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单片机脉冲触发器电路设计

2016/05/06 阅读:

摘要:

由于工程上应用交流电子开关柜控制交流电动机其主电路采用晶闸管模块,单片机产生六个脉冲其相位依次相差60°,而晶闸管必须成对脉冲才能够导通构成回路,为此要进行脉冲的补充。设计了一款基于单片机的脉冲触发器。该触发器利用PSD4000系列芯片的逻辑功能来进行脉冲的补充,通过调制电路对脉冲进行调制。该脉冲触发器系统运行稳定且成本低廉。

关键词:

冲触发器;单片机;PSD4000;调制电路

脉冲触发电路在工业生产中有着广泛的应用,如工厂炼钢温控系统,调压调功、电机控制系统等。传统的脉冲触发电路为模拟电路使用交流电通过同步变压器后再接到可控硅移相触发器KC04电路上,输出两路相位相差180°的移相脉冲,三片KC04产生六路脉冲输入到KC41的A0~A5端口,由芯片内部输入二极管完成脉冲补给,B0~B5输出六组双脉冲每组脉冲相位相差60°。产生的脉冲经过脉冲变压器作用于晶闸管可控硅来控制交流电机,增加了同步变压器及设备的体积导致成本上升,此电路应用的芯片比较多、电路设计相对复杂、功耗大、抗干扰能力差,不适合在工厂等电磁干扰比较强的恶劣环境下工作。使其应用范围十分局限,不能广泛地应用于工业生产[1]。图1所示为传统的脉冲形成电路。

1脉冲触发电路设计与实现

本文以8XC196KB单片机与PSD4000系列为核心,重点研究运用PSD4000系列芯片的逻辑功能实现了脉冲的补给调制电路对脉冲的调制,电路简单易于实现,价格低廉有着广阔应用前景。脉冲触发电路是由8XC196KB单片机、PSD、调制电路、驱动电路组成[2]。由于晶闸管在导通以后其门极就失去了控制作用要靠反向电压使其关断,为了减少门极损耗,门极触发信号选择脉冲信号,8XC196KB单片机与PSD配合不仅使其在接口资源与存储空间相关方面的性能有明显的提高同时减小了系统的体积与功耗。如图2所示8XC196KB单片机产生7个脉冲。其中六个脉冲其相位依次相差60°,CLK为调制脉冲。单片机产生的脉冲经过PSD内部的逻辑电路处理变成成对的脉冲信号,经过ULN2003A构成的驱动电路作用,脉冲导通双向可控硅上构成回路,实现调压来控制交流电机。其中K0G0、K1G1、K2G2、K3G3、K4G4、K5G5为作用在可控硅上的信号。

1.1PSD的逻辑结构与功能PSD是WSI推出的带有逻辑功能的低功耗可编程的一款芯片。它一般由MCU数据、地址、控制总线接口、译码及PLD、EPROM、SRAM、可编程I/O接口与一些相关的寄存器组成,如图3所示。MCU与PSD可以直接相连无需相关外接芯片[3]。功能:(1)PSD内部集成了PLD逻辑结构,PLD器件由输入缓冲电路、与阵列、或阵列、输出缓冲电路组成,依据不同需求,芯片内元件的种类、数量可以有不同的设置,电路的功能要通过程序来实现[4]。(2)PSD能提供256kB到4MB不等的大容量的存储空间,可由内置的可编程PLD译码实现灵活的存储。(3)PSD提供了大量的I/O口,便于扩张[7]。原理:可编程芯片PSD接受单片机发出的脉冲信号,在其内部PLD逻辑门的作用下即单片机产生脉冲信号HSO0跟调制信号CLK、使能信号EN的反相与,脉冲信号HSO1、调制信号CLK、使能信号EN的反相与把这两组脉冲经逻辑门或在和三态门oe作用,就得到所需要的双脉冲,同样的道理可以得到其余的5组双脉冲。用产生的相应的6组双脉冲信号来控制晶闸管可控硅,其PSD内部的逻辑关系表达式如下所示。其中,EN为使能信号,它能够防止单片机在上电或复位的时候失控而胡乱发脉冲,CLK为调制信号,HSO0~HSO5为单片机发出的脉冲信号。图4所示就是作用在双向可控硅上的脉冲信号。触发电流、电压必须大于门极触发电流、电压。即脉冲信号应该有一定的功率与宽度晶闸管才能够导通,触发脉冲的宽度应保证晶闸管阳极电流在触发脉冲消失前达到擎住电流。一般晶闸管的导通时间为6ps,故触发脉冲的宽度至少应有6ps以上,最好应有20ps~50ps。如果负载功率较大或功率因数较低,还需相应增大脉冲输出幅度、脉冲宽度。晶闸管的触发功率(电流、电压)有规定值,由于晶闸管元件门极参数分散性大,且温度会影响触发电压、电流值。当触发信号为脉冲形式时,只要触发功率不超过规定值,触发电压、电流的幅值在短时间内可超过额定值。驱动电路中的ULN2003A是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,它由7组达林顿晶体管阵列与相应的电阻、二极管网络构成具有强驱动能力的双极型大功率高速集成电路。

1.2可控硅晶闸管导通次序双向晶闸管可控硅必须按照一定的次序成对导通才能够实现调压的功能。根据三相交流电的对称原则确定其导通的次序。在任意时刻电路中的晶闸管两相中都会各有一个导通,另一相不导通,这时导通相的负载相电压是电源线电压的一半。把相电压过零点定为触发延迟角α的起点。图5所示为α=120°晶闸管导通区间示意图。

1.3调制电路由于脉冲变压器漏电感的存在产生的脉冲会失真,如图6所示,增加脉冲变压器线圈绕组匝数可以有效的消除干扰但是这样会使电路的体积增大成本增加,调制电路提高脉冲的抗干扰能力,避免使用大的脉冲变压器,降低了成本,缩小了设备的体积。本着经济的原则增加了一个调制电路。图7所示为调制电路,其中M表示接地。555定时器与外部器件R3、R4、C5构成了多谐振荡器。VCC通过R3经过D1向C5充电,C5的放电过程则通过R4与内部的三极管T、C6到接地来实现的,放电速度快,电路产生振荡。可通过改变电阻R3、R4的阻值改变矩形脉冲的周期。555定时器与外部器件R3、C5构成的单稳态触发器,稳态时555电路内部放电开关管T导通,输出端输出为低电平,当有一个外部负脉冲触发信号输入,并使TRIG脚点位瞬时低于1/3VCC时,低电平比较器动作,单稳态电路开始一个暂缓过程,电容C5开始充电,C5两端电压按指数规律增长。当C5两端电压为2/3VCC时,高电平比较器动作,输出电压从高电平返回低电平,这时T重新导通,电容很快经放电开关管放电,暂态结束,恢复稳态。通过调节外部器件R3、C5可调节输出信号的暂态持续时间,从而达到调节输出信号占空比的目的。电路由多谐振荡器和单稳态触发器两部分构成,分别完成对矩形脉冲信号频率、占空比的调节。555定时器成本低廉性能可靠,在构成单稳态触发器和多谐振荡器时电路结构简单。由于它使用灵活、方便,其在测量与控制、家用电器等许多领域得到广泛应用,属于常用芯片,方便获得。

2调试

在对该方案设计脉冲发生器组成的系统进行测试,测试电路如图8所示。MUC选择8XC196KB单片机、PSD系列选择PSD4235输入电压U、V、W的相位依次相差120度三相电压,双向并联可控硅控制端按照图5所示依次导通[6]。系统用电机进行实验,在对实验数据、波形详细分析后得出结论,该控制系统工作性能稳定可靠,能够较好地满足工业现场的各项技术要求。

3结束语

本设计的创新点在于通过单片机与PSD的结合使用,充分利用了可编程逻辑器件PSD内部PLD逻辑门实现脉冲的补给,大大减化了程序的复杂度。同时增加了调制电路,简单、方便,降低了成本,系统运行安全可靠已广泛应用于工业生产各个领域。

参考文献:

[1]李玉超,高沁翔.三相桥式全控整流实验装置的设计与研制[J].数控技术,2006(19):103-105.

[2]訾兴建,王海军.用PSD芯片实现单片机电路的扩展[J].煤矿机械,2005(7):82-84.

[3]刘建,余华芳.PSD4000与MCS_96系列单片机的接口设计及其应用[J].电子元器件应用,2002(4):10-13.

[4]杨彦杰,陆俭国,张文玲,等.基于PSD的晶闸管触发脉冲产生电路设计[J].电工技术杂志,2001(2):5-7.

[5]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2012:140-147.

[6]盛占石,何婷婷.三相电源过零检测及相序自适应新方法[J].现代科学仪器,2013(3):79-82.

[7]朱群峰,黄磊,王跃球.基于89C51单片机的晶闸管触发装置设计[J].仪表技术,2009(2):43-45.

作者:姚国平 盛占石 单位: 江苏大学电气信息学院

单片机脉冲触发器电路设计

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