基于单片机控制的三相全控桥触发系统设计

1、 目 录摘要关键词AbstractKey words 1 前言 12 芯片介绍 2 2.1 AT89C52 的主要功能特性 2 2.2 AT89C52 的引脚参数 33 晶闸管介绍 4 3.1 晶闸管的基本结构及工作原理 4 3.2 晶闸管的触发 63.2.1 晶闸管触发信号的种类 73.2.2 晶闸管对门级触发电路的要求 84 基于51系列单片机控制的数字触发电路9 4.1 系统硬件结构 9 4.2 同步电路 10 4.3 触发电路 115 三相桥式全控整流电路 12 5.1 对称三相电源 12 5.2 桥式全控整流电路 126 程序设计 13结论15参考文献15致谢17附录1915基于单片

2、机控制的三相全控桥触发系统设计摘 要 近年来，随着科技的飞速发展，电子技术已经深入到人们生产生活的各个领域，人们对电力电子技术方面的研究也日趋成熟。本文就是介绍用MCS-51系列单片机控制的一种三相全控桥式整流电路的主电路和触发电路的原理以及控制电路，利用单片机的的中断来控制脉冲，保证在一个周期内发出六个脉冲分别来控制六个晶闸管的导通。具体的运行过程是由工频三相电压经变压器后在芯片控制下在不同的时刻发出不同的脉冲信号去控制相应的可控硅整流为直流电给负载供电。其主要优点就是输出波形稳定、可靠性高、抗干扰强等。其触发电路不仅结构简单，而且控制灵活，温度影响也小，控制的精度也可通过软件来补偿。关键词

3、MCS-51系列单片机；晶闸管；同步信号；整流Microcomputer Control of Three Phase Bridge Trigger SystemAbstract In recent years, with the rapid development of science and technology, electronic technology to have in-depth people production all spheres of life, people of power electronic technology research has become mor

4、e and more mature.This paper is to introduce 51 series with MCS - a single-chip microcomputer control 3-phases full controlled rectifier circuit of the main circuit and trigger circuit principle and control circuit, the interrupt the microcontroller control pulse, guarantees in a cycle respectively

5、issued six pulse control six thyristor conduction.Specific operation process is by by industrial frequency three-phase voltage transformer in chip after under control at different moments of different pulse signal sent to control silicon-controlled rectifier for dc corresponding to load power supply

6、.Its main advantage is the output waveform stability, high reliability and anti-interference strong, etc. Its simple structure not only trigger circuit, and control flexible, temperature affects the accuracy of smaller, control is by software to compensation.Key wordsMCS-51 Series Microcontroller；SC

7、R；Rectifier；Sync signal1 前言整流电路技术在工业上的应用极其广泛。如电镀装置、电解装置、直流焊机、充电装置等。而大多数整流电路是由变压器，整流主电路和滤波电路组成。自20世纪70年代以来，整流电路的主电路就多由硅整流二极管和晶闸管组成。滤波电路主要用于滤除直流电压中的交流成分。而变压器的作用就是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配已经电隔离。整流电路的种类有很多，如半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。本设计所采用的就是三相桥式全控整流电路。三相桥式全控整流电路是相控电路的一种。在我国，龚氐桥全可控整流

8、电路的发明是相控整流电路理论研究的重大历史性突破，它突破了百年经典相控整流最大输出电流和最高功率因数只能在最高输出电压点上的传统，打破了百年相控整电路在调低输出电压时，输出直流电流一定要下降的规律，并且创造出在调低输出电压时，最大输出直流电流不但不会减少反而可以增加的引世界注目的奇迹，其最大输出电流可以达到桥式相控电路的两倍，最大直流输出功率达到桥式四倍等优越性能，解决了有史以来相控整流电路在调低输出电压时，半波、全波、桥式这三类电路都存在着：功率因数低、谐波大、效率低、损耗大、输出电流小等多个百年来难以解决的世界性难题。相比经典桥式相控电路，只要在其中增加一个整流或可控整流器件和改变触发信号

