專利名稱：可控硅中頻逆變橋微計算機控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種用來控制可控硅直流-交流中頻變換器的微計算機觸發(fā)脈沖發(fā)生控制器，屬直流-交流轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域。它所使用的微計算機是單片微型計算機(以下簡稱單片機)。它所控制的可控硅直流-交流變換器(以下簡稱逆變橋)的形式是a單相橋式;b、LC并聯(lián)諧振式負載;c、工作于中頻頻率范圍。例如可用本發(fā)明來控制可控硅中頻電源中的逆變橋。
LC并聯(lián)諧振式負載的可控硅逆變橋工作原理簡述附

圖1左部為其工作原理圖，其中G1～G4分別代表逆變橋各橋臂上的四個可控硅，L1～L4分別為各橋臂上的四個限流電感，L為負載回路中的電感，C為負載回路中的電容，Ua表示逆變橋的直流輸入電壓，A為直流電壓正端，B為直流電壓負端，UH表示逆變橋的中頻輸出電壓，a、b兩端為正弘波。
G1、G3號可控硅是同時開通或并斷的;G2、G4號可控硅也是同時開通或關(guān)斷的。它們的開通時刻分別由兩路觸發(fā)脈沖所控制，其間隔為π/2電角度。LC并聯(lián)負載的固有角頻率為W0，以W0的角頻率輪流開通G1、G3和G2、G4號可控硅，LC負載上將被不斷地經(jīng)逆變橋的直流輸入端補充能量，并依W0的固有角頻率振蕩下去，從而在a、b兩端得到正弘波的中頻電壓UH。
附圖2為中頻電壓UH的波形與兩路可控硅觸發(fā)脈沖之間的時序關(guān)系圖。其中U1·2為G1、G3可控硅的觸發(fā)脈沖，U2·4為G2、G4可控硅的觸發(fā)脈沖，UH為中頻電壓波形。W0即表示時間軸，也表示電角度軸。K＝1·2……N-1、N……，表示圖中所示的為第K個中頻周波，它的起始時刻定義為UH波形由負到正的過零點t0(K)，它的結(jié)束時刻也是第K+1個周波的起始時刻，被定義為t0(K+1)，t1(K)為G1、G3，可控硅的開通時刻，即這一路可控硅觸發(fā)脈沖的前沿，t1(K)為該路觸發(fā)脈沖的后沿時刻。T+(K)表示第K個中頻周波正半波的周期值。T-(K)表示第K個周波負半波的周期值。T(K)表示t0(K)至t0(K+1)的第K個周波的周期值。T1(K)表示t0(K)至t1(K)的延時時間量。T0(K)為一個時間量，即t1(K)至t1(K)的延時時間量，也即t2(K)至t2(K)的延時時間量。T2(K)為G1、G3可控硅開通時超前于UH波形過零點的時間量。T5(K)為G2、G4可控硅開通時超前于UH波形過零點的時間量。
逆變橋正常工作時，兩路觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的時序與圖2所示相同，當(dāng)T2(K)精確地等于T5(K)時，UH為完整的正弘波形，可定義為Tα(K)＝T2(K)＝T5(K)。
歷來的逆變橋控制器均是由分立元件或集成電路芯片構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件離散性大。而電路的繁雜性及元件的離散性不僅是導(dǎo)致其故障率高、故障排除困難的主要因素，同時也使得電路調(diào)試困難，制造成本高。一般來說，用分立元件或集成電路芯片構(gòu)成的控制電路是很難使T2(K)、T5(K)達到精確地相等。另外，觸發(fā)脈沖的寬度T0(K)及Tα(K)由硬件電路的設(shè)計參數(shù)而決定，一般Tα(K)是不可調(diào)的，即使可調(diào)，也是用硬件電路來實現(xiàn)分級調(diào)節(jié)。當(dāng)逆變橋負載較重時，為保證其啟動后正常工作時有較高的功率因數(shù)，常因為Tα(K)的不可調(diào)性或Tα(K)的分級調(diào)節(jié)所引起的沖擊而導(dǎo)致逆變橋啟動的失敗。又因為歷來的逆變橋控制器均不具備軟件及硬件開發(fā)的能力，所以它們都不可能實現(xiàn)逆變橋功率因數(shù)的數(shù)字調(diào)整控制或與外部設(shè)備實現(xiàn)數(shù)字聯(lián)絡(luò)。
為此，本發(fā)明設(shè)計了一種可控硅中頻逆變橋微計算機控制器，它以單片機作為中心控制單元，它通過采用檢測中頻電壓波形的過零點的方法跟蹤中頻頻率，根據(jù)實時的頻率跟蹤信號，用設(shè)置單片機內(nèi)部的計數(shù)器或定時器的方法來準確地產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，并根據(jù)外部輸入的數(shù)字信號或內(nèi)部的自動調(diào)節(jié)計算來實時地調(diào)整計數(shù)器或定時器設(shè)定值的方法實現(xiàn)功率因數(shù)的數(shù)字控制。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1右部實線框為采用MCS-48系列的任一種單片機(簡稱方法一)或采用MCS-51系列的任一種單片機(簡稱方法二)所共有，當(dāng)采用MCS-48系列的8048、8049、8748和8749單片機時，要接虛線框4，如采用該系列的8035或8039單片機時，則還需接虛線框10、11;當(dāng)采用MCS-51系列的8031單片機時要接虛線框10、11，采用該系列的8051或8751單片機時則不用接虛線框10、11。
