用於晶閘管變流器的微處理器頻率自適應觸發器的製作方法
2023-06-20 18:52:56 1
專利名稱:用於晶閘管變流器的微處理器頻率自適應觸發器的製作方法
本發明屬於供電與配電的控制裝置或系統，具體地說是對晶閘管變流器中的晶閘管進行移相控制的觸發器。可用於晶閘管組成的三相橋式整流電路，反並聯三相橋式整流逆變電路，雙反星形整流電路，雙組雙反星形整流電路，以及交-交變頻電路，交流電壓調壓電路等對晶閘管移相控制的場合。
在本發明作出之前，有人提出採用微處理器等大規模集成電路構成數字觸發器，如美國IEEE雜誌Trans·Ind·AppL·VoL.IA-19，NO.1，1983刊登的論文「用於三相全控橋的微處理機式控制裝置」(AMicroprocessor-based Controllerfor A Threephase Controlled Rectifier Bridge)提出用M6802微處理器構成數字觸發器。但該電路採用16位計算器記錄電源的頻率，因而造價高，又是採用相對式觸發器方案，對給定的α角變化的響應時間較長，觸發脈衝的對稱性也不太好。
本發明就是針對上述方案的不足而進行的一種重新設計，目的在於提出一種使用廉價的Z80CPU與Z80CTC及其他集成電路組成的新型結構的數字觸發器。由於採用8位計數器，所以造價低廉，所設計的軟體數字鎖相環(DPLL)對電網頻率的變化進行跟蹤，使觸發脈衝的最大不對稱度小於0.72°，性能和抗幹擾能力好，採用絕對式觸發方案，使觸發器對給定的α角的變化響應更快。本發明具有更好的性能/價格比。
本發明的要點是採用Z80CPU和Z80CTC組成數字鎖相環DPLL，對電網頻率進行跟蹤，以保證在電網頻率允許的範圍內，觸發器輸出的觸發脈衝相間不對稱度仍小於設計值。這樣不會造成變流器輸出電流的非特徵諧波增加。
採用74LS374 8D鎖存觸發器作為輸出觸發脈衝的接口，具有數據雙緩衝的功能，又用74LS123單穩電路將觸發脈衝展寬到所需的要求，這樣不僅節省集成電路元件，而且可以允許具有0.144°高的脈衝解析度。
本發明的應用程式設計是將Z80CTC中的一個通道輪番設定為計數和定時兩種工作方式，以配合完成DPLL的功能。所設計的軟體濾波器也增加了觸發器的抗幹擾能力。
附圖1是本發明的工作原理框圖，其中1是單相同步變壓器，2是電壓過零比較器，3是光耦合隔離器，4是Z80CTC計數/定時器，5是Z80CPU，6.9是單穩態觸發器，7、10是8D鎖存鎖發器，8、11是或門電路，12是A/D模數轉換器，13是給定值撥碼盤，14是EPROM。
附圖2是本發明的電氣原理圖。
附圖3是本發明應用程式的流程圖。
現參照附圖對本發明的工作原理及組成部分加以說明如下本發明用單相變壓器101檢測一相交流電源的相位，電阻301，302，電容器401，402組成兩級RC濾波器並進行移相，集成電壓比較器801與電阻303、304、305、306、307、308和二極體201組成一個靈敏的電壓過零檢測器。經光耦合器802與電晶體501與電阻309、310、311、312、313、電容器403，404組成隔離的單穩態觸發器，將過零信號整形成脈衝形式，作為601可編程序計數器Z80CTC的CLK/TRG1的輸入。
Z80CTC可編程序計數器601與Z80CPU602構成一個數字鎖相環DPLL，由601的CTC1輸出一個1.2倍於電網頻率的同步信號，作為晶閘管變流器觸發用的多相同步信號。
