基于DSPIC30F3010的晶閘管雙觸發(fā)脈沖的實(shí)現(xiàn)方法

洪玉梅,楊濤

(福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福建 福州 350000)

基于DSPIC30F3010的晶閘管雙觸發(fā)脈沖的實(shí)現(xiàn)方法

洪玉梅,楊濤

(福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福建 福州 350000)

為提高可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)觸發(fā)脈沖的可靠性，提出了一種數(shù)字式晶閘管雙觸發(fā)脈沖的實(shí)現(xiàn)方法。首先介紹晶閘管全控整流橋雙觸發(fā)脈沖產(chǎn)生原理及脈沖回讀檢測(cè)方法，然后給出了基于DSPIC30F3010的詳細(xì)編程實(shí)現(xiàn)過程，最后通過一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的可控硅勵(lì)磁裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：可控硅觸可靠，脈沖回讀與檢測(cè)功能正常，在各種工況下均未發(fā)生漏發(fā)脈沖、錯(cuò)發(fā)脈沖等現(xiàn)象。

晶閘管；雙脈沖；DSPIC30F3010

1 引言

目前市場(chǎng)有許多晶閘管觸發(fā)脈沖專用芯片，這類芯片價(jià)格較高，且一般都沒有判斷脈沖是否丟失的回讀檢測(cè)功能，需要配以單片機(jī)等MCU芯片才能實(shí)現(xiàn)智能控制功能，使得控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得繁瑣，大大增加勵(lì)磁系統(tǒng)的故障率。基于以上原因，本文提出一種基于DSPIC30F3010的晶閘管雙觸發(fā)脈沖的實(shí)現(xiàn)方法，該方法具有精度高、實(shí)時(shí)性好、易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)；在不增加外圍芯片情況下，可以利用DSPIC30F3010的片上外設(shè)實(shí)現(xiàn)AD采樣、閉環(huán)控制、通訊、脈沖檢測(cè)等。而且，DSPIC30F3010的價(jià)格僅為觸發(fā)脈沖專用芯片的1/5左右，具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。本文詳細(xì)闡述了基于DSP的晶閘管全控整流橋雙觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的原理與回檢的方法，并通過實(shí)例進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的正確性與實(shí)用性。

2 晶閘管全控整流橋雙觸發(fā)脈沖工作原理

圖1為晶閘管全控橋整流主回路示意圖[1]。圖中，6個(gè)晶閘管的觸發(fā)順序V1→V2→V3→V4→V5→V6→V1，觸發(fā)相位角依次相差60°。正常工作時(shí)，在某一時(shí)刻，上橋V1、V3、V5與下橋V2、V4、V6，分別僅有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，同一橋臂上晶閘管不能同時(shí)導(dǎo)通。在某一觸發(fā)時(shí)刻，同時(shí)向上橋、下橋時(shí)序上的晶閘管門極各發(fā)出一個(gè)脈沖。

圖1 晶閘管全控整流橋

例如，當(dāng)?shù)竭_(dá)V2觸發(fā)時(shí)刻時(shí)，DSP向上橋V1、下橋V2各發(fā)出一個(gè)脈沖；當(dāng)?shù)竭_(dá)V3導(dǎo)通時(shí)刻，向上橋V3，下橋V2，各發(fā)出一個(gè)脈沖。依次循環(huán)導(dǎo)通，在每個(gè)整流周期內(nèi)，每個(gè)晶閘管的門極都接收到兩個(gè)觸發(fā)脈沖。圖2從上至下分別為三相交流整流電源波形、晶閘管觸發(fā)脈沖時(shí)序圖、整流電壓波形，其中此時(shí)控制角為30°，脈沖的寬度為30°。

圖2 雙脈沖時(shí)序示意圖

3 DSP雙觸發(fā)脈沖法的實(shí)現(xiàn)

DSPIC30F3010是Microchip公司開發(fā)的16位數(shù)字信號(hào)處理器芯片[3]，主要適用于電機(jī)控制，數(shù)字信號(hào)處理等。芯片的主要配置如下：24KB程序存儲(chǔ)器、1KB的數(shù)據(jù)RAM、1KB的EEPROM、5個(gè)16位定時(shí)器、4個(gè)輸入捕捉通道、4個(gè)輸出比較通道、6個(gè)電機(jī)控制PWM通道、9個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器通道等[4]。該芯片既具備了數(shù)字信號(hào)處理(DSP)的能力、擁有豐富的外設(shè)，又與單片機(jī)的體積和價(jià)格相當(dāng)，其極易在脈沖觸發(fā)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)其他的功能。因此，本方法選用此芯片。

