微機數字觸發器的研制論文

　　摘要：觸發電路是晶閘管整流器的重要組成部分。利用微機技術，采用MCS-8096單片機為控制核心，設計了一種新型的微機數字觸發器，給出了其硬件和軟件詳細的實現方法。

　　關鍵詞：晶閘管 數字觸發器 單片機 微機技術

　　晶閘管整流器裝置在工業中得到了廣泛的應用。晶閘管的觸發控制則是應用中的關鍵環節，觸發電路的控制精度與精定性將直接決定主回路的工作性能。晶閘管的觸發電路，大體上可以分為模擬和數字兩大類。模擬電路由分立元件組成，體積較大，控制精度較低，很難達到標，現在已很少采用；晶閘管觸發信號，本質上是一種離散量，可由數字信號實現。目前已有大量的數字式觸發器產品問世，這些數字觸發器大體由過零檢測器、計數器、脈沖分配器等幾個部分組成。隨著微電子技術的發展特點是微型計算機的廣泛應用，采用以單片機為控制核心設計數字式觸發器，可以大大簡人硬件電路的組成，并可提高觸發器的控制精度，其中觸發角α的分辨率可達0.1°～0.01°，甚至更高。另外由于軟件的可編程性，使微機數字觸發器的調節范圍相當靈活，能滿足多方面的需要。

　　MCS-96系列單片機自帶A/D轉換通道，具有高速輸入口HIS和高速輸出口HSO，對于脈沖的檢測和生成極其方便。其中六路并行的高速輸出HSO可以按程序規定的時間去觸發其一事件。當HSO的觸發時刻在內容定址存儲區CAM中確定以后，規定的時間一到，在HSO端口上即可產生觸發脈沖，而且觸發脈沖的上升沿和下降沿產生的時刻可以同時設定。利用HSO的這一特點，能夠很方便地構成晶閘管整流器的觸發電路。

　　本文以三相全控橋式整流電路為討論的重點，設計觸發器的硬件和軟件。

　　1 觸發器的硬件設計

　　微機數字觸發器的硬件電路主要以MCS-8096為控制核心，包括輸入信號預處理電路、同步脈沖產生電路、脈沖的形成與輸出電路、存儲器擴展及附屬電路等幾個部分。硬件框圖如力所示。

　　1.1 同步脈沖產生電路

　　在各種晶閘管整流電路中，各晶閘管的觸發脈沖必須與加在晶閘管上的交流主電源電壓有相對固定的相位關系（即各管的觸發時刻與主電源電壓的某一個固定的相位點之間相差一個控制角α），對應這一觸發時刻的脈沖稱為同步脈沖，完成這一任務的電路就是同步脈沖產生電路。數字觸發器根據同步脈沖的不同觸發方式分為絕對觸發和相對觸發方式。所謂絕對觸發方式是指每一觸發脈沖的形成時刻均由同步基準決定，這在三相橋式電路中就需要有六個同步基準交流電壓；而相對觸發方式僅需一個同步基準。當第一個脈沖由同步基準產生后，再以第一個觸發脈沖作為下一個觸發脈沖的基準。在三相橋式電路中，兩相鄰觸發脈沖之間相差60°電角度，但由于電網頻率會在50Hz附近波動，所以必須進行電網周期的跟蹤測量。

　　同步脈沖電壓可以用相電壓Ua，也可以用線電壓Uac。當用線電壓Uac作為同步電壓時，同步基準在三相橋式電路中，它的上跳沿正好是α=0°的基準；而當用相電壓Ua作同步電壓時就有-30°的相位差。在本裝置的同步脈沖電路中，以線電壓Uac作為同步電壓。電路如圖2所示。線電壓Uac經降壓后加至LM339組成的電壓比較器，輸出高、低電平等寬的方波，經光電隔離器TIL117及電容、電阻組成的微分電路，形成微分信號，這個微分信號就是同步相位脈沖，其周期為電網的周期。

　　1.2 觸發脈沖隔離、驅動與輸出電路

　　為了防止干擾和滿足晶閘管的門極對觸發脈沖功率的要求，由單片機發出的觸發脈沖必須經隔離、驅動才能加至晶閘管的門極。此電路由緩沖器、光電隔離器、變壓器等器件組成，如圖3所示。

