當(dāng)經(jīng)過自然換相點時觸發(fā)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(guān)斷。這時電流由a相流出經(jīng)過VTl、負(fù)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(fù)。此時加在負(fù)載上的電壓為Ud=Ua-Uc=Uac。

再經(jīng)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(jīng)過自然換相點時，觸發(fā)導(dǎo)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(xù)導(dǎo)通。此時變?yōu)樽儔浩鱞c兩相工作，在負(fù)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(dǎo)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(dāng)它們同時導(dǎo)通,才能夠形成導(dǎo)電回路。因為共陰極的晶閘管是在正半周觸發(fā),共陽極組的晶閘管是在負(fù)半周觸發(fā),所以接在同一相的兩個晶閘管的觸發(fā)脈沖相位應(yīng)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(fā)[1]。

2 電路的設(shè)計與實現(xiàn)

利用HT46F49E單片機的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過控制計數(shù)脈沖的個數(shù)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(fù)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(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖3 電路系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 晶閘管觸發(fā)方式的選擇

根據(jù)可控硅的工作性質(zhì)，輸出觸發(fā)脈沖的3種情況即當(dāng)移相觸發(fā)延遲角α≤60°、60°＜α≤120°、α＞120°。晶閘管的寬脈沖觸發(fā)及雙窄脈沖觸發(fā)兩種觸發(fā)方式脈沖。若采用順序觸發(fā)方式，即寬脈沖觸發(fā)，設(shè)取我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(yīng)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(fā)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(xiàn)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(fā)；另一種是在被觸發(fā)某個晶閘管的同時，以前一號的晶閘管補發(fā)觸發(fā)脈沖，即用兩個窄脈沖代替寬脈沖。為了減小觸發(fā)電路功率與脈沖變壓器體積，本設(shè)計采用雙窄脈沖觸發(fā)方式。

2.2 三相全控橋式整流電路阻感負(fù)載的觸發(fā)角α的計算

系統(tǒng)只采用了一個u相同步信號，由于本設(shè)計采用雙窄脈沖觸發(fā)，在計算出第1，6雙脈沖發(fā)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(fā)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(yù)分頻器可以選擇1、2、4、8、16、32、64、128其中之一。在本課題設(shè)計定時/計數(shù)器中采用的是128分頻，內(nèi)部系統(tǒng)時鐘頻率定為4MHz，則時間間隔為：t=128/4MHz=32us。若定時/計數(shù)器位數(shù)為n位，則計時長度為（2n-初值）×t；設(shè)定時/計數(shù)器器采用8位，計數(shù)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(yīng)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(shù)的最大值為312，對應(yīng)同步脈沖180°電角度。由于定時器的滿刻度值為256，得計數(shù)值與相角的對應(yīng)關(guān)系，可知定時/計數(shù)器可表示的相角為：(256/312)×180°≈147°。

圖5 α轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖

由外部設(shè)計電路α控制部分如圖5分析：設(shè)若A/D轉(zhuǎn)換器，定時/計數(shù)器為理想狀態(tài)。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(fā)出第一個脈沖的時間。定時器計數(shù)值在TMR中，占一個字節(jié)，而單片機HT46F49E的A/D轉(zhuǎn)換器的采集的信號轉(zhuǎn)換位數(shù)為9位。為了計算的精確，需要進行標(biāo)度變換將180°轉(zhuǎn)換為9位[3]。延時T的計算公式為：

在電路設(shè)計時外部可調(diào)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(shù)器的可表示相角為147°＞120°。定時/計數(shù)器可以正常計數(shù)，所以該設(shè)計能夠正常運作。在本課題設(shè)計中，α限制范圍在0°～90°。實際應(yīng)用中，進入逆變狀態(tài)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(xiàn)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(yīng)關(guān)系：由(900Ω/600Ω)×150°=90°即可得A/D值為60°～150°，α角值為0°～90°的可調(diào)范圍。

