基于PSOC 3的移相控制器的设计与实现

引 言：

工业领域中功率调整一般采用可控硅移相控制的方法，通过改变交流电的初始相位（导通角）来控制电源对负载的输出功率。这种电路多使用电位器，因此就不可避免的具有电位器的缺陷：机械磨损、摩擦噪声等。本设计采用PSOC技术，使用PSOC CapSense和按键作为控制信号的输入，通过PSOC进行数字调相，避免了电位器调整的缺陷。

PSOC 简 述

PSoC是Cypress半导体有限公司生产的的可编程片上系统芯片。它主要由8位微处理器，可编程模拟模块和数字模块，外加可编程恒流源(IDAC). I2C，Flash, SRAM等周边外围模块组成，如图1所示。

图1 PSoC的功能框图

因此，PSoC除了能实现一般MCU的功能外，还可通过可编程模拟和数字模块灵活地实现嵌入式系统所需的模拟与数字外围功能。为了方便用户简单而快速地实现模拟数字外围功能的设计，Cypress基于可编程数字模拟模块构建了大量的用户模块，如可编程运算放大器，比较器，6至14位的模数和数模转换器，滤波器，8/16 /24/32位定时器/计数器，脉宽调制器，触摸感应等模块。这些用户模块将PSoC内部的寄存器配置，数字模块和模拟模块之间的内部连线，底层API(Application Program Interface, 应用程序接口)函数都已设计好了。当用户需要某个数字模拟外围功能时，只需要简单地调用相应的用户模块即可实现。

1、系统原理

交流电与PSOC之间采用光电耦合进行隔离，通过光电耦合将交流电的过零点检测信号送给PSOC，采用中断方式以实现交流电每个周期的同步，根据过零信号使用PSOC内部定时器确定初始相位，给出控制触发脉冲，来完成输出交流电相位的控制从而实现功率的调整。移相的角度等相关信息通过诺基亚5110液晶进行显示。图一为主电路结构图。

图1. 主电路结构框图

2、方案设计

2.1方案一

采用交流控制系统的专用集成电路，该类芯片多采用CMOS工艺制造，与外部交流脉冲同步的可控硅移相触发电路。提供多种控制方式以满足用户不同的应用要求，移相角度0～180度。但使用集成芯片会增加外部器件成本，容易损坏，扩展性低。

2.2方案二

程序控制调相，通过CPU外围检测电路检测交流电的过零点，经CPU处理后给出精确的同步触发脉冲，调整交流电的初始相位。其调整灵活、精度高、且容易实现闭环控制，扩展性强。

3．过零检测同步信号设计

要实现功率的调整，本设计采用移相控制技术，需要检测交流电的过零点触发信号。220V交流电首先通过电阻分压，由光电耦合检测出过零脉冲，并送至PSOC的IO端口，通过该端口上的中断来快速响应同步信号，再由PSOC给出信号，使220V输出电压的每个导通角的导通时间是从零电压开始计算的，导通时间不一样，导通角度的大小就不一样，从而输出功率就不一样。导通时间由PSOC定时器实现，中断检测定时时间到信号。图2.为过零检测和可控硅控制电路，图3.为信号输入输出波形。

图2. 过零检测和可控硅控制电路

图3. 信号输入输出波形图

4. PSOC实现设计的优势

本设计采用了PSOC的 CapSense模块，内部时钟定时器，中断，IO口。根据设计的需要较好地利用了PSOC的CapSense模块，若将本设计拓展做成闭环回路，增加AD采集，则能更好地应用了PSOC产品的优势：MCU、数字模块、模拟模块等集成在一块。另外，PSOC与液晶显示的通信采用IO口模拟SPI的方式，如果使用内部SPI模块则能提高系统扩展性与灵活性，及内部程序设计更为简单。

5. 结 论

本设计实现了通过移相控制达到了功率的调整。该设计可广泛应用在工业控制中，比如恒流、恒压、交流调压等电路，以及摄影闪光灯充电控制，造型灯亮度，大小功率交流电加热恒温控制等电路中，能实现全数控精密的调整效果。本设计采用PSOC技术，使用 CapSense作为控制信号的输入，通过PSOC进行数字调相，实现输出功率的灵活调整。设计中应用了 CapSense电容感应模块，很好地实现了控制信号输入的调整，相对按键输入而已，有便于操作、方便快捷的优点。