数字式相控触发信号发生器设计与实现

孙　浩, 刘　刚

(吉林化工学院 信息与控制工程学院, 吉林 吉林　132022)



数字式相控触发信号发生器设计与实现

孙浩, 刘刚

(吉林化工学院 信息与控制工程学院, 吉林 吉林132022)

为解决电力电子技术实验设备中模拟式晶闸管触发电路对晶闸管触发角难以精确控制的问题,设计制作了数字式相控触发信号发生器。以MSP430F169单片机为核心,通过按键输入主电路类型和触发角度值,单片机发出相应控制信号给专用的移相触发集成芯片TCA785和TC787,为单相桥式整流电路、单相交流调压电路、三相桥式整流电路和三相交流调压电路实验提供更精准的触发信号,使实验的效率更高、操作更方便,在实验教学中应用效果良好。

电力电子技术实验； 触发电路； 单片机； 晶闸管

“电力电子技术”是电气工程及其自动化专业的必修专业课,理论和实际结合性很强,为更好地配合理论教学、提高教学质量,本校电力电子技术实验独立设课,其中整流电路和交流调压电路是实验教学很重要的内容[1-2],而触发信号的精度直接影响主电路工作效果。目前,晶闸管的触发技术可分为采用单片集成电路的模拟触发技术和采用单片机控制的数字触发技术,而数字触发技术产生的触发脉冲更精准、调整更方便,成为国内晶闸管触发器研究的热点[3-6]。

本校现有实验装置中的晶闸管触发电路挂箱为模拟式的电子电路,需要手动调节挂箱上的RP2电位器对晶闸管触发角进行控制,且只能通过示波器的波形来观测和估算触发角度值,存在触发角控制不精确、调试困难的问题[7-8]。因此本文以具有超低功耗、2路高速12位DAC的MSP430F169单片机为核心[9-11],结合专用的移相触发集成芯片TCA785和TC787设计制作了数字式相控触发信号发生器,此信号发生器可以利用按键选择不同的主电路并设置相应的触发角度值,且可直观显示触发信号的各种信息,为单相桥式整流电路、三相桥式整流电路、单相交流调压电路和三相交流调压电路提供更精准的触发信号,以满足实验教学要求。

1　系统硬件设计

系统结构框图如图1所示。数字式相控触发信号发生器硬件部分主要包括单片机电路、控制信号驱动电路、电源电路、单相触发信号电路和三相触发信号电路。

1.1单片机电路

单片机电路如图2所示,主要包括MSP430F169芯片、复位电路、时钟电路、LCM12864点阵显示电路和按键电路等。

1.2控制信号驱动电路

由单片机数模转换模块输出引脚P6.6和P6.7发出模拟电压,此模拟电压经过由LM358双运算放大器芯片构成的两路同相比例放大电路放大处理后,再分别引入TCA785和TC787芯片触发角控制端,控制系统触发信号的相位。驱动电路见图3。

图1　系统结构框图

图2　单片机电路

图3　驱动电路

1.3电源电路

整个系统由5 V和15 V直流电源供电,电源电路包括单相桥式整流电路、滤波电路和稳压电路。整流电路是将交流电转换成脉动直流电路；滤波电路则利用电容把脉动直流电转换成比较平坦的直流电。稳压电路利用7815和7805芯片使输出电压更加稳定。直流电源电路如图4所示。

1.4单相触发信号电路

单相触发信号电路见图5。此电路可以为单相桥式整流电路和单相交流调压电路提供触发信号,主要包括TCA785单相触发信号发生电路[12]、驱动与隔离电路两部分。触发延迟角由单片机DAC模块输出的直流电压控制,单片机数模转换模块P6.6脚发出一个模拟电压经驱动电路放大处理后接入TCA785芯片11脚,当控制电压在一定范围变化时,触发信号的触发角度在0°～180°范围内变化。

图4　电源电路

1.5三相触发信号电路

三相触发信号电路可以为三相桥式整流电路和三相交流调压电路提供触发信号,主要包括TC787三相触发信号发生电路[13]、驱动与隔离电路两大部分。在三相触发信号发生电路中,单片机数模转换模块P6.7脚发出一个模拟电压，经驱动电路放大处理后接入TC787芯片,当控制电压在一定范围变化时,触发信号的触发角度在0°～180°范围内变化,三相触发信号电路的隔离电路与单相触发信号电路的基本相同。三相触发信号发生电路见图6。