本發(fā)明的可控硅中頻逆變橋微計算機控制器由下列元件組成中頻電壓同步信號檢測元件1，中頻電壓信號處理2，隔離取樣電路3，選擇開關(guān)5，單片機6，1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7，2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路8，5＃脈沖放大驅(qū)動電路9組成。當(dāng)單片機6為MCS-48系列的8048、8049、8748和8749單片機時，則控制器還包括分頻器4，如為該系列的8035或8039單片機時，則還需包括地址鎖存器10和程序存貯器11。當(dāng)單片機6為MCS-51系列的8031單片機時，該控制器要包括地址鎖存器10和程序存貯器11，使用該系列的8051或8751單片機時則不需包括地址鎖存器10和程序存貯器11。
本發(fā)明的可控硅中頻逆變橋微計算機控制器的工作過程如下中頻電壓同步信號檢測元件1將逆變橋a、b兩端的中頻信號按比例取進來，經(jīng)中頻信號處理2將大范圍變化的中頻變動信號處理為幅值一定的與中頻信號周期相同的梯形波，該梯形波經(jīng)隔離取樣電路3后獲得一個單片機6可接受的與中頻電壓信號周期相同(即同步信號)的矩形波，該矩形波送入單片機6。
單片機6經(jīng)選擇開關(guān)5確定工作方式，即自激啟動、他激啟動、自測他激啟動和兩路脈沖檢查(在下面具體實施例中加以說明)。
單片機6依據(jù)中頻電壓信號的周期確定可控硅觸發(fā)脈沖位置。在中頻電壓信號為正半波時，通過輸出端口發(fā)脈沖給1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7;在中頻電壓信號為負半波時，通過輸出端口發(fā)脈沖給2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路8;在自激啟動時通過輸出端口發(fā)一個脈沖給5＃脈沖放大驅(qū)動電路9。
單片機6在他激啟動時依已檢測的中頻電壓信號計算出現(xiàn)進行時的T1(K)或T4(K)值，并將此值與單片機6所給定的T1(K)或T4(K)值進行比較，并逐步由T1(K)或T4(K)向T1(K)或T4(K)過渡，最終固定在T1(K)或T4(K)值，完成啟動過程。在自激啟動時，單片機6的T1(K)或T4(K)及T1(K)或T4(K)為固定值，自激啟動后T1(K)或T4(K)逐步向T1(K)或T4(K)過渡，最終固定在T1(K)或T4(K)值，完成啟動過程。(其詳細工作過程在下面詳述)單片機6在工作中逐周檢測中頻電壓信號，隨時調(diào)整所發(fā)的脈沖位置，從而保證了逆變橋在恒定的功率因數(shù)下工作。
下面結(jié)合本發(fā)明的電路圖，對本發(fā)明的控制器的各元件的組成及工作原理作進一步詳細的描述，因MCS-48系列及MCS-51系列中本系列的單片機的管腳均相同，因而MCS-48系列以8748單片機為例，MCS-51系列以8031單片機為例加以描述圖3為單片機6采用MCS-48系列的8748單片機時的具體線路圖。
圖4為單片機6采用MCS-51系列的8031單片機時的具體線路圖。
圖3、4中除因采用不同的單片機時需配以不同的必要元件外，其余各元件即中頻同步信號檢測元件1，中頻信號處理2，隔離取樣電路3，選擇開關(guān)5，1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7，2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路8，5＃脈沖放大驅(qū)動電路9的組成及工作過程均相同，下面分別加以敘述。
中頻電壓信號檢測元件1即YH變壓器，次級為與初級同相位、周期相等的正弦波。中頻信號處理電路2由二極管D1、D2，穩(wěn)壓管DW，電阻R1、R2組成。當(dāng)中頻電壓信號檢測元件1中的YH次級正弦波信號送入中頻信號處理電路2中的D1正端時，經(jīng)D1整流后波形為正半波，并送入由R1及與信號并接的DW做限幅處理，其幅值取決于DW的穩(wěn)壓值，R1為DW的限壓電阻，在DW上的波形為正梯形波。此梯形波經(jīng)串接的R2限流后送入隔離取樣電路3的輸入端，D2起反壓保護作用。隔離取樣電路3由電容器C1、電阻R3和光電耦合器BG4組成，R3為BG4的負載，C1與BG4輸入端并接起抗干擾作用，當(dāng)有信號送入其輸入端后，輸出端立即有電流通過R3將中頻信號處理2的梯形波變換成單片機6可接受的矩形波。該矩形波做為同步信號送入單片機(由D1、BG4管壓降產(chǎn)生的誤差由單片機6進行修正)。單片機6經(jīng)選擇開關(guān)5確定其工作方式(確定工作方法在下面具體實施例中說明)。選擇開關(guān)5由開關(guān)組成，可供單片機6進行下述選擇他激啟動、自激啟動、自測他激啟動及兩路脈沖各自檢查用。單片機6，在圖3中為MCS-48系列的8748單片機，它通過檢測輸入端口T0腳的信號周期而確定發(fā)脈沖的時刻，并通過分頻器4而確定其內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)周期，分頻器4的輸入信號來自單片機8748的AE腳，輸出送到單片機的T1腳，供單片機的內(nèi)部計數(shù)做計數(shù)脈沖用，然后通過工作選擇開關(guān)5確定當(dāng)前執(zhí)行的工作狀態(tài)，并將脈沖分別送到功放電路7、8或9去。在圖4中，單片機6為MCS-51系列的8031單片機，它通過檢測輸入端口INT0腳信號周期而確定發(fā)脈沖時刻，通過工作選擇開關(guān)5而確定當(dāng)前執(zhí)行的工作狀態(tài)，并將脈沖分別送到功放電路7、8或9去，(地址鎖存器10和程序存貯器11的用法及與單片機8031的接法為通用用法及接法故略)。