9、相位就解决了这些百年未能解决的世界性难题。如此简单改变就可吸取全波电路内阻低和输出电流大的优点，也吸取桥式电路器件耐压低和变压次级绕组利用率高的优点，它又能包含有半波、全波、和桥式三类了经典电路在内，能输出半波、全坡、桥式、全波和桥式两者相结合的输出电压, 一举成为性能最好、电路数量最多，最高形式的第四类经典相控整流电路龚氐桥全电路，使可控整流电路面目一新，继承、补充、完善和发展了经典可控整流电路理论，奠定了现代复式相控技术理论基础。为中华民族在世界电工教学用书和工具书中首次占有一席之地而做出历史性贡献。本设计是基于AT89C52单片机的三相整流触发控制系统，是使用电子器件对电能进行控制和变换

10、的技术，目前这项技术广泛应用于电力领域，其前景十分广阔。2 芯片介绍AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的FLASH只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。2.1 AT89C52的主要功能特性1、兼容MCS51指令系统 ；2、8k可反复擦写(大于1000次）Flash ROM； 3、32个双向I/O口；4、256x8bit内部RAM； 5、

11、3个16位可编程定时/计数器中断； 6、 时钟频率0-24MHz7、 2个串行中断，可编程UART串行通道； 8、 2个外部中断源，共8个中断源； 9、 2个读写中断口线，3级加密位； 10、 低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能； 11、 有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。2.2 AT89C52的引脚AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线。AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存

12、储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。其引脚图如图2.1。图2.1 AT89C52引脚图3 晶闸管介绍 晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极; 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。3.1 晶闸管的基本结构及工作原理晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、

13、J3三个PN结（图3.1），可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。 J1 J2 J3 图3.1 晶闸管基本结构图晶闸管在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路，如图3.2。晶闸管的工作条件：（1)晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。图3.2 晶闸管工作电路图 (2)晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。 （3）晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶

14、闸管导通后，门极失去作用 （4）晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断综上所述，可得出以下结论： （1）晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶闸管正向导通必须具有一定的条件：阳极加正向电压，同时控制级也加正向触发电压。 （2）晶闸管一旦导通，控制级即失去控制作用。要使晶闸管重新关断，必须做到以下两点：一是将阳极电流减小到小于维持电流IH；二是将阳极电压减小到零或使之反向。3.2 晶闸管的触发当晶闸管加上正向阳极电压后，门级加上适当的门级电压，使晶闸管导通的过程称为触发。 晶闸管触发电路应满足下列要求： （1）触发脉冲的宽度

15、应保证晶闸管可靠导通门极电流应大于擎住电流； （2）触发脉冲应有足够的幅度； （3）不超过门极电压、电流和功率，且在可靠触发区域之内； （4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。3.2.1 晶闸管触发信号的种类晶闸管由关断到开通，必须具备两个外部条件：第一是承受足够的正向电压；第二是门极与阴极之间加一适当反向电压、电流信号(触发信号)。门极触发信号有直流信号、交流信号和脉冲信号三种基本形式。 （1）直流信号 在晶闸管加适当的阳极正向电压的情况下，在晶闸管门极与阴极间加适当的直流电压，则晶闸管将被触发导通。这种触发方式在实际中应用极少。因为晶闸管在其导通后就不需要门极信号继续存

16、在。若采用直流触发信号将使晶闸管门极损耗增加，有可能超过门极功耗；在晶闸管反向电压时，门极直流电压将使反向漏电流增加，也有可能造成晶闸管的损坏。 （2）交流信号 在晶闸管门极与阴极间加入交流电压，当交流电压Dc，Uc，时，晶闸管导通。Uc是保证晶闸管可靠触发所需的最小门极电压值，改变U。值，可改变触发延迟角。这种触发形式也存在许多缺点，如：在温度变化和交流电压幅值波动时，触发延迟角不稳定。 （3）脉冲信号 在晶闸管门极触发电路中使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时刻，降低晶闸管门极功耗，还可以通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号的隔离输出。因此，触发信号多采用脉冲形式。3.2.2 晶闸管对

