双向晶闸管的数字化移相触发控制器设计*

魏海波，梅建伟，刘 杰

（湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002）

0 引言

随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通等众多领域中的应用日益广泛，由此带来的谐波问题越来越严重[1]，谐波对电网和用电设备都有着或多或少的危害；对于采用相控方式控制的设备尤其严重，轻则导致设备工作异常，重则引起设备的损坏，引发严重事故。

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较为成熟，但采用分立元件搭建，存在器件参数分散、温漂现象严重、产生的脉冲对称性差、可靠性差等一系列缺点[2－3]，在谐波的干扰作用下更是严重影响控制器的实用性。数字电路的发展为解决这些问题带来了契机：利用嵌入式微处理器配合简洁的硬件处理电路，通过微处理器超强的运算处理能力以及抗干扰性能，能够实现移相精准、可靠性高的数字化移相触发控制器[4－5]。

在晶闸管触发电路由模拟电路向数字电路的发展过程中，数字化不仅可以提高系统的精度，而且能够提高系统的抗干扰能力，还符合当前技术发展由模拟向数字化转变的趋势。

1 系统框架

本设计中，采用宏晶公司出品的8位单片机STC15W408AS作为移相控制器的主控单元，完成逻辑判定、数据处理以及信号输出、封锁与保护等功能；利用交流同步整形电路实现交流信号由正弦波向矩形波的转变，以便于控制器检测交流信号的过零点并诊断交流信号频率[6－7]；按键电路和反馈采样电路构成控制器设定和反馈下的闭环稳定输出单元；控制器在外部设定的作用下通过运算计算出触发控制角，生成宽脉冲移相信号，在交流同步信号的作用下输出，经过驱动放大后驱动双向晶闸管[8－9]。其具体的系统框架如图1所示。

图1 数字化移相控制器系统

2 硬件电路设计

系统硬件电路如图2所示。

图2 数字化移相控制器硬件电路原理

2.1 辅助电源

辅助电源取自市电，在变压器隔离、降压后，通过二极管不控整流电路进行整流，经稳压滤波后在线性稳压LDO芯片作用下得到低压稳压电源，提供控制系统及各外围电路模块的电源供应。

2.2 同步信号整形模块

同样，市电经过变压器隔离、降压后，在二极管不控整流电路的作用下进行整流，滤波后经过共射极三极管开关电路将脉动的直流电信号转换成脉冲波信号，供MCU进行过零信号的检测。其具体的转换过程如图3所示。

图3 交流信号同步整形

2.3 控制器模块

采用宏晶公司15系列单片机众多型号中性价比较高的STC15W408AS，该MCU内部自带稳定性好且频率可调节的晶振模块，只需要配合复位电路即可构成单片机最小系统。

2.4 隔离驱动模块

控制器是整个系统的核心，需要确保其运行的可靠性和安全性。采用高速光耦6N136作为信号隔离器件，实现控制电路与主电路的信号隔离，驱动信号在隔离电源的作用下驱动双向晶闸管，实现主电路的交流电移相输出。

3 软件设计

移相软件部分主要是通过监测交流同步信号获取过零时刻点、根据设定的输出要求对移相相角进行实时运算处理，得出触发脉冲的触发时刻点并输出触发脉冲信号。程序整体流程如图4所示。

图4 数字式移相触发器总体流程

各模块作用说明如下。

（1）CPU初始化模块：用于对所使用的单片机片上资源进行上电配置，使其满足后续的功能要求。

（2）频率监测模块：用于监控交流电频率异常，主要针对严重谐波干扰下的频率状态故障诊断，严重时封锁移相脉冲输出。

（3）设定输出电角度计算模块：通过外部来的设定输出要求，通过微处理器的计算转换为移相输出控制电角度。

（4）移相范围判定模块：面对使用变压器带来的相位滞后以及防止移相角度不合适带来的输出品质不佳问题，设定移相范围，当移相控制角计算结果不在设定范围内时采用极限值替代。

（5）移相脉冲触发角前后沿计算模块：将计算出来的电角度转换成单片机定时器下的实际移相计数器值，同时对脉冲宽度进行预给定，可以在一定程度上减小驱动电路的输出功率。

（6）交流信号相位同步检测模块：对交流信号的实时状态进行同步检测，初始相位的定位，获取瞬时状态值用于后续脉冲输出的判定。

（7）移相脉冲输出模块：根据同步检测模块提供的实时值进行对比，在移相范围内提供脉冲的输出。

4 移相过程

4.1 变压器相角影响

变压器作为电磁耦合元件，通过激励侧、感应侧绕组线圈之间的耦合来传递能量，其本质为2个或者多个相互耦合的电感元件，二级侧绕组经过归一化到一次侧后，其T型等效电路如图5所示[10－11]。

图5 变压器T型等效电路

从T型等效电路可以看出，交流电经过变压器后，输出相位相对输入相位而言存在一定的滞后偏移，对移相触发脉冲同步信号有轻微的影响。在精度要求不高的应用场合可以忽略不计，对于精度要求较高的场合，则需要借助闭环反馈控制，通过软件算法实现输出补偿处理[12]。

4.2 移相电角度精度

移相电角度的精度与频率关系紧密。我国交流电的频率为f＝50 Hz，对应的周期T＝20 ms。根据2.2节中对交流信号整流与整形模块的设计，双向晶闸管在正负半轴上属于对称触发形式，因此只要通过对半周期的控制，即可实现全周期的输出。另一方面是单片机运行频率，在设计中采用外部中断方式获取过零时刻点，通过定时器的实时计数来获取实时相角数据，在主程序中根据设定的输出计算对应的移相电角度并转换为定时器的对应计数值，通过比较定时器实时值与设定计数值，在规定范围内发出触发脉冲。

通过分析，移相电角度的输出精度来自于两方面的内容。一方面是对程序的优化设计，通过灵活的应用单片机片上资源以及程序合理的布置来实现。另一方面则是提高运行主频来获取更高的执行效率。考察所选用单片机的主频段，选择fosc＝24 MHz是较为理想的频率，配合该单片机能以1 T高速模式工作，相当于传统单片机下的fosc＝288 MHz工作频率。在该频率下运行，既能保证触发脉冲移相角的精度，又能兼顾单片机其他任务的处理。此时，主频运行在1 T模式下则有机器周期Tcy＝1/24μs，定时器工作在12 T模式下则有定时基准Tt＝1/2μs。

对于移相精度，半周期对应的电角度为180°。理论上最小移相精度误差为：

代入相关数据，ηmin=0.000 75°。实际中，单片机是利用查询的方式实现对实时相位状态数据的捕捉，优化后的主程序运行周期为T1≈100μs。则实际的最大移相精度误差为：

代入相关数据，ηmax=1.8°。取两者的平均值作为移相精度的平均误差，其值为ηave≈0.9°。

采用模拟电路搭建的移相触发电路，其移相精度误差可以高达2°~3°，本设计中采用的数字化的移相触发器平均移相精度误差只有不到1°。相比采用模拟电路搭建的移相电路可以提高3.5倍左右的精度，不仅减轻了电路的复杂程度降低了故障率，而且减小了正负半轴脉冲的不对称度，而该特性对于电路和负载均是及其有利的。

5 测试结果分析

根据设计的软硬件内容，在实验室条件下开展测试，其输出波形如图6所示。

图6 双向移相脉冲输出测试波形

示波器中黄色曲线显示为正常的交流信号；蓝色曲线显示为经过控制器移相控制后的输出波形。通过在移相控制角分别为α＝10°、α＝90°、α＝170°下的实验波形，可以看出在不同的输出设定下，控制器均能够准确实现移相脉冲的计算与捕捉，经过隔离驱动后确保既定的双向交流输出，从而验证所设计的数字移相触发器具有较好的运行效果。

6 结束语

所研制的基于STC 单片机的数字化移相触发器，通过在双向可控硅上进行验证，控制器可以根据设定大小自动调整输出，精度高、对称性好、能够确保控制对象可靠稳定工作等优点，较好地解决了传统的由分立元件搭建的模拟式触发电路中存在的抗干扰性能差、工作时稳定性差等缺陷与不足，表明了在电路设计过程中，利用技术先进的微处理器实现数字化电路替代模拟化电路的必要性与可行性。通过对所设计的硬件电路与软件策略进行适当的修正调整，即可便捷地扩展到其他晶闸管变流装置中加以应用。在晶闸管变流装置数字化改进过程中，具有较好的参考价值。