1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7由電阻R10、R11、R12、R13，二極管D10，電容C10，正向驅(qū)動器A1(A1為7407的一路)，達林頓管BG1和脈沖變壓器BL1、BL2組成。A1的輸入端與單片機6的輸出端口P10相接，其輸出端經(jīng)R11接BG1的基極，并有電阻R10與正24伏相接，BG1為共發(fā)射極接法，其發(fā)射極接有負反饋電阻R12，集電極接脈沖變壓器BL1、BL3初級的正端，BL1、BL3初級的負端接地，D10與C10串接后與BL1、BL3初級并接起反向保護作用，R13與BL1、BL3初級并接起一定的反向電壓吸收及作假負載作用。其工作原理是當(dāng)有脈沖信號時，A1的輸入端為低電平，其輸出端也為低電平，所以BG1的基極為低電平，則BG1開通，有電流流入BL1、BL3的初級;當(dāng)無脈沖時A1的輸入端為高電平，其輸出端也為高電平，所以BG1的基極為高電平，則BG1截止，無電流流入BL1、BL3的初級，BL1、BL3起隔離作用。
2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路8由電阻R20、R21、R22、R23，二極管D20，電容C20，正向驅(qū)動器A2(A2為7407的一路)達林頓管BG2和脈沖變壓器BL2、BL4組成。其工作原理與1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7相同，A2的輸入端與單片機6的輸出端口P11相接。
5＃脈沖放大驅(qū)動電路9由電阻R30、R31、R32、R33、二極管D30、電容C30、正向驅(qū)動器A3(A3為7407的一路)、達林頓管BG3和脈沖變壓器BL5組成。其輸出除具有一個脈沖變壓器外，其工作原理與脈沖放大驅(qū)動電路7、8相同，A3的輸入端與單片機6的輸出端口P12相接。
當(dāng)采用MCS-48系列的單片機時，需將隔離取樣電路3發(fā)出的矩形波輸入到8748單片機的輸入端口T0腳;如采用MCS-51系列的單片機時，將隔離取樣電路3發(fā)出的矩形波輸入到8031單片機的輸入端口INT腳;并將單片機輸出的脈沖按規(guī)定輸給脈沖放大驅(qū)動電路7、8、9的正向驅(qū)動器的輸入端即可實現(xiàn)本發(fā)明的控制器的功能。
本發(fā)明的控制器的單片機6的工作方式由選擇開關(guān)5可確定為他激啟動、自激啟動、自測他激啟動及兩路脈沖檢查工作方式，其工作過程為他激啟動時，依選擇開關(guān)5選定的頻率由單片機6的P10、P11腳發(fā)脈沖給相應(yīng)的脈沖放大驅(qū)動電路使逆變橋處于強迫振蕩，單片機依所接收的中頻電壓同步信號及通過用跟蹤、調(diào)整所發(fā)脈沖超前中頻電壓過零點的時刻，并最終運行在高功率因數(shù)值(已存入單片機的程序存貯器中)的狀態(tài)下。自激啟動時單片機的P12腳先發(fā)一個脈沖用于檢測逆變橋負載諧振頻率，而后依所測的諧振頻率作同步信號，由單片機的P10、P11腳發(fā)脈沖給相應(yīng)的脈沖放大驅(qū)動電路使逆變橋由低功率因數(shù)(已存入單片機的程序存貯器中)開始啟動，并最終運行在高功率因數(shù)值(已存入單片機的程序存貯器中)。自測他激啟動時，單片機的P12腳先發(fā)一個脈沖，用于檢測逆變橋負載諧振頻率，而后由測出的頻率由單片機的P10、P11腳發(fā)脈沖給相應(yīng)的脈沖放大驅(qū)動電路，使逆變橋處于強迫振蕩，單片機依接收的中頻電壓同步信號通過跟蹤、調(diào)整所發(fā)脈沖超前中頻電壓過零點的時刻，并最終運行在高功率因數(shù)值(已存入單片機的程序存貯器中)的狀態(tài)下。檢查1＃、3＃脈沖時，由單片機的P10腳發(fā)一定的頻率輸出脈沖供檢查用;檢查2＃、4＃脈沖時，由單片機的P11腳發(fā)一定的頻率輸出脈沖供檢查用。
另外，當(dāng)采用MCS-48系列的單片機時，同步信號檢測由T1口檢測，采用半周波跟蹤。采用MCS-51系列單片機時，同步信號檢測由INT口用中斷方式檢測、采用整周期跟蹤。
下面根據(jù)本發(fā)明的控制器在KGPS-100-1型可控硅中頻電源上的具體應(yīng)用的實施例，并通過采用不同的單片機，對本發(fā)明的整個工作過程進行詳細描述本發(fā)明的可控硅中頻逆變橋微計算機控制器根據(jù)作用可分成信號處理、單片機系統(tǒng)和脈沖放大驅(qū)動電路3個部分，下面分別加以描述。
一、信號處理信號處理由中頻電壓同步信號檢測元件1、中頻信號處理2、隔離取樣電路3組成。
中頻電壓信號UH經(jīng)中頻電壓同步檢測元件1(即YH)將逆變橋a、b兩端的中頻電壓信號按比例進來，經(jīng)中頻信號處理2中的D1半波整流后給DW穩(wěn)壓限幅，此時在DW上得到一個與中頻信號周期相等的脈沖梯形波，并且這個梯形波對應(yīng)于中頻信號的正半波，R1為DW的限壓電阻，R2為隔離取樣電路3的限流電阻。這樣，通過中頻信號處理2使中頻電壓信號由大范圍變化(5～100伏)變?yōu)榉狄欢ú⑴c中頻電壓信號周期相等的梯形波。
這個梯形波經(jīng)限流電阻R2送入隔離取樣電路3。隔離取樣電路3的光電耦合器BG4有效地將中頻電壓信號與單片機6在信號傳遞上進行了隔離，從而提高了抗干擾能力，C1為濾波電容，電阻R3上產(chǎn)生的壓降做為單片機6的中頻電壓同步信號，波形為矩形波，其相位、周期與中頻電壓信號相同，正負半波所對應(yīng)的矩形波基本相等(由于D1、BG4管壓降而引起的誤差由單片機6內(nèi)加以修正)。該矩形波做為同步信號送入單片機6。
二、單片機系統(tǒng)本發(fā)明的可控硅中頻逆變橋微機控制器所使用的單片機可以是MCS-48系列的單片機，也可以是MCS-51系列的單片機。下面對這兩種方法分別加以說明。
