基于ATMEL89S52 单片机的三相桥式可控触发电路的设计

1 引言

晶闸管作为一种半控性功率半导体器件，其基本功能是对电压进行整流、调压和斩波等进行控制，以满足实际需求。目前，晶闸管整流器装置已在工农业生产中得到了广泛的应用，特别是在直流调速系统中。触发电路是晶闸管电力变流技术的一种核心技术，触发电路应具有可靠性高，对称性好等要求。以分立元件及专用集成电路为主的触发电路，其性能不尽如人意，其具有电路复杂、易受电网电压影响、触发脉冲对称度不好等缺点。由单片机组成的控制，其触发电路具有性能良好、触发电路结构简单、控制灵活、温漂影响小、控制精度高、移相范围可任意调节等特点； 因其移相触发角通过软件计算完成，由于软件的可编程性，使微机数字触发器的调速范围更加灵活，能满足更多方面的需要。另外，本设计的原本目的就是利用单片机非对称触发三相整流桥，以产生谐波，然后用整理桥作为有源电力滤波器（ APF） 实验样机的非线性负载使用。

本文以三相桥式全控整流电路为例，主要介绍采用ATMEL89S52 单片机控制的三相桥式可控整流电路触发电路的设计方法，包括三相桥式全控整流电路、同步信号的检测、脉冲的形成与放大、键盘电路、显示电路以及软件实现等内容。

2 三相桥式全控整流电路

三相桥式全控整流电路如图1 所示。电路图中有两组晶闸管，一组是共阴极（ VT1、VT3 和VT5） ,一组是共阳极（ VT4、VT6 和VT2） .在任何时候均需二个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极的，另一个是共阳极的，并且不能为同一相的晶闸管。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，接在同一相的两个晶闸管的触发脉冲相位应该相差180°。6 个晶闸管的脉冲按VT1 - VT2 - VT3 - VT4 - VT5 - VT6 的顺序依次导通，相位相差60°。为保证电路的正常工作，需确保同时导通的晶闸管均匀脉冲。可采用两种方法：

一种是宽脉冲触发，一般脉冲宽度位80° ~ 120°；另一种是双窄脉冲触发，即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，脉冲宽度一般为20° ~ 30°，两个脉冲的前沿相差60°。

采用前者效率较低，本文采用后者，脉冲宽度取为27°。

图1 三相桥式全控整流电路

3 触发电路的硬件电路设计

硬件电路以Atmel89s52 单片机为控制器，其结构框图如图2 所示。它包括同步信号检测、AD转换电路、脉冲的形成与放大、显示模块和键盘电路等。

图2 触发器的硬件结构框图

3. 1 同步信号的检测

采用北京森社公司生产的CHV - 100 /300A 型号的电压传感器，其额定电压为300V （ 有效值） ,额定输出电流25mA.检测电路中，电压传感器接入220V 的A 相交流电，输出的电流信号经100 欧姆的电阻后，转变为大小为0 ~ 2. 5V 的电压信号（ 实际输出为- 2. 5V ~ 2. 5V） ,此电压信号接入LM258 构成的加法器转换成0 ~ 5V 的直流信号，此信号输入到飞利浦半导体公司生产的8 位AD 转换器PCF8591 的模拟信号输入通道AIN3,PCF8591 的输出信号AOUT 即可接入Atmal89s52单片机，利用I2C 总线进行数据传输，单片机经过软件检测，即可得知同步电压Us 过零点信号。其硬件电路如图3 所示。

图3 同步信号的检测电路

图6 显示电路

3. 4 键盘电路

键盘电路如图7 所示。其功能是设置触发角a的大小。它由四个开关和电阻，外加一个+ 5V 电源组成。开关K1、K2 、K3 和K4 分别接到单片机的P2. 0、P2. 1、P2. 2 和P2. 3.当K1 按下一次，触发角α 增加1; K2 按下一次，α 减1; K3 用于选择位数，按下第一次，小数位被选择，并且相应的数码管被点亮； 按下第二次时，个位数字被选择，并且相应数码管的被点亮； 按下第三次时，十位数被选择，并且相应数码管被点亮； 按下第四次时，百位数被选择，并且相应的数码管被点亮。当K4 按下时，输入的数据被送到单片机的存储区。

图7 键盘电路

4 触发电路的软件设计

触发电路的软件设计是非常重要的一个部分。本设计最重要的特点之一就是充分利用了单片机的软件编程能力。这里主要是用软件检测同步电压的过零点，以控制脉冲信号的产生。软件部分包括主函数、中断子函数、显示子函数和延时函数等。采用C 语言进行编程，它具有编程简单，一致性高等特点。

程序流程图如图8 所示。首先，将单片机初始化，包括定时器1 的初始化，封锁脉冲信号的输出，以及外部中断1 的初始化； 然后调用数码管显示子函数，以显示移相触发角α； 其次，单片机会监视是否有按键按下，如果有，则调用键盘操作子