带有三相全控桥脉冲发生器的微计算机过程控制器

摘要

带有三相全控桥脉冲发生器的微计算机过程控制器—以一片单片微型计算机的最简构成或一个仅带有单CPU的微型计算机，同时实现一个通用的微计算机工业过程控制器和一个三相全控桥触发脉冲发生器。在控制多个工业对象的同时仍能良好地直接控制三相全控桥。网频的跟踪及触发脉冲的产生都是微计算机以中断响应的方式进行处理的。三相全控桥的输出电压与脉冲发生器的输入控制信号的函数关系可以依软件随意规定。

说明书

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本发明为一种带有三相可控硅整流桥（或称三相可控硅整流桥交流-直流交换器，以下均简称三相全控桥）触发脉冲发生控制器（以下均简称脉冲发生器）的单片微型计算机（以下均简称单片机）或微型计算机（以下均简称微机）工业过程控制器（以下均简称过程控制器）。本发明或简称为：一种带有三相全控桥脉冲发生器的单片机或微机过程控制器。它是属于单片机或微机在工业过程控制中应用的领域。在整个由单片机或微机所控制的系统内，数个被控对象中至少应有一个为三相全控桥，三相全控桥应该是以触发脉冲移动的方式来控制的（以下所称的三相全控桥均是指以这种方式控制的三相全控桥）因微计算机是仅以一片单片机或仅带有单个中心处理单元（即CPU）的微机所构成。所以本发明可适用于所有的包含有一个三相全控桥为被控对象的一片单片机或单CPU微机工业过程控制系统（以下不加说明的控制系统均指这样的控制系统）。例如1.使用三相全控桥为供电电源进行工业电解的多参数随动控制系统。2.使用中频感加热炉（以三相全控桥作为供电电源）进行有压烧结的温度、压力双参数随动控制系统。

三相全控桥工作原理简述：

附图1为三相全控桥的电路原理图，其中（A）、（B）、（C）分别代表三相工频电网的三条电源引进线。～380V表示线电压。1号～6号表示三相全控桥六条桥臂上的六个可控硅。L_d为电感滤波器。R_L为等效的直流负载电阻。U_d代表三相全控桥的输出电压。

附图2为三相电网各相相电压波形与三相全控桥中六个可控硅的触发脉冲之间的时序关系图。其中u表示电压或电平的幅度轴。ωt表示由角度轴，也表示时间轴。t表示时间轴。O表示 相相电压由负到正的过零时刻。A、B、C，三条曲线分别代表三相电网各相的相电压波形。α及θ表示电角度，π/6表示π/6个弧度的电角度，被标为1～6的脉冲波形表示1号～6号可控硅的触发脉冲。T以及带有下标或同时带有上标如下标的T（如T_θ、T^′_α、T_l/2等）均表示时间量。带有下标或同时带有下标和上标的t（如t₂、t₄₅、t₆₁等）均表示某一时刻，图2中所有这些符号的具体含意将在下文中陆续给予说明。

