鎖相技術(shù)在三相交流調(diào)壓電源裝置中的應(yīng)用

劉開緒，鄒立君，郭宗光

(大慶師范學(xué)院 物理與電氣信息工程學(xué)院, 黑龍江 大慶 163712)

0 引言

三相交流調(diào)壓裝置在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和工藝的進(jìn)步，基于智能芯片的調(diào)壓裝置不斷被研發(fā)出來。

晶閘管交流調(diào)壓電源裝置要解決的技術(shù)關(guān)鍵是同步觸發(fā)和移相控制，交流調(diào)壓電源裝置還兼做無觸點開關(guān)使用，在故障時封鎖調(diào)壓電源裝置的觸發(fā)脈沖輸出，從而使人身安全和設(shè)備安全得到保證。為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)工作環(huán)境的需要,設(shè)計了一種具有強抗干擾能力的晶閘管調(diào)壓器。調(diào)壓器采用新型的系統(tǒng)級芯片SoC類型單片機C8051F360作為主控芯片,該單片機片內(nèi)資源非常豐富,再配以復(fù)雜可編程邏輯芯片EPM7032等組成數(shù)字觸發(fā)控制裝置。該設(shè)計具有系統(tǒng)簡潔,具有軟硬件協(xié)同加密的特點。

1 鎖相環(huán)工作原理

CMOS鎖相環(huán)由3個基本單元構(gòu)成：相位比較器，電壓控制振蕩器和低通濾波器[1，3-4]。集成電路CC4046鎖相環(huán)包含了相位比較器和電壓控制振蕩器兩個單元，使用時外接低通濾波器可構(gòu)成完整的鎖相環(huán)，即PLL系統(tǒng)。CC4046的管腳排列如圖1所示,PLL功能框圖如圖2所示。電路中COMPIN、SIGIN為相位比較器輸入端；Qcomp-I、Qcomp-II相位比較器輸出端；VCOIN為壓控振蕩器輸入端；Qvco為壓控振蕩器輸出端；INH為禁止端，當(dāng)INH為“1”電平時，禁止Qvco輸出；DZ為內(nèi)部提供的穩(wěn)壓管的負(fù)極；Cl(⑥腳和⑦腳)為壓控振蕩器外接振蕩電容端；Rl、R2(11腳和12腳)端則為壓控振蕩器外接電阻端。

圖1 CC4046引腳圖 圖2 壓控振蕩器電路

CC4046的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。其相位比較器信號輸入端(SIGIN)可以直接輸入CMOS邏輯電平(“O"≤(VDD-VSS)30%，“l(fā)”≥(VDD-VSS)70%)。對于較小幅度的輸入信號，則必須經(jīng)電容耦合輸入。

相位比較器I是一個異或門，為了使鎖定范圍最大，信號輸入端(SIGIN)和比較器輸入端(COMPIN)的輸入信號必須是5O%占空比。當(dāng)無信號或噪聲信號輸入時，異或門輸出平均電壓等于VDD/2，經(jīng)低通濾波器(R3和C2)后送到VCOIN端(見CC4046邏輯圖)，使VCO在中心頻率(f0)上起振。

鎖相環(huán)由起始的失鎖狀態(tài)到最終的鎖定狀態(tài)所允許的輸入信號頻率范圍定義為頻率捕捉范圍(2fC)；鎖相環(huán)始終處于鎖定狀態(tài)所允許的輸入信號頻率范圍定義為頻率鎖定范圍(2fL)，fC≤fL。

圖3 CC4046內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路

相位比較器I的特點：一是能鎖定接近VCO中心頻率的諧波的輸入頻率；二是兩個輸入信號的相位差在0°～180°之間，在中心頻率處相位差為90°。圖4示出相位比較器I的這種相位和輸出電壓的特性及鎖定在中心頻率時相位比較器I的輸出波形。

(a) 輸出電壓特性 (b)相位比較器(在中心頻率時的輸出波形)圖4相位比較器I輸出特性和波形圖

相位比較器II是一個邊沿控制的數(shù)據(jù)存儲網(wǎng)絡(luò)，它由4個觸發(fā)器、控制門和三態(tài)輸出電路組成。由于輸入信號僅在上升沿時起作用，所以對輸入信號占空比無限制。當(dāng)SIGIN端輸入頻率高于COMPIN端輸入頻率時，低通濾波器輸出電壓上升；反之，當(dāng)COMPIN端輸入頻率較高時，濾波器輸出電壓下降；當(dāng)兩個輸入信號的頻率和相位都相等時，輸出端為高阻狀態(tài)，濾波器輸出電壓保持不變，同時QP輸出為“1”，表示處于鎖定狀態(tài)。若無外信號輸入時，比較器II使VCO處予最低振蕩頻率[2]。圖5示出相位比較器II的輸出波形。

