一種基于單片機的可控硅觸發器設計

可控硅觸發器作為一種比較常見的重要電子配件，在一些數字控制以及通訊領域的應用比較多。在今天的方案分享中，我們將會為大家分享一種基于單片機的可控硅觸發器設計，該種設計的可靠性比較高，且基于移相觸發脈沖的控制原理而實現，精準度較高，下面就讓我們一起來看看吧。

單片機觸發器的組成

在本方案中，我們所設計的這種基于單片機控制的可控硅觸發器，其系統組成主要由同步信號檢測、CPU硬件電路、復位電路和觸發脈沖驅動電路4部分組成，其組成框圖如圖1所示?？梢钥吹?，在這一系統中，CPU通過檢測電路獲知觸發信號，依據所要控制的電路要求，通過編程實現預定的程序流程，在相應時間段內通過單片機I/O端輸出觸發脈沖信號，復位電路可保證系統安全可靠的運行。

圖1 可控硅觸發器的組成框圖

移相觸發脈沖的控制原理

在這一基于單片機設計的可控硅觸發器設計方案中，我們所采用的主電路系統主要利用了移向觸發脈沖的控制原理進行設計。下面我們就來看一下這種控制原理的具體情況。相位控制要求以變流電路的自然換相點為基準，經過一定的相位延遲后，再輸出觸發信號使可控硅導通。在本次的案例應用中，自然換相點通過同步信號給出，再按同步電壓過零檢測的方法在CPU中實現同步，并由CPU控制軟件完成移相計算，按移相要求輸出觸發脈沖。

下圖中，圖2為我們所采用的三相橋式全控整流電路。以該種三相橋式全控整流電路為例，在該電路系統中，觸發脈沖信號輸出的時序也可由單片機根據同步信號電平確定，當單片機檢測到A相同步信號時，輸出脈沖時序通常采用移相觸發脈沖的方法，即用一個同步電壓信號和一個定時器完成觸發脈沖的計算。這在三相電路對稱時是可行的。因為三相完全對稱，各相彼此相差120°，電路每隔60°換流一次，且換流的時序事先已知。

圖2 三相橋式全控整流電路

在利用這種三相橋式全控整流電路進行設計的過程中，由于全稱只用一個同步輸入信號，所有可控硅的觸發脈沖延遲都以其為基準。為因此，了保證觸發脈沖延遲相位的精度，用一個定時器測量同步電壓信號的周期，并由此計算出60°和120°電角度所對應的時間。由于三相橋式全控整流電路的觸發電路，必須每隔60°觸發導通一只可控硅。這也就是說，每隔60°時間必然要輸出一次觸發脈沖信號，因此作為基準的第一個觸發脈沖信號必須調整到小于60°才能保證觸發脈沖不遺漏。當以A相同步電壓信號為基準，單片機檢測到A相同步電壓信號正跳變時，啟動定時器工作，當定時器溢出時，輸出第一個觸發脈沖信號，以后由所計算出的周期確定每隔60°己時輸出一次觸發脈沖，直到單片機再次檢測到A相同步信號的正跳變時，這個周期結束，開始下一個周期。

此時需要注意的一個問題是，在觸發脈沖信號的設計時，我們所設置的從單片機檢測到同步電壓正跳變到輸出第一個觸發脈沖信號的時間，必須調整到小于等于60°電角度時間。如果沒有調整，就造成觸發脈沖的遺漏。第一個觸發脈沖相對于同步信號正跳變的時間，可根據三相橋式全控整流電路的觸發時序來調整，如圖3所示。圖3中α1為觸發延遲角，(α2-α1)、(α4-α3)均為觸發窄脈沖寬度60°，α0為同步脈沖信號的一個標準周期360°;g0表示同步脈沖信號，gl、g2、g3、g4、g5、g6分別表示VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6觸發脈沖信號;其中0表示低電平，1為高電平。

圖3 單一同步基準的雙窄觸發脈沖時序

觸發器硬件組成

在了解了移相觸發脈沖的控制原理之后，接下來我們就需要結合該種控制原理以及本方案的設計要求，對該種可控硅觸發器的硬件進行設計。下圖中，圖4給出單片機控制的移相觸發脈沖控制硬件電路圖。單片機選用AT89C2051，其屬于MCS一51系列小型單片機，共有20個引腳、2KB內存。同步信號的輸入經電阻R1，此時，R1的設置可以起到限流和保護的作用，正弦同步信號經VD1和VD2兩個限制比較器輸入電壓的箝位二極管削波后，送入比較器LM339的輸入端，LM339輸出為180°與電源相位相同的方波。當同步檢測信號發生正跳變時，經反相以中斷方式向單片機的INT0(引腳6)提供同步指令，從表面上看好像是外部中斷信號輸入，實際上是要量脈沖的寬度，這決定于信號到來的時間。

在使用該比較電路進行設計時，這種單片機控制的移向觸發脈沖控制硬件電路具有一個顯著優勢，那就是無論輸入的同步電壓信號高還是低，LM339的輸出信號都能較準確的反映同步輸入信號的過零點，R2和C3對輸出信號進行濾波，以避免輸出信號出現波動。由于AT89C2051為8位單片機，所以該觸發器內部均為8位數字量計算，其觸發延遲角范圍為0°～180°，控制精度為0.7°，雖然控制精度受到內部運算位數的限制，但足以滿足一般控制要求。

AT89C2051單片機的Pl端口的P1.2～P1.7分別用于輸出三相橋式全控整流電路VT1～VT6的觸發脈沖信號，6路脈沖信號經741504反相放大，推動功率放大器TD62004，該器件的輸出連接到脈沖變壓器的初級繞組。此時，為了使復位更可靠，我們選擇采用先進的專用上電復位器件X25045，該器件具有可編程定時器，采用SPI總線結構。定時器看門狗的作用是保證在設定的時間內，若系統程序走死，不能定時訪問X25045的片選端，X25045將能對系統復位，提高了系統的可靠性，給單片機提供獨立的保護系統。其他的端口如P1端口的P1.0～P1.1(引腳12和13)可作為過壓、過流指示，P3端口的P3.4~P3.5(引腳8和9)作為過壓和過流的輸入端，P3端口的其余端口可以從整流端采集電壓負反饋信號經A/D轉換后進行數字PI調節，構成電壓負反饋閉環控制，以保證整流輸出端電壓穩定。

移相觸發脈沖控制軟件的設計

在本方案中，我們所設計的這種基于單片機控制的可控硅觸發器想要實現精準運行，還需要利用移相觸發脈沖的控制軟件進行輔助，以此方便進行延遲計算。由軟件控制，可以快速完成系統初始化、初值的輸入和電角度時間的計算并送入定時器，通過外部中斷實現觸發延遲角的處理。由于AT89C2051單片機上電復位期間所有端口均輸出高電平，為了保證復位期間所有可控硅都沒有觸發信號的觸發，應采用低電平為有效觸發可控硅的信號。移相觸發脈沖控制軟件流程圖如圖4所示。

圖4 移向觸發脈沖控制軟件流程圖

在實驗中加入數字PI調節，構成電壓負反饋閉環控制，使輸出電壓穩定運行，提高了觸發脈沖的對稱度和穩定性，觸發延遲角最大可達180°，改善了可控硅觸發器的性能指標和變流裝置的可靠性。該設計方案實現了可控硅觸發器的單片機控制，體現了控制電路簡單、便于調節且占用CPU資源少的特點，是一種理想的易于推廣的可控硅觸發控制設計方案。