专利名称:用于晶闸管变流器的微处理器频率自适应触发器的制作方法
本发明属于供电与配电的控制装置或系统，具体地说是对晶闸管变流器中的晶闸管进行移相控制的触发器。可用于晶闸管组成的三相桥式整流电路，反并联三相桥式整流逆变电路，双反星形整流电路，双组双反星形整流电路，以及交-交变频电路，交流电压调压电路等对晶闸管移相控制的场合。
在本发明作出之前，有人提出采用微处理器等大规模集成电路构成数字触发器，如美国IEEE杂志Trans·Ind·AppL·VoL.IA-19，NO.1，1983刊登的论文“用于三相全控桥的微处理机式控制装置”(AMicroprocessor-based Controllerfor A Threephase Controlled Rectifier Bridge)提出用M6802微处理器构成数字触发器。但该电路采用16位计算器记录电源的频率，因而造价高，又是采用相对式触发器方案，对给定的α角变化的响应时间较长，触发脉冲的对称性也不太好。
本发明就是针对上述方案的不足而进行的一种重新设计，目的在于提出一种使用廉价的Z80CPU与Z80CTC及其他集成电路组成的新型结构的数字触发器。由于采用8位计数器，所以造价低廉，所设计的软件数字锁相环(DPLL)对电网频率的变化进行跟踪，使触发脉冲的最大不对称度小于0.72°，性能和抗干扰能力好，采用绝对式触发方案，使触发器对给定的α角的变化响应更快。本发明具有更好的性能/价格比。
本发明的要点是采用Z80CPU和Z80CTC组成数字锁相环DPLL，对电网频率进行跟踪，以保证在电网频率允许的范围内，触发器输出的触发脉冲相间不对称度仍小于设计值。这样不会造成变流器输出电流的非特征谐波增加。
采用74LS374 8D锁存触发器作为输出触发脉冲的接口，具有数据双缓冲的功能，又用74LS123单稳电路将触发脉冲展宽到所需的要求，这样不仅节省集成电路元件，而且可以允许具有0.144°高的脉冲分辨率。
本发明的应用程序设计是将Z80CTC中的一个通道轮番设定为计数和定时两种工作方式，以配合完成DPLL的功能。所设计的软件滤波器也增加了触发器的抗干扰能力。
附图1是本发明的工作原理框图，其中1是单相同步变压器，2是电压过零比较器，3是光耦合隔离器，4是Z80CTC计数/定时器，5是Z80CPU，6.9是单稳态触发器，7、10是8D锁存锁发器，8、11是或门电路，12是A/D模数转换器，13是给定值拨码盘，14是EPROM。
附图2是本发明的电气原理图。
附图3是本发明应用程序的流程图。
现参照附图对本发明的工作原理及组成部分加以说明如下本发明用单相变压器101检测一相交流电源的相位，电阻301，302，电容器401，402组成两级RC滤波器并进行移相，集成电压比较器801与电阻303、304、305、306、307、308和二极管201组成一个灵敏的电压过零检测器。经光耦合器802与晶体管501与电阻309、310、311、312、313、电容器403，404组成隔离的单稳态触发器，将过零信号整形成脉冲形式，作为601可编程序计数器Z80CTC的CLK/TRG1的输入。
Z80CTC可编程序计数器601与Z80CPU602构成一个数字锁相环DPLL，由601的CTC1输出一个1.2倍于电网频率的同步信号，作为晶闸管变流器触发用的多相同步信号。