图1中的六个可控硅分为两组：1，3，5号为共阴极组。2，46号为共阳极组。在每一时刻两组中的可控硅都应各有一只导通，且不可能是同一相上的两只，这样才能通过负载R_L构成一个直流通路。图2中的t₁～t₆时刻称为三相电网各相电压之间的六个换相点。因三相电网各相A、B、C的相位差均为恒定的120°，所以t₁，t₂，t₃，t₄，t₅，t₆之间的电角度差应均为恒定的60°。t₁₂t₂₃，t₃₄，t₄₅，t₅₆，t₆₁分别为1～6号可控硅触发脉冲的发出时刻（脉冲前沿或称上升沿）。t′₁₂，t′₂₃，t′₃₄，t′₄₅，t′₅₆，t′₆₁分别为1号～6号可控硅触发脉冲的关闭时刻（即脉冲后沿或称下降沿）。三相全控桥正常工作时，在前一个电网周波（图2中的0点被定义为现在的电网周波的起点）的t₆₁（K-1）这里的K表示图2所示的电网周波为第K个，K-1则表示前一个电网周波，在以后的叙述中凡用括号括起来的K、K-1，或式K+1均表示这个括号前的符号所对应的电网周波）至现在电网周波的t₁₂之间5号与6号可控硅是同时开通的，在t₁₂至t₂₃、t₂₃至t₃₄、t₃₄至t₄₅、t₄₅至t₅₆、t₅₆至t₆₁之间1号与6号、1号与2号2号与3号、3号与4号、4号与5号、5号与6号可控硅应分别成对开通。在t₁₂时刻触发脉冲1的出现（脉冲1的前沿）使得1号可控硅开通，同时造成5号可控硅受反压而自然关断。在t₂₃时刻触发脉冲2的出现使得2号可控硅开通，同时造成6号可控硅受反压而自然关断。同理，在t₃₄、t₄₅、t₅₆、t₆₁时刻所发生的各可控硅的开通与关断现象均是与t₁₂及t₂₃时刻所发生的现象完全类似，只是开通或关断的可控硅不同而已。换相点t₁至t₁₂时刻相差的电角度α被称为1号可控硅的控制角。同样，t₂至t₂₃、t₃至t₃₄、t₄至t₄₅、t₅至t₅₆、t₆至t₆₁时刻相差的电角度分别为2号～6号可控硅的控制角，现将它们分别称作α₂、α₃、α₄、α₅、α₆（这五个电角度图2中并未标出）。为保证三相全控桥的直流输出电压U_d的波形平稳，三相全控桥由三相电网中各相所吸收的电流均匀，不至破坏电网的平衡，要求α₂～α₆应尽可能相等并且等于α。为保证共阴极及共阳极的两组可控硅在每一时刻都各有一只导通，且不能是同一相上的两只这一条件，则每个触发脉冲（1～6）的宽度都要保证在60°至120°电角度的范围之内（在本发明中将每个触发脉冲的宽度均设计成90°的电角度，已在图2中标出）为保证三相全控桥不进入失控状态，α（也同时表示α₂～α₆）的变化范围应在0°～90°电角度之间变化（这个范围的择定是因为三相全控桥的输出一般都串联一个电感滤波器，正如图1中所示的L_d，这样使得三相全控的总负载为一个感性负载。在非感性负载时α的变化范围是不一样的，在这种情况下，只要设计软件时改变一下α的变化范围即可满足要求）。在以上条件满足的前提下，控制α的大小即可达到控制三相全控桥输出电压U_d的目的。

以往的三相全控桥脉冲发生器大多由分立元件构成，少部分由集成电路芯片构成。为同时控制三相全控桥中的六个可控硅，必须使用六个单独的脉冲发生源来组成一个脉冲发生器。电路结构复杂，实现成本高，且性能价格比很低。而电路的繁杂性、元件的离散性又是导致脉冲发生器故障率高，故障排除困难的主要因素。况且元件的离散性也影响对于六个可控硅控制角一致性的调整工作，使之很难达到精确地满足。同时元件的老化速度不同也将逐渐导致六个可控硅控制角的不一致，由三相全控桥的原理可知，这不但降低了三相全控桥的输出质量而且必然破坏电网的平衡。这一缺点对于大功率的三相全控桥而言更是不希望的。

即使是极少数由微机所构成的脉冲发生器，也只是具有触发脉冲的发生功能。由于设计方法运用不当，没有更多地开发出微机本身所具有的潜力，同样存在着电路复杂，实现成本高，性能价格比低的缺点。此外，使用一台微机仅作为一个脉冲发生器将大大地降低了微机功能的利用率。由三相全控桥的工作原理可知：当六个可控硅触发脉冲均相差60°（即脉冲前沿的相位差为60°）电角度时，α₂～α₆相等且等于α。也同样由于设计方法运用不当，这类脉冲发生器不能够在一个电网周波内精确地平均分配六个脉冲。所以各可控硅的控制角不能够更精确的一致。故应用范围受到限制，实用价值很小。

历来的各类脉冲发生器还均存在着以下缺点：1.只能“一机单用”即只能用来发生控制三相全控桥的触发脉冲、除此之外并无其它用途。2.其硬件构成决定了它所控制的三相全控桥的输出电压U_d与脉冲发生器的输入控制量U_g的函数关系。3.对于电网频率的跟踪，相序的跟踪均采用检测不同相（至少两相）的相电压的极性变化的方法。这就要求一个单独的检测元件（一般为同步变压器）来进行跟踪。

另外，一般情况下，本发明所适用的这类控制系统都不是很复杂的并不需要用高级的计算机直接控制。大多采用单片机或微机。所以若使用以往的由分立元件或集成电路芯片所构成的脉冲发生器必须具备一个专用的接口电路才能与单片机或微机相联接。即便是在由高级计算机集中控制的集散控制系统中，三相全控桥仅作为其中的一个“散点”。这样的专用接口电路依就不可缺少。