這裡，用編程方法規定了CTC1有計數和定時兩種工作方式，並且允許CTC1中斷，這是整個應用程式中唯一的中斷源，因而保證了數據處理的實時性。在初始化時先規定CTC1為計數工作，計數值設定為01H，允許中斷，中斷服務程序為C1PRAM。這樣當加在CLK/TRG1上的單相同步脈衝到來時，CTC1立即請求中斷，由於CTC1是唯一的中斷源，因被CPU立即響應，執行CPRAM。我們可以認為CPU開始執行C1PAM的時刻即對應一個多相同步脈衝，也就是對應一個自然換相點，這樣第1個自然換相點是由CTC1計數一次而得到的，這也對應於單相同步電源的過零點。在RAM中設置一個數單元記錄電源狀態S-這對於絕對式觸發是必要的，此時S＝0。此後的11個自然換相點都由CTC1定時產生，定時時間T1＝ (T)/12 ，初值按T＝20mS設定。當S＝11時，C1PRAM中又將CTC1設為計數工作，等待單相同步脈衝，以便與電網頻率同步。並且用FFH作為初始常數啟動CTC3定時工作，用來記錄S＝11區間的長度T2。在單相同步脈衝引起的下一次中斷中，讀取CTC3，可以計算出T2。這樣，實際電網的周期T＝11T1+T2便可以測量出來。
由於T(n)＝11T1(n-1)+T2(n)，所以一步完成頻率修正的遞推公式為
T1(n)＝ (T(n))/12 ＝ 11/12 T1(n-1)+ 1/12 T2(n)＝T1(n-1)+ (T2(n)-T1(n-1))/12＝T1(n-1)+△T(n)其中△T(n)＝ (T2(n)-T1(n-1))/12可以看出，對誤差△T可以進行濾波處理，本發明中採用了中值濾波。另外可以看出本發明中DPLL對電網頻率f來說，相位是強制鎖定的，均為一步修正。而壓控振蕩器的輸出Nf則是由△T濾波修正的。這種考慮主要出自對硬體和軟體的節省，另外CTC1隻在 (T)/12 內響應單相同步脈衝，因而也有較強的抗電網脈衝幹擾的作用。
DPLL的功能由CTC1中斷服務程序C1PRAM，子程序DPLL1，子程序DPLL2配合完成。DPLL1在C1PRAM中調用，DPLL2則在主程序中調中，以不增加其在C1PRAM佔用的總時間。
CTC1定時工作時選用16分頻，當時鐘φ頻率為2MHZ時，定時的解析度為0.5μS×16＝8μS，即是0.144°電角度。
晶閘管變流器觸發相位角α角的給定可以是模擬量，由A/D轉換器12轉換成數字量，也可以是數字量，通過I/O接口13直接給出。
Z80CPU從12或13讀取給定的α角，在觸發子程序TRGPAM中將α角在0°～180°範圍內按30°分段，共分為6段，即α＝m·30°+α′，其中m＝0、1、2、3、4、5記作α狀態，α′為α角在一個電源周期S內的定時角度。根據α狀態m與電源狀態S可以確定應觸發的晶閘管對，即給出一個觸發字，而α′對應的時間由Z80CTC定時，這裡將一個電源周期分為12個電源狀態S，而不是象通常那樣分為6個電源狀態，將α＝0°～180°分為6個α狀態，而不是通常按60°分為3個α狀態，可以解決Z80CTC8位字長與定時解析度之間的矛盾，又由於α′是小於等於30°的，也可以只使用一個Z80CTC通道完成對一組的6個晶閘管的定時控制，並在整個α＝0°～180°範圍內達到解析度為0.144°的精度要求。
觸發字輸出到相應晶閘管上的過程分為兩步第一步在C1PRAM中斷服務程序的起始將其送往8D鎖存觸發器7或10，並且啟動Z80CTC0或Z80CTC2定時α′角度對應的時間。第二步當Z80CTC0或Z80CTC2定時的α′角度相應時間到零時，由ZC0或ZC2端輸出一個窄脈衝，再去驅動單穩觸發器6或9，單穩觸發器6或9輸出具有滿足晶閘管導通的寬度的脈衝，該脈衝加在8D鎖存觸發器7或10的輸出控制端，這樣在7或10的輸出端707或710就產生觸發脈衝，觸發脈衝的寬度等於單穩觸發器6或9輸出脈衝的寬度。707，710上的觸發脈衝通過隔離放大輸出給相應的晶閘管門極。
本發明的應用程式存儲在EPROM14中。實施上述觸發方案時，也可以採用其他型號的可編程計數器替代4，採用其他型號CPU替代5，若採用內部帶有ROM的單片微處理器，如1nteL公司的MCS-48系列中的8748，8749，8048，8049，則可以省去EPMOM14。