这里，用编程方法规定了CTC1有计数和定时两种工作方式，并且允许CTC1中断，这是整个应用程序中唯一的中断源，因而保证了数据处理的实时性。在初始化时先规定CTC1为计数工作，计数值设定为01H，允许中断，中断服务程序为C1PRAM。这样当加在CLK/TRG1上的单相同步脉冲到来时，CTC1立即请求中断，由于CTC1是唯一的中断源，因被CPU立即响应，执行CPRAM。我们可以认为CPU开始执行C1PAM的时刻即对应一个多相同步脉冲，也就是对应一个自然换相点，这样第1个自然换相点是由CTC1计数一次而得到的，这也对应于单相同步电源的过零点。在RAM中设置一个数单元记录电源状态S-这对于绝对式触发是必要的，此时S＝0。此后的11个自然换相点都由CTC1定时产生，定时时间T1＝ (T)/12 ，初值按T＝20mS设定。当S＝11时，C1PRAM中又将CTC1设为计数工作，等待单相同步脉冲，以便与电网频率同步。并且用FFH作为初始常数启动CTC3定时工作，用来记录S＝11区间的长度T2。在单相同步脉冲引起的下一次中断中，读取CTC3，可以计算出T2。这样，实际电网的周期T＝11T1+T2便可以测量出来。
由于T(n)＝11T1(n-1)+T2(n)，所以一步完成频率修正的递推公式为
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，对误差△T可以进行滤波处理，本发明中采用了中值滤波。另外可以看出本发明中DPLL对电网频率f来说，相位是强制锁定的，均为一步修正。而压控振荡器的输出Nf则是由△T滤波修正的。这种考虑主要出自对硬件和软件的节省，另外CTC1只在 (T)/12 内响应单相同步脉冲，因而也有较强的抗电网脉冲干扰的作用。
DPLL的功能由CTC1中断服务程序C1PRAM，子程序DPLL1，子程序DPLL2配合完成。DPLL1在C1PRAM中调用，DPLL2则在主程序中调中，以不增加其在C1PRAM占用的总时间。
CTC1定时工作时选用16分频，当时钟φ频率为2MHZ时，定时的分辨率为0.5μS×16＝8μS，即是0.144°电角度。
晶闸管变流器触发相位角α角的给定可以是模拟量，由A/D转换器12转换成数字量，也可以是数字量，通过I/O接口13直接给出。
Z80CPU从12或13读取给定的α角，在触发子程序TRGPAM中将α角在0°～180°范围内按30°分段，共分为6段，即α＝m·30°+α′，其中m＝0、1、2、3、4、5记作α状态，α′为α角在一个电源周期S内的定时角度。根据α状态m与电源状态S可以确定应触发的晶闸管对，即给出一个触发字，而α′对应的时间由Z80CTC定时，这里将一个电源周期分为12个电源状态S，而不是象通常那样分为6个电源状态，将α＝0°～180°分为6个α状态，而不是通常按60°分为3个α状态，可以解决Z80CTC8位字长与定时分辨率之间的矛盾，又由于α′是小于等于30°的，也可以只使用一个Z80CTC通道完成对一组的6个晶闸管的定时控制，并在整个α＝0°～180°范围内达到分辨率为0.144°的精度要求。
触发字输出到相应晶闸管上的过程分为两步第一步在C1PRAM中断服务程序的起始将其送往8D锁存触发器7或10，并且启动Z80CTC0或Z80CTC2定时α′角度对应的时间。第二步当Z80CTC0或Z80CTC2定时的α′角度相应时间到零时，由ZC0或ZC2端输出一个窄脉冲，再去驱动单稳触发器6或9，单稳触发器6或9输出具有满足晶闸管导通的宽度的脉冲，该脉冲加在8D锁存触发器7或10的输出控制端，这样在7或10的输出端707或710就产生触发脉冲，触发脉冲的宽度等于单稳触发器6或9输出脉冲的宽度。707，710上的触发脉冲通过隔离放大输出给相应的晶闸管门极。
本发明的应用程序存储在EPROM14中。实施上述触发方案时，也可以采用其他型号的可编程计数器替代4，采用其他型号CPU替代5，若采用内部带有ROM的单片微处理器，如1nteL公司的MCS-48系列中的8748，8749，8048，8049，则可以省去EPMOM14。