为此，本发明采用：当单片机或微机正在进行与三相全控桥触发脉冲发生无关的操作时，通过中断响应的方法来实现触发脉冲的正确发生，以达到“一机多用”目的;只检测单相相电压波形信号的方法来实现电网频率及相序跟踪，以达到简化检测电路，提高脉冲发生器精度的目的;依电网周期被六或六的倍数整除的方法平均分配触发脉冲，以达到各可控硅控制角精确相等的目的;依前一个电网周波的周期平均分配现在电网周波内的各シ⒙龀宀⒓扑阆乱桓龅缤懿诘目煽毓杩刂平堑姆椒ɡ词迪值缤德始跋嘈虻淖远?依只控制一个时间延时量的方法同时利用了微机算机的计算功能从而实现了三相全控桥的输出电压与脉冲发生器的输入控制量之间的函数关系可以依软件任意规定;在一个电网周波内用一个定时器的反复工作并利用单片机或微机的六个I/O脚口来产生被精确分配的六路触发脉冲，用另一个定时器同时控制这六路触发脉冲相移的方法来实现高精度的触发脉冲发生器。由此设计出了一种能够根除以往三相全控桥脉冲发生器前述诸多缺点的带有三相全控桥脉冲发生器的微机算机过程控制器。

下面结合附图对本发明的方法及装置进行描述：

附图4为本发明装置的框图。本发明装置是由带有程序存储器的单片机或微机Z，单相相电压波形信号检测电路J，六路触发脉冲的放大驱动电路Q，模/数转换电路M这四部份组成。

本发明的装置描述如下：

在图4中，S表示数/模转换电路，它可以是不属于本发明的内容。虚线框内的部份，即包含Z、M及S的部份用G表示。若不考虑Q及J，则G就是一个通常的单片机或微机工业过程控制器。Gout及Gin分别代表G的模拟量输出及输入。Gout及Gin都可以是多路的，即表示多路的模拟量信号。Jin表示取自工频电网的相电压波形信号。Gout表示经J处理后的信号。Gin表示由I输出的六路弱脉冲信号，分别对应1号～6号可控硅。Gout表示六路被Q放大驱动后的Qin信号，也就是脉冲发生器的六路触发脉冲输出。点划线框内的部份。即包含Z、M、Q及J的部份用F表示。F就是本发明中的脉冲发生器。I/O表示Z的输入输出扩展端口。

历来的三相全控必须由一个类似于图4中的F来控制。在这一类似的F中，相当于Z的部份可以是单片机或微机，也可以是由分立元件或由集成电路芯片构成的电路。历来在本发明所适用的控制系统中，一个单独的G（不带有F的功能）是不可缺少的。所以在以往这样的系统中，必定需要两个相互独立的部份-一个类似于图4中的F及一个G。而且它们之间还需用一个接口电路加以联接。本发明的主要特征之一就是将这两个历来都是独立的部份结合为一体。这样做大大地简化了电路的结构，同时也提高了单片机或微机功能的利用率。另一方面，在本发明的实现中，Z和M完全可以仅用一片单机集成芯片实现（如采用MCS-96系列的单片机）。J部份可以用一个变压器及“阻容”滤波电路和一个信号整形电路来实现。Q可以用一片集成驱动芯片（如74LS06六反相集成电极开路驱动器）及由六个大功率晶体管（如六个3AD6晶体管）所构成的六路单极放大电路再加六个脉冲隔离变压器组成。对于不需要模拟量输出的系统，S可以省去。若需要一路模拟量输出，S可以由一片数/模转换集成芯片构成（如AD558数/模转换器）。M可以由一片模/数转换集成芯片构成（如ADC0809八路模/数转换器）。由此看来实现本发明的装置在电路结构上可以是非常简单的。

本发明的方法及装置的工作过程如下：

一、Jin信号本身就是三相电网中某一相的相电压波形信号，在以后的说明中均将这一相选为A相。

将Jin引入J.在J中，首先将Jin送入一个变压器的原边绕组，经变压器的偶合在该变压器的一个用来进行检测的付边绕组上得到一个与Jin完全同步的低电压信号。再将这一信号经滤波电路及整形电路处理后，变成一个滞后于Jin一个电角度的与Jin同频率的等间隔脉冲信号Jout。

