1 引言
隨著大功率電力電子器件的發展，以晶閘管等電力電子器件構成的l勵磁系統得到了廣泛的應用。特別是三相全控整流橋，可以利用其逆變工作狀態迅速滅磁，甚至可以取消滅磁開關，在勵磁調節系統中更是得到廣泛的應用[1]。三相橋式全控整流電路的6只整流元件全部采用晶閘管，共陰極組的元件在各自電源電壓的正半周導通，共陽極組的元件在其電源電壓為負半周時導通，均靠觸發換流，且控制角α必須相同。為使全控橋能正常工作，形成電流通路，必須使共陰極組和共陽極組的元件在任一瞬間各有一只處于導通狀態（在換流期間則有三只元件導通，其中兩只處于換流狀態）。一般情況下采用雙窄脈沖觸發，即在一個周期內對每一只晶閘管需要連續觸發兩次，以保證可靠觸發。用模擬電子電路控制的晶閘管觸發電路體積大，調試困難，排障也比較困難，已被淘汰。本文用lpc2132嵌入式處理器和可編程邏輯器件epm570t100c5自行設計研制了一套數字移相觸發系統。同時將數字相位跟蹤技術和過零觸發引入觸發脈沖的生成中，提高了觸發脈沖的穩定性、可靠性和精度，可實現高分辨率的數字觸發。此外還可以用軟件編程的方法得到觸發角可調的觸發脈沖。
2 系統的組成及工作原理
圖1 三相全控橋數字觸發系統原理結構
系統原理結構如圖1所示。主電路是典型的三相全控橋整流電路后接負載。控制電路由嵌入式處理器lpc2132和可編程邏輯器件（cpld）epm570t100c5及其外圍電路組成。三相電源信號經同步變壓器和采集電路后送過零比較器，過零比較電路輸出與電源信號同步的方波信號給cpld，利用maxⅱ系列cpld實現脈沖同步跟蹤、脈沖處理及雙窄脈沖形成。觸發角根據lpc2132采集到的電壓和電流傳感器中的數據自動調節，輸出的觸發脈沖經過整形、驅動隔離輸出后控制主電路中的6只晶閘管v1～v6的門極。為了提高系統的穩定性，采用雙微機系統進行熱備份。
2.1 用過零比較器實現同步信號
為按照一定的順序觸發晶閘管，該觸發器設置有三相同步信號（加上各自反相共六相）。三相交流電源經同步變壓器和同步采集后分別加到三個過零比較器， 分別產生與電源信號同步的50hz方波信號。為保證當α=0°時在自然換相點觸發，同步信號必須滯后交流電壓波形30°。在電路中，各相的同步信號分別為各相的線電壓產生的方波信號移相30°得到。
2.2 數字相位跟蹤觸發電路
由于電網負載的變化,外部電源頻率會經常出現不等于50hz的情況，為準確產生移相,并使三相移相角相一致,本系統在epm570內部構造了數字相位跟蹤觸發電路，實時測量電源電壓的頻率,電路結構如圖2。同步信號過零比較后經整形去毛刺，二分頻后作為32位高速計數器的門控信號，用100mhz的時鐘對其高電平進行計數。假設計數值為m，則電源信號頻率為
hz，則每一度相位對應的時鐘脈沖個數為
，30°自然換相對應的寄存器值為
，移相角α對應的延時寄存器值為
。數字相位跟蹤觸發系統設計示意圖如圖3所示，橫坐標為時間，縱坐標為電壓的幅值。同步采集信號整形后由脈沖變換電路變換為脈寬為18°的脈沖，將此脈沖移相30°得到自然換相點觸發脈沖，再移相α°得到移相控制所需的脈沖。
圖2 數字相位跟蹤觸發系統結構
圖3 數字相位跟蹤觸發系統設計示意圖
2.3 可編程計數器構成數字移相觸發
數字移相就是把移相角折算成對應的計數脈個數， 移相的數字實現即為硬件計數器延時，硬件計數器采用在cpld中構造6個20位的可編程計數器，共完成6 路同步信號及6路脈沖輸出。可編程計數器的數據由lpc2132通過數據總線寫入,控制脈沖延時時間,此電路實現觸發器具有準確的α角控制,分辨率可達0.00036°,觸發脈沖對稱性好，輸出電壓波形無需硬件調整，且波形整齊。可編程計數器移相觸發電路如圖4所示。圖5為α=30°時數字移相觸發電路在quartusⅱ中仿真波形。clk為100mhz晶振，uouta為50hz電源方波信號。
圖4 可編程計數器的移相觸發電路
圖5 α=30°觸發脈沖仿真波形
3 數字移相觸發電路的軟件設計
3.1 晶閘管觸發角的求取[2]
cpu從輸入端檢測到控制電壓uc，再根據uc計算出晶閘管觸發角α。大于余弦觸發器，觸發角和控制電壓成余弦函數關系，可以表示為：
y=k×uc=cosα
式中:k為比例因子。 于是有:
α=arccos(k×uc)
在該移相觸發電路軟件中，采用三階臺勞展開的擬合方法求取反余弦函數。對于函數f(x)=arccos(x)在x=x0處展開為:
因此得到
的近似計算公式:
可見:由控制電壓uc求觸發角α只須做n次乘法運算即可，占用cpu時間較少。另外，對于余弦函數，在45°<α<90°范圍內線性較好，0°<α<45°范圍內線性度較差,所以,所有擬合運算都應在[45°，90°]范圍進行，即在控制電壓標么值uc=0.707～0之間運算，如果uc>0.707，則根據
做n次迭代運算，直至uc<0.707，此時的uc=cos2nα，則按上述算法對迭代后的uc做反余弦擬合運算，將運算結果除以2n，即為欲求的α。實踐證明，運用上述的反余弦擬合運算，求取的控制角α的誤差很小。
4 結束語
對于晶閘管自動調節器輸出電流要求精度較高的裝置，應用模擬電路來完成是很難達到其要求的，造成了使用上的種種限制。本系統采用arm加cpld，將數字相位跟蹤技術和過零觸發引入觸發脈沖的生成中，提高了觸發脈沖的穩定性、可靠性和精度,可實現高分辨率的數字觸發,經調試使用,六相脈沖一致性好,輸出平穩無擾動。適當更改軟件,就可使本系統適合于任何方式的晶閘管控制的調節器,如:電機的無極調速器等等。
：鞏經理
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