与已有技术相比，本发明采用了数字锁相环DPLL对电网频率跟踪，保证了各相触发脉冲之间的对称性，减少了晶闸管变流器因此产生的非特征谐波。由Z80CTC，Z80CPU与应用程序C1PRAM，DPLL1，DPLL2构成的DPLL使用的元件少，工作可靠。应用程序中将一个电源周期按30°分为12个电源状态S，将α角0°～180°按30°分为6个α状态，使每个电源状态内定时的角度α′小于等于30°，可以有效地保证触发脉冲的准确性与高的分辨率。触发脉冲的输出接口采用了8D锁存触发器，具有双缓冲功能，按本发明中应用程序的设计，可不须中断而输出触发脉冲，保证了在整个α角控制范围内达到0.144°电角度的触发脉冲分辨率。采用集成单稳态电路控制8D锁存触发器的输出，可以大量节省单稳态集成元件，降低造价与成本费。
权利要求
1.一种用于晶闸管变流器的微处理器频率自适应触发器，其特征在于有一个单相同步电压检测，隔离，变换通道，采用可编程计数器Z80CTC，Z80CPU与相应程序C1PRAM，DPLL1，DPLL2组成的数字锁相环(DPLL)对电网频率进行跟踪，有应用程序TRGPAM完成对应导通的晶闸管进行选择和对触发相位角α定时，有单稳态集成电路控制8D锁存触发器作为触发脉冲的输出通道。
2.根据权利要求
1所述的频率自适应触发器，其特征在于采用单相同步电路，由变压器101，电压比较器801，光耦合器802，三极管501及电阻，电容器，二极管等组合而成的单相同步电压检测，隔离，变换通道。
3.根据权利要求
1所述的频率自适应触发器，其特征在于采用了将4，即Z80CTC中的一个通道在C1PRAM中用编程的方法规定其计数/定时两种方式在一个电源周期(360°电角度)内交替选择使用，以配合DPLL的实现。
4.根据权利要求
1或3所述的频率自适应触发器，其特征在于将一个电源周期360°电角度按30°分为12个电源状态s＝0～11，用于产生多相同步信号的定时器定时的电角度为30°，并且将α在0°～180°范围内按α＝m·30°+α′分解，由α状态m与s状态确定应触发的晶闸管对，小于等于30°的α′作为每个电源状态s内由定时器定时的角度。
5.根据权利要求
1或3所述的频率自适应触发器，其特征在于采用了4，即Z80CTC中的第二个通道测量s＝11段的时间，以配合Z80CTC的第一个通道完成对电网频率的测量。
6.根据权利要求
1或3所述的频率自适应触发器，其特征在于采用了应用程序C1PRAM，DPLL1，DPLL2完成数字锁相环的功能。
7.根据权利要求
1或3所述的频率自适应触发器，其特征在于采用Z80CTC中的第3、第4通道，分别定时两组各6个晶闸管的触发相位角。
8.根据权利要求
1所述的频率自适应触发器，其特征在于触发脉冲的输出通道由单稳态电路6、9和8D锁存触发器7、10及门电路8，11组合而成的。送到晶闸管门极的触发脉冲是在从接口电路8D锁存器输出之前由单稳态电路6、9展宽的，而单稳态电路6、9的输入是由4，即Z80CTC的定时回零脉冲端控制的。
9.根据权利要求
1所述的频率自适应触发器，其特征在于触发脉冲的输出由应用程序控制，第一步送入8D锁存触发器7或10，第二步由4即Z80CTC定时α′角后直接控制单稳6。9再行输出，保证了触发脉冲的分辨率。
专利摘要
一种用于晶闸管变流器的微处理器频率自适应触发器，有单相变压器、电压比较器、光耦合器组成单相同步电压检测、隔离、变换通道，由可编程计数器、微处理器与应用程序组成数字锁相环跟踪频率变化，由单稳电路、锁存器、门电路组成触发脉冲输出通道。触发相位角由A/D转换器或数字拔码盘给出。本发明可用于晶闸管整流器、晶闸管交——交变频器和交流调压等进行相位控制。有0°～180°移相范围，0.144°触发脉冲分辨，小于0.7°相间不对称度。对电网频率或设定频率波动有适应控制能力。
文档编号H02M1/06GK86103705SQ86103705
公开日1987年12月9日 申请日期1986年5月31日
发明者钟彦儒, 梁汉滨 申请人:陕西机械学院, 邮电部武汉通信电源厂导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan