數(shù)字式移相觸發(fā)器的設(shè)計(jì)

劉東文，曾文波，蔡利婷

（廣東南豐電氣自動化有限公司，廣東興寧 514523）

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[4-8]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。對于特定的控制策略，要通過包含控制信息的觸發(fā)信號觸發(fā)變流裝置實(shí)現(xiàn)。只有高精度、高對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 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本設(shè)計(jì)采用STM32F405嵌入式系統(tǒng)作為主控芯片；通過RC移相獲得需要的同步信號；使用SPI接口采樣外部用戶給定的觸發(fā)角度信號；以C為編程語言實(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，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

1.2 硬件電路

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

圖2 數(shù)字式移相觸發(fā)器硬件電路圖

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；單片機(jī)根據(jù)同步方波信號過零點(diǎn)和來自調(diào)節(jié)控制器的控制信號進(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，所以需要通過軟件功能，對這些影響進(jìn)行補(bǔ)償和校正。

常規(guī)觸發(fā)器與前級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0.036 6°。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0.002 3°，提高了觸發(fā)器的觸發(fā)精度和脈沖的對稱性。

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，在設(shè)計(jì)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。采取的措施為：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)此處理后使變流器輸出電壓的變化較為平滑。無論給定角在10°～150°之間怎樣移動，觸發(fā)器不再丟脈沖?？煽毓柙柵c相序?qū)?yīng)關(guān)系如圖3所示，對應(yīng)觸發(fā)脈沖輸出序號如表1所示。

圖3 觸發(fā)脈沖順序與相位關(guān)系

表1 可控硅元件號和對應(yīng)觸發(fā)脈沖輸出序號

2.2 頻率補(bǔ)償問題

同步整形電路采用二級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。

二級RC移相網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 2級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Φ如下式計(jì)算。

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)償計(jì)算角為

顯然β與頻率相關(guān)，頻率通過測量同步信號的周期計(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Uc是與控制角成正比的碼值，根據(jù)同步信號的周期和Uc值給出一個(gè)確定的控制角α。實(shí)際上當(dāng)頻率變化時(shí)Uc與頻率成反比才能保證移相的電角度α值不變。

3.3 移相范圍設(shè)置

αmin為0°～180°是理論上的移相范圍，為防止逆變顛覆，實(shí)際應(yīng)用要限制其最小值和最大值，默認(rèn)設(shè)置αmin=10°， αmax=150°。

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6相脈沖輸出組成，其程序框圖如圖6所示。

首先MCU主程序完成對同步信號頻率的測量并進(jìn)行測頻計(jì)算；然后根據(jù)計(jì)算值對50 Hz的基準(zhǔn)對移相角度進(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。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與工程應(yīng)用

本設(shè)計(jì)觸發(fā)器已在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)上應(yīng)用，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時(shí)波形圖如圖7所示。

圖6 數(shù)字式移相觸發(fā)器程序框圖

圖7 三相全波橋整流輸出波形

分析圖7的6個(gè)圖，在不同的Uc控制信號下，6個(gè)波波頭完整，平滑，對稱度好。表明該觸發(fā)器與傳統(tǒng)觸發(fā)電路相比具有可靠性高、脈沖信號對稱性高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。在晶閘管變流裝置的數(shù)字化改進(jìn)過程中，具有較高的參考價(jià)值。本移相觸發(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，該硬件已在筆者公司生產(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，可靠性，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。