17、门级触发电路的要求 晶闸管门极触发信号由触发电路提供，由于晶闸管电路种类很多，如整流、逆变、交流调压、变频等，所带负载的性质也不相同，如电阻性负载、电阻电感性负载、反电势负载等。仅管不同的情况对触发电路的要求也不同，但其基本要求却是相同的，具体如下： （1）触发信号应有足够的功率(电压、电流) 这些指标在产品样本中均已标明，由于晶闸管元件门极参数分散性大，且触发电压、电流值受温度影响会发生变化。例如元件温度为100时，触发电流、电压值比在室温时低2-3倍；元件温度为零下40°时，触发电流、电压值比在室温时高2-3倍。为了使元件在各种工作条件下都能可靠地触发，可参考元件出厂的试验数据或

18、产品目录，设计触发电路的输出电压、电流值，并留有一定的裕量。一般可取两倍左右的触发电流裕量，而触发电压按触发电流大小来决定，但应注意不要超过晶闸管门极允许的峰值功率和平均功率极限值。 （2）触发脉冲信号应有一定的宽度 对于电阻性负载，一般晶闸管的导通时间为6 p，故触发脉冲的宽度至少应有6 Ps以上，最好应有20-50ps；对于电感性负载，触发脉冲宽度还要加大，否则在脉冲终止时主电路电流还未上升到晶闸管的掣住电流人，将使晶闸管无法导通而重新恢复关断状态。3.3 晶闸管的主要参数及意义1、门极触发电流（IGT） 使晶闸管从阻断到完全导通所必须的最小门极电流。2、门极触发电压（VGT）对应于门极触

19、发电流的门极电压。3、维持电流（IH）门极断路，在室温条件下，晶闸管被触发导通后，为维持导通所必需的最小电流。4、断态重复峰值电压（VDRM）门极断路、并在一定结温下，允许重复加在器件上的正向峰值电压。（重复频率为每秒50次，每次持续时间小于10ms）5、反向重复峰值电压门极断路、并在一定结温下，允许重复加在器件上的反向峰值电压。（重复频率为每秒50次，每次持续时间小于10ms）4 基于51系列单片机控制的数字触发电路4.1系统硬件结构 如图4.1所示，单片机通过检测电路获知同步信号，依据所要控制的三相全控整流电路要求，通过编程实现预定的程序流程，在相应时间段内通过单片机I/O端输出触发脉冲信

20、号。图4.1 系统硬件结构图4.2 同步电路所谓同步, 就是通过供给各触发电路不同相位的交流电压, 使得各触发器在晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲, 从而保证各晶闸管可以按顺序获得触发。这种使触发电路与主电路晶闸管工作上步调一致的方法就称为同步。使触发电路与主电路工作同步并能在规定范围内进行移项控制的信号电压称为同步电压。图4.2为同步电路，同步信号经VD1和VD2，送入比较器LM339的输入端，LM339输出为180°与电源相位相同的方波。同步检测信号发生正跳变时，由于AT89C52采用低电平为有效触发方式，所以信号经反相器反相以中断方式向单片机的INT0提供同步指令。使用该比较电

21、路，无论输入的同步电压信号高还是低，LM339的输出信号都能较准确的反映同步输入信号的过零点，R2和C3对输出信号进行滤波，以避免输出信号出现波动。图4.2 同步电路图4.3 触发电路 单片机P2端口的P2.0P2.5分别用于输出三相桥式全控整流电路VT1VT6的触发脉冲信号。6路脉冲信号经过六路反相器7406驱动光电耦合器TTL117，经电气隔离输出的信号经过复合管电压跟随器将信号放大，输出脉冲触发电压进而实现触发相应的晶闸管的导通。其电路图如图4.3。图4.3 触发电路图5 三相桥式全控整流电路设计5.1 对称三相电源 由3个频率相同、振幅相同、相位互差120°的正弦电压源所构成