2　系统软件设计

信号发生器在工作过程中,需要通过按键对主电路类型和触发角度值进行选择和设定,使信号发生器能满足对上述4种主电路的触发要求。信号发生器实验箱面板上设置了具有2个按键的互锁琴键开关,控制单相、三相触发信号启动与禁止,使实验箱1次只能输出1种控制信号,避免控制信号相互干扰。面板上设置了6个按键,其中一个是复位键,其他5个主要作用是输入主电路类型、触发角度值等信息,提供给单片机,单片机根据输入信息发出相应的控制信号。数字式相控触发信号发生器实验箱面板结构见图7。

图5　单相触发信号电路

图6　三相触发信号发生电路

图7　信号发生器实验箱面板结构

该系统监控软件包括主程序、按键程序、显示模块程序和控制信号发生程序[14-15]。主程序和监视定时器(看门狗)定时中断程序框图见图8。

图8　主程序和监视定时器定时中断程序框图

在主程序中,由于监视定时器电路中断优先权高,并默认在启动状态,所以首先确定其工作模式；然后初始化显示模块和数模转换模块,关CPU等待监视定时器中断的唤醒。在初始化数模转换模块中,选用芯片内部2.5 V参考电压源作为数模转换模块的参考电压源。监视定时器中断时间设置为250 ms,这种设置使按键操作简单快捷,而且显示模块更新时间适中,程序每隔250 ms对按键进行一次扫描,对按键输入的信息进行选择和判断。

主程序代码如下所示:

void main(void)

{

WDTCTL = WDT_ADLY_250;// WDT间隔时间为250ms(ACLK)

IE1 |= WDTIE;//使能WDT中断

init_LCD(); init_k1();//初始化点阵LCD

ADC12CTL0 = REF2_5V + REFON;// 内部 2.5 V 参考电压源接通

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);//关CPU

_NOP(); //调试程序使用

}

}

随着主电路类型和触发角度的改变,在监视定时器中断程序中实时更新显示信息并对控制信号进行调整。DAC模块输出电压范围0～2.5 V,对应输入数字量范围0～0FFFH,令DAC输入数字量为“0xfff/180*a2”即可输出所需控制电压。其中“a2”为输入触发信号的触发角度。输出控制信号在0～2.5 V内变化时,触发信号的触发角度能在0～180°内变化。

3　结语

本数字式相控触发信号发生器能利用按键来选择发出上述4种主电路的触发信号、设置触发角度,且触发信号的类型和触发角度均可通过显示模块显示。采用MSP430F169单片机和专用的移相触发集成芯片来控制晶闸管的触发,极大地提高晶闸管导通角控制精度,解决了现有实验挂箱模拟触发脉冲电路误差较大的问题,且操作方便,能满足电力电子技术实验的要求,在实验教学中应用效果良好。

References)

[1] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].4版.北京:机械工业出版社,2000.

[2] 林忠岳.现代电力电子应用技术[M].北京:科学出版社,2007.

[3] 王喜莲,王旭东.高精度晶闸管电压线性数字触发[J].电力电子技术,2000,34(3):40-42.

[4] 周洋,申群太,邹润民,等.一种新型智能数字触发器的设计与实现[J].电力自动化设备, 2006,26(7):75-77.

[5] 郭帆,王海洋,何小平,等.晶闸管强触发电路设计[J].核电子学与探测技术,2012,32(6):698-700.

[6] 王殿俊,阳建林.基于ATMEL89S52单片机的三相晶闸管触发电路的设计[J].机电元件,2011,31(3):3-6.

[7] 刘胜,陈娟,李进涛,等.一种改进的数字晶闸管触发器[J].长春工业大学学报,2011,32(4):375-380.

[8] 冯平,巫世远.可控硅移相触发模块设计[J].广西工学院学报,2006,17(3):101-104.

[9] 沈建华,杨艳琴,翟晓曙. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[10] 胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

[11] 肖振锋,袁荣湘,刘晓蕾,等.基于MSP430F169的远程智能故障检测器[J].电力自动化设备, 2013,33(1):160-164.

[12] 杨嘉昌,鲁五一,张宏亮.采用TCA785对晶闸管触发电路改造[J].硬质合金, 2006,23(4):235-238.

[13] 陈分雄,王典洪,黄学达.基于单片机与TC787数字智能化的晶闸管触发器[J].武汉科技大学学报,2005,28(1):85-86.

[14] 胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[15] 时景荣,李立春.C语言程序设计[M].北京:中国铁道出版社,2007.

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

吉林省教育厅项目(20140352)

孙浩(1979—),女(满族),吉林伊通,硕士,讲师,研究方向为单片机和电力电子技术及应用.

E-mail:jlytsh@126.com

TN344

A

1002-4956(2016)3- 0090- 06