若定义这个滞后的电角度为θ，则θ只是由J电路的设计参数而决定的（θ是因J的硬件结构及电路元件参数而产生的），J中的整形电路只是将一个正弦波信号变为一串脉冲信号Jout。θ的含意是：Jout的每一个脉冲前沿相对于正弦波信号Jin的每个周波中某一个“固定位置”。注意：Jout的每一个脉冲必须对应Jin的每一个周波。为方便地实现本发明，将这某一个“固定位置”选为A相相电压由负到正的过零时刻即图2中的O点，依照本发明的设计思想选择其它点也是完全可以的。这样θ就是Jout的脉冲前沿相对于A相相电压由负到正的过零时刻所滞后的电角度。θ已在图2中标出。

本发明装置中的J具有以下三个特点：1.由于Jin为A相相电压，并且送入了一个变压器的原边绕组。那么在变压器上就可以另外绕出一个（或几个）付边绕组作为本发明装置的供电电源。也就是说本发明装置的电源变压器同时兼作了电网频率及相序的检测元件。2.本发明对于电网频率及相序的跟踪方法采用了仅检测单相相电压波形的方式（检测A相）。仅需一个检测电路。这样就根除了采用分别检测六个换相点的方法（历来的由分立元件或集成电路芯片所构成的脉冲发生器均采用的方法）时因各检测电路元件的离散性所导致的α及α₂～α₆不能精确相等的缺点。3、J的电路构成后，θ即为一个恒定值。图2中标出了对应于θ的滞后时间T_θ，当电网频率波动时T_θ也随之变化。在本发明中θ可以被设计得很小，所以电网频率所引起的T_θ的变化是微乎其微的。况且因T_θ所引起的误差并不影响α与α₂～α₆的精确一致性。在以后的说明中可以看到这一点。J电路的前两个特点同时也表明了本发明与以往的脉冲发生器相比检测电路的结构变得更为简单了。

二、因为本发明装置中的Z是单片机或微机。所以所有电信号在Z中的处理工作均是单片机或微机按照本发明的设计方法通过软件实现的。这一点在以后的说明中不再重述。

将Jout送入Z的一个部外中断申请脚口，暂称该脚口为INTO当Jout的第K个脉冲前沿在INTO脚口出现时，这一时刻即为图2中所示的T^′₀时刻，Z收到了一个外部中断申请信号。Z将自动地立即中断（暂时停止）正在进行的任意操作（所谓正在进行的操作可以是任意的，如对控制系统中其它被控对象正在进行的控制计算，对键盘正在进行扫描或正在与高级计算机进行联系等）而转入TNTO脚口的中断响应状态。此时Z的工作步骤如下：

1.记录这一时刻T^′₀（K）。

2.用已经在第K-1次INTO脚口中断响度状态中计算好的T_α（K）（如图2所示，T_α为t^′₀至t₁₂的延时时间）来设定一个Z内部的定时器，暂称其为TCON1。

3用INTO脚口在第K-1次中断响应状态中已记录的t^′₀（K-1）

及t^′₀（K）计算现时电网频率下的电网周期T（如图2所示T正好对应于360°电角度）。

T（K-1）＝t^′₀（K）-t^′₀（K-1）>

4.根据T计算T_l为对应于60°电角度的延时时间。所以T_l可以由T得到：

T_l（K-1）＝T（K-1）/6>

T_l（K-1）/2＝T（K-1）/12>

5.计算INTO脚口在第K+1次中断响应状态中需要对定时器TCON1进行重新设定的T_α（K+1），其计算方法如下：

①假定要求三相全控桥的输出电压U_d与脉冲发生器的输入控制量U_g成下列函数关系（这一要求是根据本发明的不同应用场合而定的）：

U_d＝f（U_g）>

因为U_d与α的关系由下式决定：

U_d＝U_doCosα>

其中U_do为α＝0时U_d的值（当电网线电压为380伏时，U_do为514伏）。

②请再次参看图2，T^′_α为对应于α的延时时间，T^″_α为对应于>

T^″_α＝T_θ+T_α（6）

T^″_α＝T_l/2+T^′_α（7）

所以：

T^′_α＝T_α+T_θ-T_l/2>

又因为：

α＝2πT^′_α/T>

所以将（8）代入（9）得：

α＝ (2π)/(T) （T_α+T_θ-T_l/2）>

③将（10）代入（5）并整理后得：