单片机在晶闸管触发电路中的应用

0　前　言
　　
　　在电力拖动系统、电炉控制系统中现已大量采用可控硅（晶闸管）元件作为可调电源向电动机或电炉供电，这种由晶闸管组成的控制系统，主要是利用改变可控硅的控制角θ来调节供电电压。在常规控制中，主要是用电子控制装置对可控硅实现触发，这种方法由于受到电子元器件的限制，其分辨率不高，有时还会出现误触发。本文介绍一种由8031单片机组成的触发控制系统，可实现高分辨率的数字触发。

1　硬件组成及原理
　　
　　系统硬件组成如，只须在8031最小系统上加一块16位的定时／计数器8253和晶振电路，另加一块带一个14位定时／计数器的可编程RAM／IO扩展器8155，即可组成单片机的系统线路。

1．1　θ角定时
　　
　　控制角θ是滞后自然换相点的电角度，在工频条件下，它和时间tθ有如下线性关系：


　　其中T是工频电源周期，θ是控制角。
　　
　　由上式可知，由电角度θ就知道对应的定时时间tθ，则可利用定时／计数器就能实现对θ角的定时，这种用硬件定时的方法可大大节省CPU的在线工作时间。

　　8031本身有两个16位的定时／计数器T₀和T₁，若用它们定时，选用方式1工作，就为16位的定时／计数器方式。因为8031单片机一个机器周期由12个振荡周期组成，工作于定时状态，计数频率为振荡频率的1／12，而工作于计数状态，计数频率为振荡频率的1／24，所以当取晶振频率为6MHz，选用方式1定时工作状态时，可得：


　　式中，T为工频周期，T＝20ms。
　　
　　由于16位定时／计数器最大定时时间为65536，故最大定时角为：

　　
　　由此可见，用8031单片机T0、T1定时，移相范围大，而分辨率则受本机机器周期限制，再就是用于三相定时，2个定时／计数器也不够，故最后确定选用NEC8253C－2定时／计数器来实现θ角定时，8253是一个三通道的16位定时／计数器，以减1计数方式工作，三个通道刚好满足三相定时，而计数频率由外部晶振提供，不受系统频率限制，选用计数频率为4MHz，则分辨率和最大定时角分别为：

　　
　　由上可知，分辨率和移相范围都能达到令人满意的结果。

1．2　同步信号输入和触发脉冲输出
　　
　　本系统采用三相同步电路。三相交流同步电源取自同步变压器的副绕组，经RC移相后使其过零点正好都对准六个自然换相点，再经三个电压比较器输出周期为20ms的三相方波同步信号，送至单片机P1的P1．3～P1．5，由于同步信号跳变即为自然换相点，单片机检测这三位状态字，即可进行软件认相，并作出±A、±B、±C的标志，以供θ角定时和输出（触发）、控制之用。
　　
　　为简化电路，减少脉冲变压器体积，增强电路的抗干扰能力，本系统采用脉冲列触发方式。其中六个触发信号经8155 A口送出，由外部电路调制成频率为2kHz的触发脉冲列，经功放电路分别加到6个可控硅的门极。整个触发装置的连接如图2。

1．3　中断安排
　　
　　8031单片机共5个中断源，其中1个用于串行口，两个为T0、T1定时／计数器中断，可直接用于外部中断的只有和，为了给控制系统留下更多的硬件资源，触发器只占用一个中断源，采用硬件和查询结合的方式，如图1，A、B、C三相中断通过非门接至，同时又各自接到P_1．0～P_1．2位，这样只要有申请，8031单片机通过检测该三位状态，即可确定中断源。

2　程序流程图
　　
　　触发器控制程序由主程序和一个中断处理程序组成，程序流程图如图3。

主程序包括初始化，触发控制的同步认相，给相应的8253定时/计数器的中断处理程序中，先对A、B、C认相，再据±A（或±B 、±C）标志（在主程序已设置好）确定输出控制字，产生相应触发脉冲，然后关闭本计数／定时器通道，等待下次启动。

3　结束语
　　
　　本文采用8031单片机实现对晶闸管的数字触发，组成高分辨率的数字触发器，在控制系统中实现平滑调节，其性能是电子触发装置无法比拟的。该系统已在实际生产中得到应用，获得了令人满意的效果。