数字式移相触发器的设计

刘东文，曾文波，蔡利婷

（广东南丰电气自动化有限公司，广东兴宁 514523）

0 引言

三相全控桥式[1]移相触发控制电路[2-3]是晶闸管三相整流[4-8]电路的核心控制部分，其性能好坏直接影响变流装置的控制性能。对于特定的控制策略，要通过包含控制信息的触发信号触发变流装置实现。只有高精度、高对称性和高可靠性的触发装置才能保证控制策略的精确实现，从而构成高质量的自动控制系统。

传统的晶闸管控制器多采用模拟式脉冲触发电路，虽然模拟式触发器技术已经很成熟，但采用分立元件，存在器件参数分散、温漂现象严重、产生的脉冲对称性差、可靠性差等缺点，且调试比较困难，故障诊断能力较弱[4]。

随着数字电路的发展，数字移相技术逐渐取代传统模拟移相技术。为克服传统模拟电路的缺点，提高触发电路的可靠性和通用性，通过将MCU技术应用于移相触发控制，实现数字移相触发，本文设计了一种基于STM32F4X系列MCU的全控桥新型数字相控触发器，该触发器集成了同步、移相、频率补偿、脉冲分配和脉冲功放等功能。

1 系统构成与工作原理

1.1 系统构成

本设计采用STM32F405嵌入式系统作为主控芯片；通过RC移相获得需要的同步信号；使用SPI接口采样外部用户给定的触发角度信号；以C为编程语言实现相序检测、频率补偿、同步移相、余弦移相和脉冲分配，其系统构成如图1所示。

1.2 硬件电路

数字式移相触发器系统的硬件电路如图2所示，由交流同步信号整形、给定信号输入、MCU和脉冲功放电路组成。

图2 数字式移相触发器硬件电路图

MCU采用外部8 MHz晶振，通过内部PLL配置电路将频率提升至168 MHz，以提高MCU定时器精度。同时为了提高装置的可靠性，外部控制器可以根据设备的运行情况复位本触发器。

1.3 工作原理

触发器的工作原理：同步电压经隔离变压器取自阳极电压，由同步电路整形为同步方波信号；单片机根据同步方波信号过零点和来自调节控制器的控制信号进行移相控制；通过I/O口输出六相脉冲。脉冲功放电路的作用是产生能够驱动脉冲变压器的六相脉冲。

同步电路中加入RC移相目的是滤除同步电压的谐波干扰。但实际应用中，整流器交流输入电压的频率、幅值等都是变化的。在不同频率下，RC回路产生的滞后角并不恒定，所以需要通过软件功能，对这些影响进行补偿和校正。

常规触发器与前级控制器的连接通常采用DA+AD的方式。这种方式虽然简单易用，但容易受到DA、AD的精度影响；若采用MCU自带的12位DA和AD，在0°～150°移相范围内，每个码的计算精度仅为0.036 6°。为提高精度，本设计采用SPI数字通讯方式连接外部调节器的MCU，通过SPI方式传输16位数据。在同样的移相范围内，每个码的计算精度为0.002 3°，提高了触发器的触发精度和脉冲的对称性。

2 同步关系

2.1 全控整流电路触发脉冲顺序与相位关系

为防止漏触发脉冲，增加触发可靠性，在设计增加了抑制定时触发器在变化时发生漏触发的措施。采取的措施为：MCU在响应同步中断后立即输出一个“补脉冲”，补上漏发的脉冲，填满缺口。经此处理后使变流器输出电压的变化较为平滑。无论给定角在10°～150°之间怎样移动，触发器不再丢脉冲。可控硅元件号与相序对应关系如图3所示，对应触发脉冲输出序号如表1所示。

图3 触发脉冲顺序与相位关系

表1 可控硅元件号和对应触发脉冲输出序号

2.2 频率补偿问题

同步整形电路采用二级RC移相，滤除同步电压的谐波干扰，得到同步电压的基波分量。同步关系设计时需考虑同步电压与阳极电压的相位关系以及RC移相产生的滞后角。

二级RC移相网络如图4所示。

图4 2级RC移相网络

由基尔霍夫定律可得：

该网络的数学模型是一个二阶线性常微分方程，移相的总滞后角Φ如下式计算。

3 脉冲形成与软件设计

3.1 补偿角计算

由上节的推导，补偿计算角为

显然β与频率相关，频率通过测量同步信号的周期计算得到。通过MCU程序可实现补偿计算。

3.2 电角度计算

根据同步发电机励磁系统的要求，励磁系统的PID调节器所提供的控制信号Uc是与控制角成正比的码值，根据同步信号的周期和Uc值给出一个确定的控制角α。实际上当频率变化时Uc与频率成反比才能保证移相的电角度α值不变。

3.3 移相范围设置

αmin为0°∼180°是理论上的移相范围，为防止逆变颠覆，实际应用要限制其最小值和最大值，默认设置αmin=10°， αmax=150°。

3.4 脉冲输出

六相脉冲通过I/O口输出，依次相隔60电角度。图5分别是最小和最大控制角时的时序图。

图5 输出脉冲时序图

3.5 移相触发器的MCU程序框图

移相触发器程序由测频计算、频率补偿、电角度计算、移相范围设置和6相脉冲输出组成，其程序框图如图6所示。

首先MCU主程序完成对同步信号频率的测量并进行测频计算；然后根据计算值对50 Hz的基准对移相角度进行频率补偿，并完成电角度计算；为防止移相超出预定范围，对角度进行上下限幅；最后根据当前同步关系输出相应的脉冲输出控制字，完成本次同步的脉冲输出。

4 实验结果与工程应用

本设计触发器已在同步发电机励磁系统上应用，开环试验实测的电阻负载下整流输出电压在不同控制信号时波形图如图7所示。

图6 数字式移相触发器程序框图

图7 三相全波桥整流输出波形

分析图7的6个图，在不同的Uc控制信号下，6个波波头完整，平滑，对称度好。表明该触发器与传统触发电路相比具有可靠性高、脉冲信号对称性高、分辨率高等优点。在晶闸管变流装置的数字化改进过程中，具有较高的参考价值。本移相触发器适用于晶闸管三相全控桥整流/逆变和三相交流调压控制，亦适用于三相半控桥整流电路。

本设计中独特的频率补偿计算，按电角度移相等功能特别适用于供电系统频率变化的场合，该硬件已在笔者公司生产的同步发电机励磁系统中大量应用，效果优良，提高了励磁系统的稳定性，可靠性，取得了良好的经济效益。