3.1 雙觸發(fā)脈沖的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)DSP雙觸發(fā)脈沖需要使用DSPIC30F3010芯片上資源有：定時(shí)器T2、T3、輸入捕捉通道IC1。采取硬件中斷方式實(shí)現(xiàn)，并將IC1，T3，T2的中斷優(yōu)先級(jí)分別設(shè)為1，2，3。脈沖寬度設(shè)定為30°，DSP中斷時(shí)序如圖4所示，該方法的具體工作過程如下：輸入捕捉通道用于捕捉同步信號(hào)的上升沿，以及計(jì)算整流電源周期。

圖3 中斷時(shí)序

同步信號(hào)是由整流電源正弦信號(hào)整形來的方波信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到同步信號(hào)上升沿時(shí)，進(jìn)入捕捉中斷函數(shù)，依次執(zhí)行，觸發(fā)角Angle_T寫入T3的PR3，啟動(dòng)T3中斷，讀取捕捉時(shí)間IC1Result1，計(jì)算同步周期:TB_T = IC1Result1+Angle_T1，脈沖寬度:MC_T = TB_T/12。其中，TB_T是同步周期、IC1Result1為上一周期非觸發(fā)角時(shí)間、Angle_T1上一個(gè)周期的觸發(fā)角時(shí)間、MC_T為30°觸發(fā)脈寬時(shí)間。捕捉中斷程序流程圖如圖4所示。

T3用于脈沖觸發(fā)角控制，以及非觸發(fā)角時(shí)間的計(jì)數(shù)。T3中斷到，即晶閘管觸發(fā)時(shí)間到，關(guān)閉T3中斷，T3繼續(xù)計(jì)數(shù)為非觸發(fā)角時(shí)間，將脈沖寬度MC_T寫入T2的PR2，啟動(dòng)T2及其中斷，發(fā)出第一次脈沖。程序流程如圖5所示。

圖4 捕捉中斷程序流程圖

T2每隔MC_T時(shí)間中斷一次，循環(huán)11次結(jié)束中斷。中斷循環(huán)按照晶閘管觸發(fā)順序，依次復(fù)位或置位相應(yīng)觸發(fā)脈沖，程序流程如圖6所示。即實(shí)現(xiàn)了圖2所示雙觸發(fā)脈沖。

圖5 T3中斷程序流程圖

圖6 T2中斷程序流程圖

這里DSP系統(tǒng)應(yīng)用8MHz晶振，設(shè)置8倍頻，系統(tǒng)頻率達(dá)64MHz，T2、T3定時(shí)器選擇8分頻。定時(shí)器T2脈沖計(jì)數(shù)頻率2MHz，即脈沖分辨率為0.5μs。按50Hz計(jì)算，觸發(fā)角的移相精度可達(dá)0.009°。頻率小于40Hz以下軟件更改T3定時(shí)器為64分頻，計(jì)數(shù)頻率為0.25MHz，此時(shí)脈沖分辨率為4μs，按40Hz計(jì)算，觸發(fā)角的移相精度可達(dá)0.0576°。

3.2 脈沖回檢的實(shí)現(xiàn)

DSP雙觸發(fā)脈沖法的脈沖回檢的實(shí)現(xiàn)涉及到DSP片上的輸入捕捉通道IC3、IC4。其中IC3用于捕捉整流橋上橋脈沖，IC4用于捕捉整流橋下橋脈沖。將上、下橋分開檢測(cè)，既可保證脈沖均被檢測(cè)，又不至于使外圍電路繁瑣。上橋脈沖回檢外圍電路如圖7所示，將上橋V1、V3、V5脈沖從脈沖功率放大環(huán)節(jié)引入V1′、V3′、V5′；正常工作時(shí)，IC3的波形如圖8所示。利用IC3的捕捉功能，容易測(cè)出上橋脈沖頻率，判斷脈沖是否故障。下橋脈沖回檢同理。