(一)、方法一(即MCS-48系列單片機，如前所述，該系列的單片機的管腳相同，以8748單片機為例進行說明)由8748單片機、分頻器4和選擇開關(guān)5組成，分頻器4(7492)的輸入端接單片機的ALE端口，其輸出端接8748單片機的輸入端口T1腳，目的是做8748單片機內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)周期，選擇開關(guān)5用于選擇他激啟動、自激啟動、自測他激啟動及兩路脈沖檢查方式。
(1)、8748單片機啟動后先讀輸入端口P13、P14、P15腳的內(nèi)容，當(dāng)為“010”時8748單片機執(zhí)行檢查1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7及逆變橋的G1、G3可控硅。檢查時所發(fā)的脈沖周期由8748單片機的輸入端口P24～P27腳內(nèi)容決定。8748單片機不斷地讀輸入端口P13、P14、P15腳內(nèi)容，如這些內(nèi)容不變則由8748單片機的輸出端口R10腳發(fā)矩形脈沖給1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7，該脈寬由8748單片機內(nèi)部設(shè)定。輸入端口P13、P14、P15腳內(nèi)容已變則自動轉(zhuǎn)入其它工作狀態(tài)。
(2)、8747單片機啟動后讀輸入端口P13、P14、P15腳的內(nèi)容。當(dāng)為“010”時，8748單片機執(zhí)行檢查2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路8及逆變橋G2、G4可控硅。檢查時所發(fā)的脈沖周期由8748單片機的輸入端口P24～P27腳內(nèi)容決定。8748單片機不斷地讀輸入端口P13、P14、P15腳內(nèi)容，如這些腳內(nèi)容不變則由8748單片機的輸出端口P11腳發(fā)矩形脈沖給2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路8，該脈寬由8748單片機內(nèi)部設(shè)定，如P13、P14、P15腳內(nèi)容已變則自動轉(zhuǎn)入其它工作狀態(tài)。
(3)、當(dāng)8748單片機輸入端口P14、P15腳為“00”時，8748單片機執(zhí)行他激工作方式。8748單片機讀輸入端口P24～P27腳內(nèi)容，選擇他激啟動頻率(他激啟動頻率的選擇應(yīng)大于逆變橋LC并聯(lián)諧振頻率)。他激工作過程如下順序。
a、在他激工作時，8748單片機依所選擇的頻率周期發(fā)一定數(shù)量的脈沖，分別給1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7和2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路8，并驅(qū)動該路的逆變橋可控硅，使LC負轉(zhuǎn)回路工作于強迫振蕩狀態(tài)。經(jīng)過一段他激工作時間，逆變橋處于一種穩(wěn)定狀態(tài)。
b、8748單片機在輸出端口P11腳發(fā)脈沖給2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路后(其脈沖寬度T0(K)由8748單片機設(shè)定)，8748單片機的輸入端口T0腳通過查尋方式檢測中頻信號T0(K)時刻。
C、當(dāng)T0(K)時刻出現(xiàn)記錄8748單片機內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)值，并根據(jù)內(nèi)部計數(shù)器計算出T5(K)值，并將計數(shù)器清零重新開始計數(shù)。8748單片機依據(jù)下面公式(1)計算T1(K)值，T_(K-1)為他激啟動頻率的負半波周期值。由圖2得知，在理想情況下，正負半波應(yīng)相等，并考慮到中頻逆變橋負載具有大的電感，中頻頻率瞬間變化率極微小，可以為T+(K)＝T-(K)＝T-(K-1)
T2(K)＝T5(K)＝T5(K-1)所以T1(K)＝(T-(K-1))-T5(K-1)……(1)d、8748單片機內(nèi)部查尋計數(shù)器的計數(shù)值，如到達t1(K)就在8748單片機的輸出端口P10腳輸出脈沖信號給1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7。
e、8748單片機查尋內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)值，此時值為T1(K)+T0(K)，到達t’1(K)就關(guān)閉8748單片機的輸出端口P10腳。t’1(K)即上述脈沖的后沿，T0(K)值由8748單片機內(nèi)部設(shè)定。
f、8748單片機的輸入端口T0腳通過查尋方式檢測中頻信號t0(K)時刻，當(dāng)t’0(K)時刻出現(xiàn)記錄8748單片機內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)值，它表示T+(K)(此時由于檢測的是T+(K)值，所以已自動轉(zhuǎn)入自動跟蹤運行狀態(tài))。將計數(shù)器清零重新計數(shù)?？紤]到中頻逆變橋負載具有大的電感，中頻頻率瞬間變化率極其微小(指相鄰正負半波的變化率)，可以認為中頻正負半波的周期是相等的。即T-(K)＝T+(K)則T’4(K)＝ (π-α(H))/(π) (T+(K))