　　當單片機8096高速輸出口HSO無脈沖信號時，光電隔離器TIL117截止，三極管BG截止，變壓器無脈沖輸出；當HSO有脈沖信號時，光隔TIL117導通，從而使相應的三極管BG導通，這樣觸發脈沖經脈沖變壓器T輸出，促使晶閘管觸發導通。

　　1.3 輸入信號預處理電路

　　輸入信號預處理電路的主要作用是產生脈沖移相控制信號。由于8096具有四路10位A/D轉換通道，不需要再外接A/D轉換電路。但8096單片機A/D轉換器對外加控制電壓有一定要求，它只允許0至+5V的標準電壓進行轉換。而實際的輸入不僅有幅值的有效期異而且有極性的不同，因此設置輸入信號預處理電路。它的任務主要是判斷輸入信號的極性，提取輸入信號的幅值，將外加電壓信號轉換成0～5V的標準電壓信號。

　　此外，微機數字觸發器電路中，由于8096單片機具有64kB的尋址空間，除了256個內部特殊存儲器外，其余空間均需擴展，所以硬件電路中還包括用來存放系統控制程序、實時采樣數據、各種中間結果等的存儲器擴展電路以及復位電路、模擬基準高精度5V電源、12MHz晶振和用于顯示的單片機附屬電路。

　　2 觸發器的軟件設計

　　觸發器的軟件設計主要分為主程序、脈沖同步與移相和脈沖的形成與輸出等幾個部分，分別說明如下。

　　2.1 主程序

　　主程序是系統程序，主要完成系統初始化、α角度的顯示及等待中斷等功能，主程序框圖如圖4所示。

　　2.2 脈沖同步與移相

　　在此裝置中，當同步脈沖信號的上跳沿發生時，8096的HIS.0中斷立即響應，獲取并計算α值，以實現脈沖的同步與移相。

　　利用相鄰同步信號上升沿之間的時間差來計算電網周期。設前一個同步脈沖基準到來時定時器T1計數值為t1，當前同步基準到來時定時器計數值為t2，則電風周期T=t2-t1。單位電角度對應時間為T/360°，電角度對應的時間T1U=αT/360°，T1U即為在同步脈沖上升沿發生后第一個脈沖解發時間。第一個脈沖產生時間的變化就意味著脈沖移相。脈沖同步與移相的子程序框圖如圖5所示。

　　2.3 脈沖的形成與輸出

　　利用8096軟硬件定時器，高速輸出通道HSO和高速輸入通道HIS的功能，使用軟件定時中斷，在六路HSO口實現六路觸發脈沖的輸出。

　　當同步信號的正跳沿發生時，立即引起HIS.0外中斷，由脈沖同步與移相的子程序，計算每周期第一個脈沖上升沿對應的定時值T1U。脈沖下降沿定時值T1D由其脈寬決定，設脈寬對應的電角度為15°，則T1D=（α+15°）T/360，將T1U、T1D值置入HSO的內容定址存儲區CAM中，HSO通過與定時器T1比較，在T1U時刻輸出高電平，在T1D時刻輸出低電平這樣就形成了1號觸發脈沖。

　　當1號脈沖上升沿到來時，HSO產生中斷，根據當前值，加上兩相鄰沖之間的相位差Δα（在三相橋電路中Δα=60°），則2號脈沖的定時值為：上升沿定值T2U=（α+60°）T/360°，下降沿定時值T2D=(α+75°)T/75°）/360°。同理當2號至5號脈沖的上升沿產生時，也分別引起HSO中斷，產生3號至6號觸發脈沖。

　　脈沖的形成與輸出的HIS、HSO及10位A/D轉換通道設計的微機數字觸發器，不需要增加很多其它外圍電路，就可實現數字觸發電路的全部功能，使得觸發器的硬件電路設計變得簡單，實現容易。在本裝置的設計中改變模擬輸入Ux的大小，可方便地實現α角移相，并且有較大的移相范圍。利用HIS.0兩次中斷的時間間隔，可動態地跟蹤電網周期的變化。另外，只需將軟件程序稍加修改，就可使這種微機數字觸發器不僅用于整流，也可用于逆變。所以該裝置的設計是合理的，并且具有較高的控制精度。此外，還可將此系統擴展，將單片機與上位機連接，由上位機下達α角的調節命令，能夠使整個控制系統更加完善。

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