數(shù)字式相控觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫　浩, 劉　剛

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院, 吉林 吉林　132022)

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數(shù)字式相控觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫浩, 劉剛

(吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院, 吉林 吉林132022)

為解決電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備中模擬式晶閘管觸發(fā)電路對(duì)晶閘管觸發(fā)角難以精確控制的問題,設(shè)計(jì)制作了數(shù)字式相控觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器。以MSP430F169單片機(jī)為核心,通過按鍵輸入主電路類型和觸發(fā)角度值,單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)給專用的移相觸發(fā)集成芯片TCA785和TC787,為單相橋式整流電路、單相交流調(diào)壓電路、三相橋式整流電路和三相交流調(diào)壓電路實(shí)驗(yàn)提供更精準(zhǔn)的觸發(fā)信號(hào),使實(shí)驗(yàn)的效率更高、操作更方便,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用效果良好。

電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)； 觸發(fā)電路； 單片機(jī)； 晶閘管

“電力電子技術(shù)”是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的必修專業(yè)課,理論和實(shí)際結(jié)合性很強(qiáng),為更好地配合理論教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量,本校電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)課,其中整流電路和交流調(diào)壓電路是實(shí)驗(yàn)教學(xué)很重要的內(nèi)容[1-2],而觸發(fā)信號(hào)的精度直接影響主電路工作效果。目前,晶閘管的觸發(fā)技術(shù)可分為采用單片集成電路的模擬觸發(fā)技術(shù)和采用單片機(jī)控制的數(shù)字觸發(fā)技術(shù),而數(shù)字觸發(fā)技術(shù)產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖更精準(zhǔn)、調(diào)整更方便,成為國(guó)內(nèi)晶閘管觸發(fā)器研究的熱點(diǎn)[3-6]。

本?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置中的晶閘管觸發(fā)電路掛箱為模擬式的電子電路,需要手動(dòng)調(diào)節(jié)掛箱上的RP2電位器對(duì)晶閘管觸發(fā)角進(jìn)行控制,且只能通過示波器的波形來觀測(cè)和估算觸發(fā)角度值,存在觸發(fā)角控制不精確、調(diào)試?yán)щy的問題[7-8]。因此本文以具有超低功耗、2路高速12位DAC的MSP430F169單片機(jī)為核心[9-11],結(jié)合專用的移相觸發(fā)集成芯片TCA785和TC787設(shè)計(jì)制作了數(shù)字式相控觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器,此信號(hào)發(fā)生器可以利用按鍵選擇不同的主電路并設(shè)置相應(yīng)的觸發(fā)角度值,且可直觀顯示觸發(fā)信號(hào)的各種信息,為單相橋式整流電路、三相橋式整流電路、單相交流調(diào)壓電路和三相交流調(diào)壓電路提供更精準(zhǔn)的觸發(fā)信號(hào),以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。數(shù)字式相控觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器硬件部分主要包括單片機(jī)電路、控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、電源電路、單相觸發(fā)信號(hào)電路和三相觸發(fā)信號(hào)電路。

1.1單片機(jī)電路

單片機(jī)電路如圖2所示,主要包括MSP430F169芯片、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、LCM12864點(diǎn)陣顯示電路和按鍵電路等。

1.2控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路

由單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出引腳P6.6和P6.7發(fā)出模擬電壓,此模擬電壓經(jīng)過由LM358雙運(yùn)算放大器芯片構(gòu)成的兩路同相比例放大電路放大處理后,再分別引入TCA785和TC787芯片觸發(fā)角控制端,控制系統(tǒng)觸發(fā)信號(hào)的相位。驅(qū)動(dòng)電路見圖3。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2　單片機(jī)電路

圖3　驅(qū)動(dòng)電路

1.3電源電路

整個(gè)系統(tǒng)由5 V和15 V直流電源供電,電源電路包括單相橋式整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。整流電路是將交流電轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流電路；濾波電路則利用電容把脈動(dòng)直流電轉(zhuǎn)換成比較平坦的直流電。穩(wěn)壓電路利用7815和7805芯片使輸出電壓更加穩(wěn)定。直流電源電路如圖4所示。

1.4單相觸發(fā)信號(hào)電路

單相觸發(fā)信號(hào)電路見圖5。此電路可以為單相橋式整流電路和單相交流調(diào)壓電路提供觸發(fā)信號(hào),主要包括TCA785單相觸發(fā)信號(hào)發(fā)生電路[12]、驅(qū)動(dòng)與隔離電路兩部分。觸發(fā)延遲角由單片機(jī)DAC模塊輸出的直流電壓控制,單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊P6.6腳發(fā)出一個(gè)模擬電壓經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大處理后接入TCA785芯片11腳,當(dāng)控制電壓在一定范圍變化時(shí),觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)角度在0°～180°范圍內(nèi)變化。