圖7 上橋脈沖回檢電路

圖8 上橋脈沖回檢波形

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 脈寬分析

在不同頻率的整流電源下，脈寬計(jì)算值與示波器測(cè)量值的對(duì)比如表1。

表1 脈沖寬度誤差

表1中，受示波器測(cè)量精度的影響，測(cè)量值與計(jì)算值有一定誤差，但誤差值較小，說明本文方法能依據(jù)電源頻率的變化準(zhǔn)確地控制脈沖寬度。

4.2 整流電壓波形分析

電阻性負(fù)載下，整流電源電壓實(shí)際值為85V，觸發(fā)脈沖的觸發(fā)角分別為0°、30°、60°、90°的情況下，整流電壓波形如圖10所示。圖中正弦波均為A相電壓波形，脈沖均為V1觸發(fā)脈沖。

圖9 阻性負(fù)載整流電壓、觸發(fā)角波形

從圖9可見，本方法能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)觸發(fā)角，可靠觸發(fā)晶閘管，精確控制整流電壓。

5 應(yīng)用實(shí)例

將所提方法應(yīng)用于柴油發(fā)電機(jī)組[2]的電壓控制，以進(jìn)一步驗(yàn)證其正確性和實(shí)用性。

由DSP構(gòu)成發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)如圖10所示，DSP采集機(jī)端電壓，并形成同步電壓，發(fā)出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)晶閘管，從而控制勵(lì)磁電流。在DSP內(nèi)嵌入了PID電壓閉環(huán)控制算法，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了起勵(lì)、擾動(dòng)、階躍試驗(yàn)。得到如圖11所示的電壓控制波形。

圖10 柴油機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)圖

圖11 電壓控制波形

調(diào)節(jié)時(shí)間超調(diào)振蕩起勵(lì)2.528%1標(biāo)準(zhǔn)10s15%3

表3 擾動(dòng)參數(shù)對(duì)比

注：空載擾動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，其超調(diào)量為擾動(dòng)量的百分比。

表4 階躍參數(shù)對(duì)比

注：階躍試驗(yàn)時(shí)，其超調(diào)量為階躍量的百分比。

表2～表4分別將起勵(lì)、擾動(dòng)、階躍性能與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7409.3-2007[5]對(duì)比，均能達(dá)到要求，部分性優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。本實(shí)例也充分驗(yàn)證該方法的正確性、實(shí)用性。

6 結(jié)論

基于本文提出的數(shù)字式晶閘管雙觸發(fā)脈沖的生成及觸發(fā)脈沖回讀檢測(cè)方法，在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：觸發(fā)脈沖準(zhǔn)確、可靠、三相對(duì)稱度高；脈沖回讀檢測(cè)功能可以死別各種原因引起的脈沖丟失現(xiàn)象；在各種工況下，均能保證發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)整流回路的精準(zhǔn)觸發(fā)。

[1] 林忠岳.現(xiàn)代電力電子應(yīng)用技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[2] 汪慶年,李斌,張廣棟.基于DSP的新型柴油發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)研究[J].電氣傳動(dòng),2010,40(5):63-66.

[3] 劉和平,鄭群英,江渝.dsPIC通用數(shù)字信號(hào)控制器原理及應(yīng)用:基于dsPIC30F系列[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[4] 石朝林.dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器入門與實(shí)戰(zhàn):入門篇[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)大、中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求[Z].2007-01-16.

Realizing Method of Thyristor Double Trigger Pulse Based on DSPI30F3010

HONG Yu-mei,YANG Tao

(Shuikou Generation Group Co.,Ltd.,Fujian 350000,China)

In order to improve the reliability of the trigger pulse of SCR excitation system,a new method for the realization of the dual trigger pulse of a digital thyristor is presented.First introduces the thyristor full controlled rectifier bridge double trigger pulse generating principle and pulse read back detection method,and then gives a detailed DSPIC30F3010 programming process based on experiments,finally through the controllable silicon excitation device of a diesel generator,test results show that the silicon controlled contact reliability,under various conditions,there is not appear the phenomenon such as leakage pulse and wrong pulse.

thyristor;double pulse;DSPIC30F3010

1004-289X(2017)01-0045-05

TN34

B

2016-11-01