22、的电源称为三相电源。所谓对称三相电路，就是电路中的三相电源为频率相同、振幅相同、相位互差120°的正弦电压源，且三相上负载的阻抗完全相同，各相电流彼此独立，各相线路参数完全一致的电路。5.2 桥式全控整流电路 三相桥式全控整流电路的实质是晶闸管利用相控整流把交流变成直流并通过调整触发脉冲的相位来达到改变输出电压。图5.1为三相全控桥整流电路,它是由6个晶闸管组成，在任何时候都必须有两个晶闸管导通,且这两个晶闸管一个是共阴极组的,一个是共阳极组的,只有它们同时导通,才能形成导电回路，可通过直流电机体现。由于共阴极的晶闸管是在正半周触发,共阳极组的晶闸管是在负半周触发, 因此接在同一相的

23、两个晶闸管的触发脉冲相位应该相差180°。三相桥式全控整流电路每隔60°有一个晶闸管要换流,因此每隔60°要触发一个晶闸管,触发脉冲的顺序是T1T2T3T4T5T6T1,相邻两脉冲的相位差为60°。为保证在整流器合闸后,共阴极和共阳极组各有一个晶闸管导通,必须使两组中应导通的一对晶闸管同时有触发脉冲,具体做法有两种:一种是使触发脉冲的宽度在60°120°之间,一般取80°100°,称为宽脉冲触发;另一种是在触发某一晶闸管的同时,给前一号晶闸管补发一个脉冲,使共阴极组和共阳极组的两个应导通的晶闸管均有触发脉冲,这种方

24、法称为双窄脉冲触发。采用双脉冲触发时,在一个周期内对每个晶闸管必须要连续触发两次,两次脉冲中间间隔为60°。本设计采用双窄脉冲触发方式。图5.1 三相全控整流电路图 由于晶闸管很容易损坏，所以在电路中加入了晶闸管的保护。造成晶闸管损坏的原因一般分为两种，一种是过电流导致的损坏，一种是过电压导致的损坏。晶闸管的过电流保护一般有三种，第一种是采用快速熔断器；第二种是通采用过电流继电器；第三种是通过过流截止。过电压保护一般是通过阻容保护实现。本设计中采用的是快速熔断器和阻容保护，电流过大时，快速熔断器在晶闸管烧坏之前就能迅速熔断；电压过大是，电容能够吸收电压。这样就能够确保晶闸管能正常工作

25、而不至损坏。 6 程序设计程序部分采用C语言编写。采用C语言编写的应用程序结构清楚、通俗易懂、模块化程度高、可靠性强，比用汇编语言开发容易、省时。C语言是一种比汇编语言更高级的语言。基于MCS-51系列单片机的三相全控整流桥触发电路，其程序流程图如图6.1所示。图6.1 系统流程图首先要通过键盘键入触发角，送入定时器，然后单片机判断同步信号是否输出矩形波，如果是，则单片机会输出脉冲，控制晶闸管导通；反之则单片机不会输出脉冲，晶闸管也就不会导通。此环节最需考虑的问题就是同步问题，即当晶闸管需要触发时，触发电路就必须输出一个触发脉冲，这样才能使得晶闸管能按一定的顺序获得触发。结论本设计是基于MCS51系列单片机AT89C52芯片为主的数字触发电路，其目的是通过单片机控制实现在一个电周期内准时发出六个脉冲分别触发六个晶闸管，这个设计相比原来用模拟电路控制触发要简单且稳定，抗干扰强，克服了传统的模拟晶闸管触发电路的很多缺点。此种控制方式的主要优点是输出波形稳定和可靠性高抗干扰强，触发电路结构简单，控制灵活，温度影响