圖6 α角控制電路

2.3 過壓與過流保護

圖7 電路設(shè)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(fā)出之前，調(diào)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(fā)出時間延時到α=120o，進入逆變保護狀態(tài)， 同時置一個標(biāo)志位，表示已經(jīng)進入逆變狀態(tài)，作為保護子程序2檢測用。其余的5個脈沖發(fā)出之前，保護子程序2中檢測標(biāo)志位是否置1，若標(biāo)志位已經(jīng)置1，則后面的脈沖間隔均為60o。若標(biāo)志位未置1，且有過流、過壓信號，則將對應(yīng)的脈沖發(fā)出時間延時A/D值，即α=120o，進入逆變保護狀態(tài)。同時置標(biāo)志位，表示已經(jīng)進入逆變狀態(tài)，作為后面保護子程序3檢測用。過壓、過流的指示經(jīng)兩個I/O引腳PC3、PC4輸出，由兩個不同的發(fā)光二極管指示[3]。

2.4 電路總圖的設(shè)計與實現(xiàn)

整體電路是根據(jù)分析設(shè)計的實現(xiàn)效果及可以提供的條件下而設(shè)計的。將最初的詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析推理結(jié)合電器元件的選用，實現(xiàn)各個模塊的電路設(shè)計。

3 程序流程分析設(shè)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(shù)轉(zhuǎn)換器，以及一個或多個脈沖寬度調(diào)制輸出。單片機其他內(nèi)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(yōu)勢，因此使得程序的編程較為容易實現(xiàn)[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(jié)構(gòu)，指令數(shù)量相對較少[5]。HT46系列的指令集提供了算術(shù)運算、邏輯運算、遞增遞減、移位、數(shù)據(jù)傳送、位運算、轉(zhuǎn)移、查表等其他指令共有63條指令。RISC結(jié)構(gòu)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(zhí)行的。其在8個振蕩周期內(nèi)完成一條指令的執(zhí)行，HOLTEK單片機有2層流水線，即有2條指令在同時執(zhí)行，因此在4個振蕩周期就能完成一條指令。

在本設(shè)計中使用的是4MHz的系統(tǒng)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(yè)微體系架構(gòu)，指令的讀取和執(zhí)行都在一個指令周期內(nèi)完成，因此提高了單片機的運行效率。在軟件設(shè)計采用中斷服務(wù)程序的方法，使用定時器中斷[6]。對于發(fā)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(shè)計測試結(jié)果

設(shè)計完成后，需對設(shè)計進行進一步的調(diào)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(xì)致分析輸出相序和波形。

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

3)調(diào)節(jié)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(jié)果如圖9所示。

圖9 引腳（PB1～PB6）輸出情況

5 結(jié)束語

隨著電子技術(shù)和計算機應(yīng)用的發(fā)展，單片機被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制、智能化儀表、計算機外部設(shè)備的控制理等系統(tǒng)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?；贖T46F49E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(xiàn)其優(yōu)越性。控制方案簡單，使用元件少，實現(xiàn)容易，應(yīng)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(shù)[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(xué)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(fā)器[J].電力電子技術(shù),2004,38(5).

[4]李勛,林廣艷,盧景山.單片機微型計算機大學(xué)讀本[M].北京:北京航空航天大學(xué)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(yīng)用實例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[6]錢曉捷.匯編語言程序設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)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(yīng)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(shù)轉(zhuǎn)換器將外部控制得到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過控制計數(shù)脈沖的個數(shù)控制晶閘管觸發(fā)脈沖實現(xiàn)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(fù)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(shè)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(xiàn)容易，應(yīng)用廣泛，并且有較高的實用和推廣價值。

HT46R232；觸發(fā)器；晶閘管；三相全控橋式整流器；設(shè)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(shù)。

TP29

A

1009-0134(2014)05(下)-0097-04

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

2013-11-27