宁宇,巫礼杰,黄景维,张燕金,滕世国

(1.韶关学院物理与机电工程学院,广东韶关512005; 2.乳源东阳光机械有限公司,广东韶关512721)

电子铝箔化成直流电源的DSP触发控制

宁宇1,巫礼杰1,黄景维1,张燕金2,滕世国2

(1.韶关学院物理与机电工程学院,广东韶关512005; 2.乳源东阳光机械有限公司,广东韶关512721)

研制出用于电子铝箔化成大功率晶闸管直流电源的TMS320F2812数字触发控制器.研究了电网频率跟踪和相序自适应实现方法和步骤,详细介绍了控制器的硬件和软件设计.实现了晶闸管触发脉冲的形成和移相控制的完全数字化.仿真和实验结果证明所提出的设计方法是有效的.该触发控制器触发精度高,具有硬件简单、可靠性高等特点.

相控整流器;相序自适应;数字触发控制器

大功率整流电源及其控制器是化成箔、腐蚀箔生产的关键设备.与早期的模拟电路集成芯片相比,单片机数字触发器具有输出波形稳定、可靠性高、温飘影响小、触发电路结构简单,控制灵活等优点而被广泛采用[1-2].

生产工艺需要高效率、低纹波和高功率因数的直流电源.要求实时监测功率因数,始终保持允许的最小触发控制角,实现功率因数最高.8位单片机触发器运算速度低,触发控制的精度受到限制,不能胜任实时计算电压和电流有效值、功率因数和智能控制算法的要求.

笔者针对大功率高压化成直流电源研制配套的32位DSP数字触发器,实现了电网频率跟踪和相序自适应功能,并具备软启动、缺相保护和过电流保护等功能.

1 三相晶闸管桥式整流电源及其对触发控制的要求

图1 化成直流电源电路简图

如图1(a)所示,三相桥式整流电源上下桥臂各有一只晶闸管,同时导通才能形成电流回路,而移相控制脉冲根据输入电源的相序依次间隔60°发出,这就要求触发脉冲是间隔60°的双窄脉冲.由于接线时并不清楚电源的相序,所以有可能出现正负相序两种情况,如图1(b)、(c)所示.图1(a)规定的是正相序的导通顺序,一旦接为负相序,晶闸管就不能正常导通.因此,必须自动检测电源的相序并相应确定正确导通的顺序.同时,电网的频率也会出现变化,要求脉冲相位也随之调整,才能保证精准的控制.总之,三相桥式整流电源要求触发脉冲控制具备相序自适应、电网频率跟踪和双窄脉冲的功能,此外,触发脉冲电路还应与主回路隔离,脉冲波形有一定的宽度和陡度才能保证晶闸管可靠快速导通[3].

2 硬件电路设计

如图2所示,DSP数字式触发器控制系统的控制内核为DSP控制器2812,外围电路主要由同步电路、电压电流检测、信号调理电路和脉冲隔离功率放大输出电路等组成.2812通过软件实现包括电源缺相保护、过压欠压检测和相序自适应控制的开机初检程序.初检通过后,根据外部运行软启动指令和板内电位器给定信号,完成移相触发,电压或电流的数字(PID)闭环控制.可根据故障信号发出封锁或开放触发器指令,保证系统安全可靠工作.此外,DSP2812的SCI口通过以太网电路与上位机相连,根据通信协议,接收上位机的命令参数或返回整流电源的状态参数如移相控制角、交流电压和电流有效值、功率因数、直流电压和电流数据,改变以往的单片机单机控制,可实现远程网络控制.

图2 DSP移相触发控制系统

2.1 同步电路

图3 同步电路原理

同步控制是移相控制的特殊问题.笔者考虑到大功率整流电源带负载后电整流变压器T的电压波形会出现畸变,易使电压过零点不准确,采用专用同步变压器.三路同步变压器二次线电压SUV、SUW、SVW信号经滤波整形后变成方波接入CAP1~CAP3.线电压同步信号的好处是过零点即自然换相点(零触发角).同时,三路线电压信号还用作相序自适应和缺相保护并方便调试.同步电路原理图如图3所示.

2.2 脉冲的输出和功率放大电路

图4 DSP输出脉冲锁存及高频振荡电路

DSP产生的移相脉冲信号由PWM口输出到脉冲锁存器MC74HC174N.它的选通信号PM由DSP一个指定的IO口PMC信号提供.PMC=1时选通,允许脉冲输出.PMC也可用作故障保护时封锁脉冲.图4左边的电路是一个高频振荡器,其作用是将脉冲信号变为脉冲列(如图5所示).整个脉冲列的宽度是由单片机输出脉冲的时间来决定,一般为18°~20°,由程序设定.而脉冲列中单个脉冲的宽度是由电容C16和电阻R的值决定的,高频脉冲列可降低脉冲变压器的功耗,减小脉冲变压器的体积.图4右边是脉冲隔离变压器功率放大电路.

图5 高频单脉冲波形

3 软件程序设计

3.1 触发控制原理及DSP资源分配

2812数字触发实际上是模拟锯齿波触发控制原理,由定时器产生一递增信号,该信号相当于锯齿波与控制信号相比较生成脉冲的移相控制角,所以移相触发控制的核心是定时器的控制.

2812有3个32位的CPU定时器和4个16位的事件管理器定时器[7].如图6所示,由捕捉口CAP1在同步方波信号上升沿发出CAP中断,作为触发脉冲基准,启动CPU定时器,实时计算电网电压的周期T和对应60°的时间,同时计算电位器给定或由上位机传送的移相控制角对应的时间.在下一周期发出的CAP中断中,根据实时测算的周期和移相控制角重新赋值相关寄存器,从而实现了电网频率跟踪.