＝ (π-α(H))/(π) (T-(K)) ……(2)設(shè)定T4(K)＝T1(K)+ΔT ……(3)上式中α(H)為工作時逆變橋功率因數(shù)角，此值由8748單片機予定。所以T4(K)表示8748單片機在運行中應(yīng)最終保持的值。ΔT為自動調(diào)整量，當(dāng)T4(K)小于T’4(K)，ΔT等于一個計數(shù)脈沖，當(dāng)T4(K)等于或大于T’4(K)時，將T4(K)值送入T4(K)中。
g、8748單片機查尋內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)值，當(dāng)?shù)竭_t2(K)時由8748單片機的輸出端口P11腳輸出一個脈沖給2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路8。
h、8748單片機查尋內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)值，此值為T4(K)+T0(K)到達t’2(K)就關(guān)閉8748單片機的輸出端口P1腳，t’2(K)即上述脈沖的后沿，T0值由8748單片機內(nèi)部設(shè)定。
i、8748單片機的輸入端口T0腳通過查尋方式，檢測中頻信號t0(K+1)時刻，t0(K+1)時刻出現(xiàn)記錄此時的計數(shù)器的計數(shù)值，它表示T-(K)的時間量，并將計數(shù)器清零重新開始計數(shù)。8748單片機計算新的T1(K)值，考慮到中頻逆變橋負載具有較大的電感，中頻頻率瞬時變化率極其微小(指相鄰正負半波的變化率)，可以認為T+(K)＝T-(K)則T’1(K)＝ (π-α(H))/(π) (T+(K))＝ (π-α(H))/(π) (T-(K)) ……(4)設(shè)定T1(K)＝T4(K)+ΔT ……(5)ΔT的意義同上面f中提到的ΔT相同。
T’1(K)為8748單片機在運行中應(yīng)最終保持的值，當(dāng)T1(K)小于T’1(K)時，ΔT為一個計數(shù)脈沖，當(dāng)T1(K)等于或大于T’1(K)時，將T’1(K)值送入T1(K)中。
j、8748單片機以后的工作順序是由上面的d段開始到i段，再次循環(huán)工作的。
(4)、當(dāng)8748單片機輸入端口的P14、P15腳為“11”時，8748單片機執(zhí)行自激啟動工作方式a、由8748單片機的輸出端口P12腳發(fā)一個脈沖給5＃脈沖放大驅(qū)動電路(這個脈沖的作用是使逆變橋上的啟動電容放電，由8748單片機的輸入端口T0腳檢測該電容在LC負載回路放電所形成的衰減振蕩周期)，同時將計數(shù)器清零。
b、當(dāng)8748單片機的輸入端口T0腳檢測到中頻信號的上升沿時，打開計數(shù)器開始計數(shù)。
C、當(dāng)8748單片機的輸入端口T0腳檢測到中頻信號的下降沿時，記錄計數(shù)器的值，此時為T+(K)，并由下式計算出延時量T1(K)及T’1(K)。
T1(K)＝ (π-α(L))/(π) (T+(K))+A ……(6)T’1(K)＝ (π-α(H))/(π) (T+(K)) ……(7)其中α(L)為8748單片機已設(shè)定的低功率因數(shù)角。A為調(diào)整量初值時A＝0;當(dāng)T1(K)小于T1(K)時，A＝A+1;當(dāng)T1(K)等于或大于T1(K)時，A＝A-1，并將T1(K)值送入T1(K)中。α(H)為8748單片機已設(shè)定的高功率因數(shù)角。
d、8748單片機延時2.5秒后，在輸出端口P12腳發(fā)一個脈沖給5＃脈沖放大驅(qū)動電路，使啟動電容放電。
e、8748單片機查尋計數(shù)器的計數(shù)值，如到達t1(K)就在8748單片機的輸出端口P10腳輸出脈沖信號給1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7。
f、8748單片機查尋計數(shù)器的計數(shù)值如達到t1(K)就關(guān)閉8748單片機在輸出端口P10輸出的脈沖。
g、8748單片機的輸入端口T0腳檢測到中頻信號的下降沿時，記錄計數(shù)器的值，此值為T+(K)，計數(shù)器清零，重新計數(shù)，并由下式計算出延時量T4(K)及T4(K)同前述一樣，可以認為T+(K)＝T-(K)所以T4(K)＝ (π-α(L))/(π) (T-(K))+A＝ (π-α(L))/(π) (T+(K))+A ……(8)T’4(K)＝ (π-α(H))/(π) (T-(K))＝ (π-α(H))/(π) (T+(K)) ……(9)其中α(L)、α(H)、A的意義，用法同C中相同。
h、8748單片機查尋計數(shù)器的計數(shù)值，如到達t2(K)，就在8748單片機的輸出端口P11腳輸出脈沖信號給2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路8。
i、8748單片機查尋計數(shù)器的計數(shù)值，如到達t’2(K)就關(guān)閉8748單片機在輸出端口P11腳輸出的脈沖。
j、8748單片機的輸入端口T0腳檢測到中頻信號的上升沿時，記錄計數(shù)器的值，此值為T-(K)，計數(shù)器清零，重新計數(shù)，計算出T1(K)及T’1(K)，同前述的一樣。
可以認為T+(K)＝T-(K)所以T1(K)＝ (π-α(L))/(π) (T+(K))+A＝ (π-α(L))/(π) (T-(K))+A ……(10)T’1(K)＝ (π-α(H))/(π) (T+(K))＝ (π-α(H))/(π) (T-(K)) ……(11)K、8748單片機以后的工作過程從e段到j(luò)段循環(huán)執(zhí)行，上面所用的α(L)與α(H)可由8748單片機內(nèi)部設(shè)定也可由外部通過8748單片機的總線口設(shè)定。