圖4　電源電路

1.5三相觸發(fā)信號(hào)電路

三相觸發(fā)信號(hào)電路可以為三相橋式整流電路和三相交流調(diào)壓電路提供觸發(fā)信號(hào),主要包括TC787三相觸發(fā)信號(hào)發(fā)生電路[13]、驅(qū)動(dòng)與隔離電路兩大部分。在三相觸發(fā)信號(hào)發(fā)生電路中,單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊P6.7腳發(fā)出一個(gè)模擬電壓，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大處理后接入TC787芯片,當(dāng)控制電壓在一定范圍變化時(shí),觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)角度在0°～180°范圍內(nèi)變化,三相觸發(fā)信號(hào)電路的隔離電路與單相觸發(fā)信號(hào)電路的基本相同。三相觸發(fā)信號(hào)發(fā)生電路見圖6。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)生器在工作過程中,需要通過按鍵對(duì)主電路類型和觸發(fā)角度值進(jìn)行選擇和設(shè)定,使信號(hào)發(fā)生器能滿足對(duì)上述4種主電路的觸發(fā)要求。信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)箱面板上設(shè)置了具有2個(gè)按鍵的互鎖琴鍵開關(guān),控制單相、三相觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)與禁止,使實(shí)驗(yàn)箱1次只能輸出1種控制信號(hào),避免控制信號(hào)相互干擾。面板上設(shè)置了6個(gè)按鍵,其中一個(gè)是復(fù)位鍵,其他5個(gè)主要作用是輸入主電路類型、觸發(fā)角度值等信息,提供給單片機(jī),單片機(jī)根據(jù)輸入信息發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。數(shù)字式相控觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)箱面板結(jié)構(gòu)見圖7。

圖5　單相觸發(fā)信號(hào)電路

圖6　三相觸發(fā)信號(hào)發(fā)生電路

圖7　信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)箱面板結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)監(jiān)控軟件包括主程序、按鍵程序、顯示模塊程序和控制信號(hào)發(fā)生程序[14-15]。主程序和監(jiān)視定時(shí)器(看門狗)定時(shí)中斷程序框圖見圖8。

圖8　主程序和監(jiān)視定時(shí)器定時(shí)中斷程序框圖

在主程序中,由于監(jiān)視定時(shí)器電路中斷優(yōu)先權(quán)高,并默認(rèn)在啟動(dòng)狀態(tài),所以首先確定其工作模式；然后初始化顯示模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊,關(guān)CPU等待監(jiān)視定時(shí)器中斷的喚醒。在初始化數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊中,選用芯片內(nèi)部2.5 V參考電壓源作為數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的參考電壓源。監(jiān)視定時(shí)器中斷時(shí)間設(shè)置為250 ms,這種設(shè)置使按鍵操作簡(jiǎn)單快捷,而且顯示模塊更新時(shí)間適中,程序每隔250 ms對(duì)按鍵進(jìn)行一次掃描,對(duì)按鍵輸入的信息進(jìn)行選擇和判斷。

主程序代碼如下所示:

void main(void)

{

WDTCTL = WDT_ADLY_250;// WDT間隔時(shí)間為250ms(ACLK)

IE1 |= WDTIE;//使能WDT中斷

init_LCD(); init_k1();//初始化點(diǎn)陣LCD

ADC12CTL0 = REF2_5V + REFON;// 內(nèi)部 2.5 V 參考電壓源接通

DAC12_0CTL = DAC12IR + DAC12AMP_5 + DAC12ENC;

DAC12_1CTL = DAC12IR + DAC12AMP_5 + DAC12ENC;

DAC12_0DAT = 0x800;// 1.25 V

DAC12_1DAT = 0x800;// 1.25 V

_EINT();

while(1)

{

_BIS_SR(CPUOFF);//關(guān)CPU

_NOP(); //調(diào)試程序使用

}

}

隨著主電路類型和觸發(fā)角度的改變,在監(jiān)視定時(shí)器中斷程序中實(shí)時(shí)更新顯示信息并對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。DAC模塊輸出電壓范圍0～2.5 V,對(duì)應(yīng)輸入數(shù)字量范圍0～0FFFH,令DAC輸入數(shù)字量為“0xfff/180*a2”即可輸出所需控制電壓。其中“a2”為輸入觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)角度。輸出控制信號(hào)在0～2.5 V內(nèi)變化時(shí),觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)角度能在0～180°內(nèi)變化。

3　結(jié)語

本數(shù)字式相控觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器能利用按鍵來選擇發(fā)出上述4種主電路的觸發(fā)信號(hào)、設(shè)置觸發(fā)角度,且觸發(fā)信號(hào)的類型和觸發(fā)角度均可通過顯示模塊顯示。采用MSP430F169單片機(jī)和專用的移相觸發(fā)集成芯片來控制晶閘管的觸發(fā),極大地提高晶閘管導(dǎo)通角控制精度,解決了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)掛箱模擬觸發(fā)脈沖電路誤差較大的問題,且操作方便,能滿足電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的要求,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用效果良好。

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Design and implementation of digital phase controlled trigger generator

Sun Hao, Liu Gang

(College of Information and Control Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132022, China)

In order to solve the problem that the simulate trigger circuit of thyristor is difficult to precisely control the trigger angle of thyristor in the experiments of power electronics technology, the digital phase controlled trigger generator has been designed and produced. Taking the MSP430F169 microcontroller as the core, the main circuit type and trigger angle value were entered with a keyboard, microcontroller transmitted the corresponding control signal to the special phase-shifter trigger IC TCA785 and TC787, to provide more accurate trigger signals to the experiments of single-phase bridge rectifier circuit, single-phase AC voltage regulating circuit, three-phase bridge rectifier circuit and three-phase AC voltage regulating circuit. Hence, the efficiency of the experiment is improved and the operation is more convenient, which can be better applied in the experimental teaching.

experiments of power electronics technology； trigger circuit； microcontroller； thyristor

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.024

2015- 08- 05修改日期:2015- 09- 23

吉林省教育廳項(xiàng)目(20140352)

孫浩(1979—),女(滿族),吉林伊通,碩士,講師,研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)和電力電子技術(shù)及應(yīng)用.

E-mail:jlytsh@126.com

TN344

A

1002-4956(2016)3- 0090- 06