基于DSP的晶閘管數字觸發器的研究與設計

1引言

EAST極向場電源是托卡馬克主要的子系統之一，它為等離子體的產生、約束、維持、加熱，以及等離子體電流、位置、形狀、分布和破裂的控制，提供必要的工程基礎和控制手段。對于裝置運行的性能與安全，物理實驗的成敗與效率，有著至關重要的作用。所以，極向場電源整流控制電路對于實時性和控制精度都有相當高的要求。其中，晶閘管的觸發控制是整流電路的關鍵環節。極向場電源原有的模擬觸發板受速度和性能限制，控制精度和實時性不夠理想，無法60o改變一次α角，大多的數字觸發器由過零檢測、計數器、脈沖分配器組成，本文設計了一種以DSP為控制核心的數字觸發器，大大簡化了硬件電路的組成，提高了控制精度和實時性，并且軟件易于調試，調節范圍靈活。

2系統組成及硬件流程圖

極向場變流器主電路采用三相橋式同相逆并聯整流電路，變壓器的輸出為2個繞組輸出，分別為A1、B1、C1，A2、B2、C2，A1與A2的相位差為180°，所以對應每個整流器的相同位置的晶閘管得移相脈沖因此也因相應的相差180°相位。對于每一臺整流器，都設有alpha控制器一塊，所以只要分析其中一臺整流器。

3路同步變壓器的線電壓，經過光耦和比較器處理成方波，再經過阻容濾波和施密特觸發器，成為同步脈沖信號。Alpha信號由控制室發出，范圍是15^o～150^o，0v表示150^o，，5v表示15^o，而DSP的AD模塊電壓范圍為0～3.3，加一個運放，即0v對應150^o，3.3v對應15^o。

圖1：結構原理圖

3 DSP控制原理及軟件設計

3.1 DSP控制原理

所選DSP芯片為TMS320LF2407,這是一款由TI公司研制的性價比較高的DSP芯片。其供電電壓為3.3V。有四個定時器，其中T1和T3可用于全比較器調制PWM波，EVA和EVB各有三個捕獲單元。用六個捕獲單元檢測六個同步過零信號，同步信號到來時，相應捕獲產生中斷，啟動定時器， ADC采α角，然后由定時器產生觸發脈沖。極向場變流電路Alpha角范圍為15o ～150o，DSP輸入電壓范圍為0v～3.3v，其所對應的線性關系為Alpha=－135/3.3*u+150。由于2407僅有四個定時器，所以在本文的設計中，ab相與ba相的觸發脈沖是基于T1產生的，ab過零時所對應的觸發脈沖引腳為PWM1,ba過零時所對應觸發脈沖引腳為PWM3；ac相與ca相的觸發脈沖是基于T3產生的，ac過零時所對應觸發脈沖引腳為PWM7,ca過零時所對應觸發脈沖引腳為PWM9；這四相的觸發脈沖是由全比較器產生的；bc相的觸發脈沖是基于T2產生的，所對應引腳為T2PWM;cb相的觸發脈沖是基于T4產生的，所對應引腳為T4PWM；這兩相的觸發脈沖是由定時器自帶的比較輸出產生的。原理如下圖：T3與T1的原理相同，T4與T2的原理相同。由于ab與ba，ac與ca相差180°，所以T1與T3完全可以實現其Alpha角在15o ～150o范圍內的控制。

圖2：觸發脈沖產生原理圖

3.2 軟件流程

當捕獲單元檢測到同步信號時，產生捕獲中斷，進入捕獲中斷，啟動定時器，開始計數；復位ADC,啟動ADC去采Alpha的值，所采的值為電平信號（u），所對應的數字值（D）為：D＝1023×u/3.3，根據所設定的定時器的預定標系和系統時鐘來計算Alpha所對應的計數值，將計數值載入全比較寄存器CMPRx（T1、T3）或者比較寄存器TxCMPR(T2、T4)，根據所需要的脈沖寬度，加上一個計數值載入周期寄存器TxPR。設置周期中斷，周期產生中斷時，使定時器停止計數，相應的，也停止比較輸出脈沖。

軟件流程圖如下：

圖3：軟件流程圖

4實驗結果

極向場電源變流器晶閘管觸發方式采取的是雙窄脈沖觸發，所以在第二個晶閘管導通時，要補給前一個管子一個觸發脈沖，此時，只需連接方式上稍加改變就可以實現，根據晶閘管導通的順序，將PWM7接到PWM1,T2PWM接到PWM7,PWM3接到T2PWM,PWM9接到PWM3,T4PWM接到PWM9,PWM1接到T4PWM；這樣便可以實現晶閘管的雙窄脈沖觸發。