圖5 相位比較器II輸出波形圖

2 鎖相環(huán)產(chǎn)生同步脈沖信號

圖6給出了鑒相電路原理框圖。

圖6 鑒相電路原理圖

整形電路把18 V同步、交流電壓信號V1變成方波V2，鑒相器為90°鑒相，其實是一個異或門電路，當(dāng)輸入信號V2和V3電平相同時其輸出V4為低，當(dāng)V2與V3電平不同時其輸出為高。鑒相后得到100 Hz的方波電壓，其高電平，寬度與V2、V3相位有關(guān)，V4經(jīng)過低通濾波后變成波形平直的直流電壓(含有一定的紋波)V5，V5即作為壓控振蕩器的控制電壓，壓控振蕩器的輸出f0為一系列高頻脈沖，其頻率與控制電壓V5成正比，分頻電路把f0變成大約50 Hz的方波電壓V3送給鑒相器。此電路又稱為鎖相倍頻脈沖發(fā)生器，目的是為單片機提供上述的基本數(shù)字控制脈沖，其鎖相同步原理可表述如下：設(shè)f0的頻率為系統(tǒng)電網(wǎng)頻率的n倍，經(jīng)n分頻器除n后得到和系統(tǒng)頻率相同的方波電壓V3，V3與系統(tǒng)電壓經(jīng)整形后的方波V2一起送入鑒相器，調(diào)節(jié)壓控振蕩器的阻容參數(shù)，可以調(diào)節(jié)V3恰好滯后V2為90°，這時處于良好的鎖定狀態(tài)，波形如圖7所示。f0正好是電網(wǎng)頻率的n倍，假如電網(wǎng)的頻率上升(f增加)即V2周期減小，由鑒相器輸出波形分析可知V4的高電平寬度增加，從而引起低通濾波后的直流控制電壓V5上升，結(jié)果壓控振蕩器的頻率f0也將增加，f0仍增大到等于系統(tǒng)頻率的n倍為止，反之，假設(shè)電網(wǎng)頻率下降，則V2周期加長，波形V4的高電平寬度將變窄，從而引起V5降低，f0也減小，仍然等于系統(tǒng)電網(wǎng)頻率的n倍，這樣f0始終與系統(tǒng)電網(wǎng)保持固定的倍頻關(guān)系，故又稱鎖相倍頻脈沖發(fā)生器。若選擇分頻器的分頻數(shù)n=720，則f0的每個脈沖周期恰好等于電角度0.5度，在對可控硅進(jìn)行相位控制時，即以此脈沖做為計量延遲觸發(fā)角的計數(shù)脈沖，可以實現(xiàn)比模擬式觸發(fā)更精確的數(shù)字控制。本裝置為了適應(yīng)二進(jìn)制計數(shù)，選n=768，這樣可控硅的觸發(fā)角精度可以控制在0.5度電角度以內(nèi)。

圖7 鑒相電路對應(yīng)點波形圖

3 單片機控制三相交流調(diào)壓系統(tǒng)

單片機控制系統(tǒng)以C8051F360單片機作為主控制器，C8051F360無需外接程序存貯器，它內(nèi)含32 KB Flash程序存儲器、1 KB的RAM，17個I/O口、16通道10bit的ADC、1通道10 bit的DAC及溫度檢測等功能部件。從調(diào)節(jié)器來的模擬控制量直接送入到C8051F360的ADC轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字量直接在單片機中處理，大大簡化了電路，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了成本[5]。圖8給出了單片機控制三相交流調(diào)壓電源裝置系統(tǒng)圖。

圖8單片機控制三相交流調(diào)壓系統(tǒng)圖

4 結(jié)語

采用單片機作為核心控制元件，利用鎖相環(huán)技術(shù)設(shè)計的晶閘管調(diào)壓電源裝置具有如下特點：

1)具有可靠性高，抗干擾能力強；

2)具有調(diào)壓特性好，可以連續(xù)、平滑調(diào)節(jié)，并且可實現(xiàn)軟啟動功能；

3)能實現(xiàn)在0.5度電角度內(nèi)實施控制，調(diào)節(jié)精度高，輸出電壓穩(wěn)定；

4)安裝簡單，調(diào)試方便，維護(hù)工作量小。

該晶閘管調(diào)壓電源裝置產(chǎn)品幾經(jīng)換代，換代產(chǎn)品在多年的使用中，證實了其具有非常優(yōu)越的性能指標(biāo)。

[參考文獻(xiàn)]

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