(5)、8748單片機輸入端口P14、P15腳為“10”時，單片機執(zhí)行自測他激啟動工作方式，其工作過程如下a、測周期值T+(K)同(4)中自激啟動工作方式中a段至C段一樣。
b、依所測定的T+(K)值由下式計算他激啟動頻率。
f＝K 1/(T) ＝K 1/(2T+(K)) ……(12)
上式中f為他激啟動時所選擇的頻率，K為系數(shù)，由8748單片機設(shè)定。
C、8748單片機延時2.5秒。
d、以后工作過程同(3)他激工作過程中a段至j段一樣。
(二)、方法二(即MCS-51系列單片機，該系列的單片機管腳相同，現(xiàn)以8031單片機為例)由8031單片機、地址鎖存器10、程序存貯器11、選擇開關(guān)5組成(其中8031單片機、地址鎖存器10、程序存貯器11的連接為通用接法，固不再細述)。選擇開關(guān)5用于選擇他激啟動、自激啟動、自測他激啟動及兩路脈沖檢查方式。
(1)、8031單片機啟動后先讀該片的輸入端口P13～P17腳的內(nèi)容，為“11111”時，8031單片機執(zhí)行檢查1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7及逆變橋的G1、G3可控硅。檢查時的脈沖周期固定為1000HZ。8031單片機不斷地讀輸入端口的P13～P17腳的內(nèi)容，如這些腳內(nèi)容不變則由8031單片機的輸出端口P10腳發(fā)矩形脈沖給1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7，該脈寬由8031單片機內(nèi)部設(shè)定。如輸入端口P13～P17腳內(nèi)容已變，則自動轉(zhuǎn)入其它工作方式。
(2)、8031單片機啟動后讀該片的輸入端口P13～P17腳的內(nèi)容為“11101”時，8031單片機執(zhí)行檢查2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路8及逆變橋的G2、G4可控硅，檢查時的脈沖周期固定為1000HZ。8031單片機不斷地讀輸入端口P13～P17腳的內(nèi)容，如這些腳內(nèi)容不變則由8031單片機的輸出端口P11腳發(fā)矩形脈沖給2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路8，其脈寬由8031單片機內(nèi)部設(shè)定。如輸入端口P13～P17腳的內(nèi)容已變則自動轉(zhuǎn)入其它工作方式。
(3)、8031單片機輸入端口P17腳的內(nèi)容為“0”時，8031單片機執(zhí)行他激啟動，啟動時的頻率由8031單片機的輸入端口P13～P10腳的內(nèi)容而定(所選擇的頻率應(yīng)高于逆變橋LC并聯(lián)諧振頻率)。
a、在他激工作時，8031單片機依所選擇的頻率周期發(fā)一定數(shù)量的脈沖分別給1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7和2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路8，并驅(qū)動該電路的逆變橋可控硅，使LC負載回路工作于強迫振蕩環(huán)境，經(jīng)過一段他激工作時間，逆變橋處于一種穩(wěn)定狀態(tài)。
b、8031單片機內(nèi)部計數(shù)器查詢到他激轉(zhuǎn)自激時刻到，在輸出端口P11腳發(fā)脈沖后，8031單片機通過輸入端口INT用中斷方式檢測中頻信號t0(K)時刻。
C、t0(K)時刻出現(xiàn)記錄8031單片機內(nèi)部定時器O的計數(shù)值，此值為T5(K-1)值。8031單片機此時他按他激啟動方式工作，同時8031單片機由下面公式(13)計算他激啟動時的T1(K)值，考慮到中頻逆變橋負載具有大的電感，中頻頻率瞬時變化率極其微小(指相鄰正負半波的變化率)。可以認為T+(K)＝T-(K)＝T(K)/2T5(K-1)＝T5(K)＝T2(K)＝Tα(K)則T1(K)＝T(K)/2-T5(K-1)＝T(K)/2-Tα(K)……(13)d、8031單片機內(nèi)部定時器1在t1(K)處中斷，并由8031單片機的輸出端P10腳輸出脈沖信號給1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7，T0(K)值送入定時器1(T0(K)值由8031單片機初始化給定)，調(diào)整T0(K)值即調(diào)整脈沖寬度。并關(guān)斷8031單片機的輸入端口INT。
e、8031單片機內(nèi)部定時器1在t’1(K)處中斷，關(guān)閉8031單片機在輸出端口P10腳的輸出脈沖信號，由下面公式計算T3(K)值，送入定時器1并啟動定時器1。
前面提到T1(K)＝T4(K)所以T3(K)＝T2(K)+T4(K)＝T+(K)＝T(K)/2……(14)f、8031單片機內(nèi)部定時器1在t3(K)處中斷，并由8031單片機的輸出端口P11腳輸出脈沖信號給2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路8，將T0(K)值送入定時器1并啟動定時器1及打開8031單片機的輸入端口INT腳，等待外部中斷信號。
g、8031單片機內(nèi)部定時器1在t’2(K)中斷，關(guān)閉8031單片機在輸出端口P11腳的輸出脈沖信號。
h、在t0(K+1)處產(chǎn)生外部中斷信號(此信號標志新的一個中頻周期開始，所以就自動轉(zhuǎn)入自動跟蹤運行狀態(tài))，并將T1(K)值送入定時器1。
T’1(K)＝β(H)·T(K)/2 ……(15)T1(K)＝T1(K-1)+ΔT ……(16)其中β(H)為工作時的功率因數(shù)值，由8031單片機初始化時設(shè)定。T’1(K)表示8031單片機在運行中應(yīng)最終保持的值。ΔT為自動調(diào)整量，T1(K-1)為上周波發(fā)脈沖時刻，T1(K)為本周波應(yīng)發(fā)脈沖時刻，當(dāng)T1(K)小于T’1(K)時，ΔT為一個計數(shù)脈沖，當(dāng)T1(K)等于或大于T’1(K)時，將T’1(K)的值送入T1(K)中。
i、以下8031單片機工作過程由d段到h段循環(huán)工作。
(4)、8031單片機啟動后讀該片的輸入端口P13～P17腳的內(nèi)容，為“11001”時，8031單片機執(zhí)行自激啟動工作方式。
a、8031單片機的輸出端口P12腳發(fā)一個脈沖給5＃脈沖放大驅(qū)動電路9。
b、8031單片機的輸入端口INT腳檢測逆變橋由啟動電容放電而形成的LC衰減振蕩，即T(K)值。
C、延時一段時間后，8031單片機的輸出端口P12腳再發(fā)一個脈沖給5＃脈沖放大驅(qū)動電路9，8031單片機依已測定的周期將T1(K)值送入定時器1中，開定時器1。
T1(K)＝β(L)·T(K)/2+ΔT ……(17)其中β(L)為8031單片機內(nèi)設(shè)定的低值，當(dāng)T1(K)小于T’1(K)時(T’1(K)值參公式(15))，ΔT為一個計數(shù)脈沖，當(dāng)T1(K)等于或大于T’1(K)時，將T’1(K)的值送入T1(K)中。T’1(K)為8031單片機在運行中應(yīng)最終保持的值。
d、以下8031單片機工作過程與他激d段至i段相同。
(5)、8031單片機啟動后讀該片的輸入端口P13～P17腳的內(nèi)容為“11011”時，8031單片機執(zhí)行自測他激動工作方式，其工作過程如下a、測周期值T(K)同(4)自激啟動工作方式中a段至b段相同。
b、以后工作過程同(3)他激工作過程中a段至i段相同。
三、脈沖放大驅(qū)動電路單片機6發(fā)的1＃、3＃脈沖送入1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7。
單片機6發(fā)的2＃、4＃脈沖送入2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路8。
單片機6發(fā)的5＃脈沖送入5＃脈沖放大驅(qū)動電路9。
1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7與2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路8結(jié)構(gòu)相同，現(xiàn)以1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7為例加以說明a、單片機6發(fā)的脈沖送入正向驅(qū)動器A1的輸入端，驅(qū)動器A1的輸出端由電阻R10接+24伏，R11為限流電阻、R12為負反饋電阻，D10、C10、R13為吸收反向電壓電路，BL1、BL3為脈沖變壓器，起隔離控制器與逆變橋作用，并將脈沖送入G1、G3可控硅。BG1為達林頓管，采用共發(fā)射極接法，當(dāng)無脈沖信號時基極為高電平，BG1截止，所以BL1、BL3的初級同名端為低電平，無脈沖輸出。當(dāng)有脈沖時，驅(qū)動器A1輸出為低電平，則使BG1導(dǎo)通，電流流入BL1、BL3初級，同名端為高電平，有脈沖輸出給相應(yīng)的可控硅G1、G3。
b、5＃脈沖放大驅(qū)動電路9，除只接一個脈沖變壓器BL5外，其工作過程同1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7一樣。
本發(fā)明的優(yōu)點(1)采用單片機做控制，使控制智能化，能實現(xiàn)低功率因數(shù)啟動，高功率因數(shù)運行，并可在工作中保持功率因數(shù)為恒定。
(2)采用數(shù)字控制，控制精度得到提高。
(3)本控制器選用圖3，這種電路結(jié)構(gòu)，主要是以盡可能地提高裝置的性能、結(jié)構(gòu)簡單、低成本為出發(fā)點設(shè)計的，這種結(jié)構(gòu)較歷來的任何一種可控硅直流-交流逆變橋控制器的制作成本下降數(shù)倍。
(4)本控制器在制作、使用、調(diào)試中都比以往的任何一種可控硅直流-交流逆變橋控制器簡單、方便。
(5)信號處理部分，采用光電耦合器，即提高了抗干擾能力又確保了單片機的安全，另外信號處理部分電路簡單，無需另加電源。
(6)脈沖功放部分采用驅(qū)動器與達林頓管相接，具有原件少，功率大的特點。
(7)原不具有他激啟動的可控硅直流-交流逆變橋控制器，用本發(fā)明的控制器可增加他激啟動功能。(例前面提到的應(yīng)用例子就增加了他激啟動功能)。
(8)本發(fā)明另有自測他激啟動功能，此啟動方法是將自激與他激結(jié)合形成，用自激方法測負載諧振頻率，采用他激方式啟動，可排除因他激啟動選擇頻率不當(dāng)而造成啟動失敗的現(xiàn)象。
(9)方法1采用具有一個定時器的8748單片機，使線路更加簡單;方法2采用有兩個定時器的8031單片機，由于工作中完全采用中斷方式工作，所以在中斷間隙還可做其它工作，即功能得到了擴展。
權(quán)利要求
1.一種用來控制可控硅直流--交流中頻變換器的微計算機控制器，其特征在于所說的控制器由中頻電壓同步信號檢測元件1，中頻電壓信號處理2，隔離取樣電路3，選擇開關(guān)5，單片機6，1#、3#脈沖放大驅(qū)動電路7，2#、4#脈沖放大驅(qū)動電路8，5#脈沖放大驅(qū)動電路9組成，其工作過程為中頻電壓同步信號檢測元件1將逆變橋a、b兩端的中頻信號按比例取進來，經(jīng)中頻信號處理2將大范圍變化的中頻變動信號處理為幅值一定的與中頻信號周期相同的梯形波，該梯形波經(jīng)隔離取樣電路3后獲得一個單片機6可接受的與中頻電壓信號周期相同的矩形波，該矩形波送入單片機6中，單片機6經(jīng)選擇開關(guān)5確定其工作方式，單片機6依據(jù)中頻電壓信號的周期確定可控硅觸發(fā)脈沖位置，在中頻電壓信號為正半波時發(fā)脈沖給1#、3#脈沖放大驅(qū)動電路7，在中頻電壓信號為負半波時，發(fā)脈沖給2#、4#脈沖放大驅(qū)動電路8，在自激啟動時發(fā)一個脈沖給5#脈沖放大驅(qū)動電路9。
2.如權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于所說的控制器的中頻信號處理2由二極管D1、D2，穩(wěn)壓管DW，電阻R1、R2組成，其工作過程為當(dāng)中頻電壓信號檢測元件1中的YH次級正弦波信號送入中頻信號處理2中的D1正端時，經(jīng)D1整流后波形為正半波，并送入由R1及與信號并接的DW做限幅處理，R1為DW的限壓電阻，在DW上的波形為正梯形波，該梯形波經(jīng)串接的R2限流后送入隔離取樣電路3的輸入端，D2起反壓保護作用。
3.如權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于所說的隔離取樣電路3由電容器C1，電阻R3和光電耦合器BG4組成，R3為BG4的負載，R3上產(chǎn)生的壓降為單片機6的中頻電壓同步信號，C1與BG4輸入端并接起抗干擾作用，其工作過程為當(dāng)有信號送入其輸入端后，輸出端立即有電流通過R3將中頻信號處理2的梯形波變換成單片機6可接受的矩形波。
4.如權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于所說的1＃、3＃脈沖放大驅(qū)動電路7由電阻R10、R11、R12、R13，二極管D10，電容C10，正向驅(qū)動器A1，達林頓管BG1和脈沖變壓器BL1、BL3組成;所說的2＃、4＃脈沖放大驅(qū)動電路8由電阻R20、R21、R22、R23，二極管D20，電容C20，正向驅(qū)動器A2，達林頓管BG2和脈沖變壓器BL2、BL4組成;所說的5＃脈沖放大驅(qū)動電路9由電阻R30、R31、R32、R33，二極管D30，電容C30，正向驅(qū)動器A3，達林頓管BG3和脈沖變壓器BL5組成;其中A1的輸入端接單片機的P10腳，A2的輸入端接單片機的P11腳，A3的輸入端接單片機的P12腳。放大驅(qū)動電路7、8、9工作原理一樣，以7為例，工作過程為A1的輸入端有負脈沖出現(xiàn)，則A1的輸出端有負脈沖加在BG1的基極，BG1導(dǎo)通有電流經(jīng)R32流入BL1、BL3的初級，BL1、BL3的次級則有正脈沖送入可控硅控制級，D10、C10、R13起反壓吸收作用。
5.如權(quán)利要求1、2、3、4所述的控制器，其特征在于所說的單片機為MCS-48系列時，控制器另接分頻器4;所說的單片機為MCS-51系列時，不用接分頻器4;如這兩個系列的單片機內(nèi)部不帶程序存貯器則還需另接地址鎖存器10，程序存貯器11。
6.如權(quán)利要求5所述的控制器，其特征在于所說的單片機6的工作方式由選擇開關(guān)5可確定為他激啟動、自激啟動、自測他激啟動及兩路脈沖檢查工作方式，其工作過程為他激啟動時，依選擇開關(guān)5選定的頻率由單片機6的P10、P11腳發(fā)脈沖給相應(yīng)的脈沖放大驅(qū)動電路使逆變橋處于強迫振蕩，單片機依所接收的中頻電壓同步信號，及通過用跟蹤、調(diào)整所發(fā)脈沖超前中頻電壓過零點的時刻，并最終運行在高功率因數(shù)值的狀態(tài)下。自激啟動時單片機的P12腳發(fā)一個脈沖用于檢測逆變橋負載諧振頻率，而后依所測的諧振頻率作同步信號，由單片機的P10、P11腳發(fā)脈沖給相應(yīng)的脈沖放大驅(qū)動電路使逆變橋由低功率因數(shù)開始啟動，并最終運行在高功率因數(shù)值的狀態(tài)下。自測他激啟動時單片機的P12腳先發(fā)一個脈沖，用于檢測逆變橋負載諧振頻率，而后依所測的頻率由單片機的P10、P11腳發(fā)脈沖給相應(yīng)的脈沖放大驅(qū)動電路，使逆變橋處于強迫振蕩，單片機依據(jù)接收的中頻電壓同步信號通過跟蹤、調(diào)整所發(fā)脈沖超前中頻電壓過零點的時刻，并最終運行在高功率因數(shù)值的狀態(tài)下;檢查1＃、3＃脈沖時，由單片機的P10腳發(fā)一定的頻率輸出脈沖供檢查用;檢查2＃、4＃脈沖時，由單片機的P11腳發(fā)一定的頻率輸出脈沖供檢查用。
7.如權(quán)利要求1、5、6所述的控制器，其特征在于所說的單片機為MCS-48系列時，同步信號檢測由T0口檢測，采用半周期跟蹤。單片機為MCS-51系列時，同步信號檢測由INT口用中斷方式檢測，采用整周期跟蹤。
8.如權(quán)利要求1、6、7所述的控制器，其特征在于工作時運行在恒功率因數(shù)狀態(tài)下。
全文摘要
本發(fā)明為可控硅中頻逆變橋微計算機控制器，屬直流—交流轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，適用于可控硅直流—交流變換器。
文檔編號H02M7/521GK1038904SQ88103568
公開日1990年1月17日 申請日期1988年6月21日 優(yōu)先權(quán)日1988年6月21日
發(fā)明者郭亞平, 莊曉東 申請人:冶金工業(yè)部第一地質(zhì)勘探公司金剛石工業(yè)公司