图6 触发控制原理

3.2 相序自适应算法

相序自适应就是自动辨别电网三相电压相序,根据不同的相序自动确定触发脉冲的顺序,保证触发脉冲与晶闸管阳阴极的电压始终保持同步,这样可实现一定程度的免调试功能[4].相序自适应包含两个问题:正负相序的判断和正负相序的处理.

3.2.1 正负相序的判断

将线电压信号SUV、SUW、SVW引入2812的3个捕捉口,SUV、SUW、SVW三者间隔60°.SUV设置为上升沿和下降沿触发捕捉中断,此时另外2个捕捉口设置为输入口,依次读取SUW和SWV上升沿和下降沿的值,如果两者的值相同,即同为"0"或"1"就是正相序,见图7(a),如果不同就是负相序,即一为"0",另一为"1".相应地可根据正负相序和缺相给一变量S赋值"0"、"1",则0代表正相序,"1"代表负序,根据S的值转入相应的处理程序.

图7 正负相序判定原理

3.2.2 正负相序的处理

由图1(b)、(c)可知,正序时脉冲发送的顺序应为(VT6,VT1),(VT1,VT2),(VT2,VT3),(VT3,VT4), (VT4,VT5),(VT5,VT6),(VT6,VT1);负序时的顺序为应为(VT2,VT1),(VT1,VT6),(VT6,VT5),(VT5, VT4),(VT4,VT3),(VT3,VT2),(VT2,VT1)[5].按以上顺序循环就实现了相序自适应功能.

3.3 主程序流程

主程序流程如图8所示,系统上电后检查是否过压欠压缺相,若出现以上情况,系统启动报警电路,反之,开CAP中断,转到CAP中断程序块.CAP中断指CAP1中断,设置为上升沿和下降沿触发,即一个周期共产生2次中断,两次中断相隔180°,CAP中断里,首先判断相序自检是否已完成,若没完成则转到相序自适应程序块,若完成则分别预置定时器T1、T2、T3.

图8 主程序流程

图9 CAP中断程序流程

图10 T1中断程序流程

图11 T2中断程序流程

图12 T3中断程序流程

T1、T2、T3分别为移项角Ta,脉宽TH,60°时间T60°,此时更新移项角,随后开定时器T1.T1中断里开定时器T2,同时将相应PWM输出引脚置高,T2中断里再将相应引脚置低.判断Num是否为2,因为两次中断刚好120°,120°时间里2次T1中断由T3开启,下一个T1中断由下一个CAP中断开启,依次循环,通过T1、T2、T3则可以成功发完脉冲[6-7].

4 实验结果

负载两端整流电压波形(α=30°)如图12所示,其中,(a)为仿真波形,(b)为实验波形.晶闸管端电压波形(α=30°)如图13所示,其中(a)为仿真波形,(b)为实验波形.同步信号和触发脉冲信号实验波形如图14所示.

图12 整流电压波形(α=30°)

图13 晶闸管端电压波形(α=30°)

图14 同步信号和触发脉冲信号实验波形

5 结论

实验结果表明,实验波形和仿真波形完全一致.笔者已经完成了DSP数字触发器的实验室评估,具备了工业现场实验的基本条件.进一步的工作如直接从整流变压器侧接入同步信号所需的数字滤波算法及功率因数的实时检测正在开发之中.

[1]冯广义,张光,李宏.相序自适应全数字智能化晶闸管触发器[J].电力电子技术,2003,37(5):82-83.

[2]李宏,邹伟,邢隆.宽频率范围跟踪晶闸管触发器的研制与应用[J].电力电子技术,2005,39(6):138-140.

[3]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].5版.北京:机械工业出版社,2007.

[4]王庆华.无同步变压器的相序自适应晶闸管触发电路[J].电力电子技术,1998(4):93-95,101.

[5]李宏,范柳絮,赵栋,等.基于CPLD的相序自适应晶闸管数字触发器设计[J].电气应用,2008,27(1):76-78.

[6]杜海江,石新春.相序相位自适应相控整流器原理分析及实现[J].电工技术学报,2005,20(2):105-109.

[7]苏奎峰.TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2005.

On the trigger control of DC power supp ly for formed foil based on DSP

NING Yu1,WU Li-jie1,HUANG Jing-wei1,ZHANG Yan-jin2,TENG Shi-guo2
(1.School of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Shaoguan University,Shaoguan 512005, Guangdong,China;2.Ruyuan Dongyangguang Machinery Co.,Ltd.,Shaoguan 512721,Guangdong,China)

This paper developed a digital trigger controller for high power thyristor DC power for electronic aluminum formed foil.It used high performance digital signal processor(DSP)TMS320F2812 chip as the control center,achieved key functions such as digital shift phase trigger pulse,power grid frequency tracking and phase sequenceadaptive.Thehardwareand software design of the controller is investigated in details.Theexperimental re sult indicated that the controller had good performance due to simple hardware and high reliability.

phase-controlled rectifier;phase sequence adaptive;digital trigger controller

TM461.4

:A

:1007-5348(2014)06-0030-06

(责任编辑:李婉)

2014-05-12

韶关市创新资金资助项目(SCJ2012-10508);广东省大学生创新实验资助项目(1057613-013).

宁宇(1962-),男,安徽安庆人,韶关学院物理与机电工程学院自动化系副教授,硕士,主要从事电力电子电路及电机的数字控制方面的教学和研究.