1 引言
隨著大功率電力電子器件的發(fā)展，以晶閘管等電力電子器件構(gòu)成的l勵(lì)磁系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。特別是三相全控整流橋，可以利用其逆變工作狀態(tài)迅速滅磁，甚至可以取消滅磁開關(guān)，在勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中更是得到廣泛的應(yīng)用[1]。三相橋式全控整流電路的6只整流元件全部采用晶閘管，共陰極組的元件在各自電源電壓的正半周導(dǎo)通，共陽(yáng)極組的元件在其電源電壓為負(fù)半周時(shí)導(dǎo)通，均靠觸發(fā)換流，且控制角α必須相同。為使全控橋能正常工作，形成電流通路，必須使共陰極組和共陽(yáng)極組的元件在任一瞬間各有一只處于導(dǎo)通狀態(tài)（在換流期間則有三只元件導(dǎo)通，其中兩只處于換流狀態(tài)）。一般情況下采用雙窄脈沖觸發(fā)，即在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)每一只晶閘管需要連續(xù)觸發(fā)兩次，以保證可靠觸發(fā)。用模擬電子電路控制的晶閘管觸發(fā)電路體積大，調(diào)試?yán)щy，排障也比較困難，已被淘汰。本文用lpc2132嵌入式處理器和可編程邏輯器件epm570t100c5自行設(shè)計(jì)研制了一套數(shù)字移相觸發(fā)系統(tǒng)。同時(shí)將數(shù)字相位跟蹤技術(shù)和過零觸發(fā)引入觸發(fā)脈沖的生成中，提高了觸發(fā)脈沖的穩(wěn)定性、可靠性和精度，可實(shí)現(xiàn)高分辨率的數(shù)字觸發(fā)。此外還可以用軟件編程的方法得到觸發(fā)角可調(diào)的觸發(fā)脈沖。
2 系統(tǒng)的組成及工作原理
圖1 三相全控橋數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。主電路是典型的三相全控橋整流電路后接負(fù)載?？刂齐娐酚汕度胧教幚砥鱨pc2132和可編程邏輯器件（cpld）epm570t100c5及其外圍電路組成。三相電源信號(hào)經(jīng)同步變壓器和采集電路后送過零比較器，過零比較電路輸出與電源信號(hào)同步的方波信號(hào)給cpld，利用maxⅱ系列cpld實(shí)現(xiàn)脈沖同步跟蹤、脈沖處理及雙窄脈沖形成。觸發(fā)角根據(jù)lpc2132采集到的電壓和電流傳感器中的數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)，輸出的觸發(fā)脈沖經(jīng)過整形、驅(qū)動(dòng)隔離輸出后控制主電路中的6只晶閘管v1～v6的門極。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用雙微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行熱備份。
2.1 用過零比較器實(shí)現(xiàn)同步信號(hào)
為按照一定的順序觸發(fā)晶閘管，該觸發(fā)器設(shè)置有三相同步信號(hào)（加上各自反相共六相）。三相交流電源經(jīng)同步變壓器和同步采集后分別加到三個(gè)過零比較器， 分別產(chǎn)生與電源信號(hào)同步的50hz方波信號(hào)。為保證當(dāng)α=0°時(shí)在自然換相點(diǎn)觸發(fā)，同步信號(hào)必須滯后交流電壓波形30°。在電路中，各相的同步信號(hào)分別為各相的線電壓產(chǎn)生的方波信號(hào)移相30°得到。
2.2 數(shù)字相位跟蹤觸發(fā)電路
由于電網(wǎng)負(fù)載的變化,外部電源頻率會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)不等于50hz的情況，為準(zhǔn)確產(chǎn)生移相,并使三相移相角相一致,本系統(tǒng)在epm570內(nèi)部構(gòu)造了數(shù)字相位跟蹤觸發(fā)電路，實(shí)時(shí)測(cè)量電源電壓的頻率,電路結(jié)構(gòu)如圖2。同步信號(hào)過零比較后經(jīng)整形去毛刺，二分頻后作為32位高速計(jì)數(shù)器的門控信號(hào)，用100mhz的時(shí)鐘對(duì)其高電平進(jìn)行計(jì)數(shù)。假設(shè)計(jì)數(shù)值為m，則電源信號(hào)頻率為
hz，則每一度相位對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為
，30°自然換相對(duì)應(yīng)的寄存器值為
，移相角α對(duì)應(yīng)的延時(shí)寄存器值為
。數(shù)字相位跟蹤觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為電壓的幅值。同步采集信號(hào)整形后由脈沖變換電路變換為脈寬為18°的脈沖，將此脈沖移相30°得到自然換相點(diǎn)觸發(fā)脈沖，再移相α°得到移相控制所需的脈沖。
圖2 數(shù)字相位跟蹤觸發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖3 數(shù)字相位跟蹤觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖
2.3 可編程計(jì)數(shù)器構(gòu)成數(shù)字移相觸發(fā)
數(shù)字移相就是把移相角折算成對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)脈個(gè)數(shù)， 移相的數(shù)字實(shí)現(xiàn)即為硬件計(jì)數(shù)器延時(shí)，硬件計(jì)數(shù)器采用在cpld中構(gòu)造6個(gè)20位的可編程計(jì)數(shù)器，共完成6 路同步信號(hào)及6路脈沖輸出?？删幊逃?jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)由lpc2132通過數(shù)據(jù)總線寫入,控制脈沖延時(shí)時(shí)間,此電路實(shí)現(xiàn)觸發(fā)器具有準(zhǔn)確的α角控制,分辨率可達(dá)0.00036°,觸發(fā)脈沖對(duì)稱性好，輸出電壓波形無需硬件調(diào)整，且波形整齊。可編程計(jì)數(shù)器移相觸發(fā)電路如圖4所示。圖5為α=30°時(shí)數(shù)字移相觸發(fā)電路在quartusⅱ中仿真波形。clk為100mhz晶振，uouta為50hz電源方波信號(hào)。
圖4 可編程計(jì)數(shù)器的移相觸發(fā)電路
圖5 α=30°觸發(fā)脈沖仿真波形
3 數(shù)字移相觸發(fā)電路的軟件設(shè)計(jì)
3.1 晶閘管觸發(fā)角的求取[2]
cpu從輸入端檢測(cè)到控制電壓uc，再根據(jù)uc計(jì)算出晶閘管觸發(fā)角α。大于余弦觸發(fā)器，觸發(fā)角和控制電壓成余弦函數(shù)關(guān)系，可以表示為：
y=k×uc=cosα
式中:k為比例因子。 于是有:
α=arccos(k×uc)
在該移相觸發(fā)電路軟件中，采用三階臺(tái)勞展開的擬合方法求取反余弦函數(shù)。對(duì)于函數(shù)f(x)=arccos(x)在x=x0處展開為:
因此得到
的近似計(jì)算公式:
可見:由控制電壓uc求觸發(fā)角α只須做n次乘法運(yùn)算即可，占用cpu時(shí)間較少。另外，對(duì)于余弦函數(shù)，在45°<α<90°范圍內(nèi)線性較好，0°<α<45°范圍內(nèi)線性度較差,所以,所有擬合運(yùn)算都應(yīng)在[45°，90°]范圍進(jìn)行，即在控制電壓標(biāo)么值uc=0.707～0之間運(yùn)算，如果uc>0.707，則根據(jù)
做n次迭代運(yùn)算，直至uc<0.707，此時(shí)的uc=cos2nα，則按上述算法對(duì)迭代后的uc做反余弦擬合運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果除以2n，即為欲求的α。實(shí)踐證明，運(yùn)用上述的反余弦擬合運(yùn)算，求取的控制角α的誤差很小。
4 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)于晶閘管自動(dòng)調(diào)節(jié)器輸出電流要求精度較高的裝置，應(yīng)用模擬電路來完成是很難達(dá)到其要求的，造成了使用上的種種限制。本系統(tǒng)采用arm加cpld，將數(shù)字相位跟蹤技術(shù)和過零觸發(fā)引入觸發(fā)脈沖的生成中，提高了觸發(fā)脈沖的穩(wěn)定性、可靠性和精度,可實(shí)現(xiàn)高分辨率的數(shù)字觸發(fā),經(jīng)調(diào)試使用,六相脈沖一致性好,輸出平穩(wěn)無擾動(dòng)。適當(dāng)更改軟件,就可使本系統(tǒng)適合于任何方式的晶閘管控制的調(diào)節(jié)器,如:電機(jī)的無極調(diào)速器等等。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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