與已有技術相比，本發明採用了數字鎖相環DPLL對電網頻率跟蹤，保證了各相觸發脈衝之間的對稱性，減少了晶閘管變流器因此產生的非特徵諧波。由Z80CTC，Z80CPU與應用程式C1PRAM，DPLL1，DPLL2構成的DPLL使用的元件少，工作可靠。應用程式中將一個電源周期按30°分為12個電源狀態S，將α角0°～180°按30°分為6個α狀態，使每個電源狀態內定時的角度α′小於等於30°，可以有效地保證觸發脈衝的準確性與高的解析度。觸發脈衝的輸出接口採用了8D鎖存觸發器，具有雙緩衝功能，按本發明中應用程式的設計，可不須中斷而輸出觸發脈衝，保證了在整個α角控制範圍內達到0.144°電角度的觸發脈衝解析度。採用集成單穩態電路控制8D鎖存觸發器的輸出，可以大量節省單穩態集成元件，降低造價與成本費。
權利要求
1.一種用於晶閘管變流器的微處理器頻率自適應觸發器，其特徵在於有一個單相同步電壓檢測，隔離，變換通道，採用可編程計數器Z80CTC，Z80CPU與相應程序C1PRAM，DPLL1，DPLL2組成的數字鎖相環(DPLL)對電網頻率進行跟蹤，有應用程式TRGPAM完成對應導通的晶閘管進行選擇和對觸發相位角α定時，有單穩態集成電路控制8D鎖存觸發器作為觸發脈衝的輸出通道。
2.根據權利要求
1所述的頻率自適應觸發器，其特徵在於採用單相同步電路，由變壓器101，電壓比較器801，光耦合器802，三極體501及電阻，電容器，二極體等組合而成的單相同步電壓檢測，隔離，變換通道。
3.根據權利要求
1所述的頻率自適應觸發器，其特徵在於採用了將4，即Z80CTC中的一個通道在C1PRAM中用編程的方法規定其計數/定時兩種方式在一個電源周期(360°電角度)內交替選擇使用，以配合DPLL的實現。
4.根據權利要求
1或3所述的頻率自適應觸發器，其特徵在於將一個電源周期360°電角度按30°分為12個電源狀態s＝0～11，用於產生多相同步信號的定時器定時的電角度為30°，並且將α在0°～180°範圍內按α＝m·30°+α′分解，由α狀態m與s狀態確定應觸發的晶閘管對，小於等於30°的α′作為每個電源狀態s內由定時器定時的角度。
5.根據權利要求
1或3所述的頻率自適應觸發器，其特徵在於採用了4，即Z80CTC中的第二個通道測量s＝11段的時間，以配合Z80CTC的第一個通道完成對電網頻率的測量。
6.根據權利要求
1或3所述的頻率自適應觸發器，其特徵在於採用了應用程式C1PRAM，DPLL1，DPLL2完成數字鎖相環的功能。
7.根據權利要求
1或3所述的頻率自適應觸發器，其特徵在於採用Z80CTC中的第3、第4通道，分別定時兩組各6個晶閘管的觸發相位角。
8.根據權利要求
1所述的頻率自適應觸發器，其特徵在於觸發脈衝的輸出通道由單穩態電路6、9和8D鎖存觸發器7、10及門電路8，11組合而成的。送到晶閘管門極的觸發脈衝是在從接口電路8D鎖存器輸出之前由單穩態電路6、9展寬的，而單穩態電路6、9的輸入是由4，即Z80CTC的定時回零脈衝端控制的。
9.根據權利要求
1所述的頻率自適應觸發器，其特徵在於觸發脈衝的輸出由應用程式控制，第一步送入8D鎖存觸發器7或10，第二步由4即Z80CTC定時α′角後直接控制單穩6。9再行輸出，保證了觸發脈衝的解析度。
專利摘要
一種用於晶閘管變流器的微處理器頻率自適應觸發器，有單相變壓器、電壓比較器、光耦合器組成單相同步電壓檢測、隔離、變換通道，由可編程計數器、微處理器與應用程式組成數字鎖相環跟蹤頻率變化，由單穩電路、鎖存器、門電路組成觸發脈衝輸出通道。觸發相位角由A/D轉換器或數字拔碼盤給出。本發明可用於晶閘管整流器、晶閘管交——交變頻器和交流調壓等進行相位控制。有0°～180°移相範圍，0.144°觸發脈衝分辨，小於0.7°相間不對稱度。對電網頻率或設定頻率波動有適應控制能力。
文檔編號H02M1/06GK86103705SQ86103705
公開日1987年12月9日 申請日期1986年5月31日
發明者鍾彥儒, 梁漢濱 申請人:陝西機械學院, 郵電部武漢通信電源廠導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan