第 5 期 　2010 年 5 月 工 矿 自 动 化 Industry and M ine A uto matio n N o .5　 M ay 2010　 文章编号:1671 -251X(2010)05 -0064 -04 基于 Proteus 仿真的三相整流控制电路的设计 邵期友 , 　江思敏 (皖北煤电集团百善煤矿机电科, 安徽 淮北　235154) 　　摘要:针对采用传统单片机开 发整流电路 存在开发 成本高 、调试工 作量大等 问题, 提出了一 种采用 Pro teus 软件设计三相整流控制电路的方案 , 详细介绍了电路的组成及软件设计。 调试与仿真结果表明 , 该 电路实现了全控整流的六脉冲输出 。 关键词 :三相可控硅 ;整流控制;电路设计 ;单片机仿真;P ro teus 　　中图分类号 :TD61 ;TP391 .9 　　　文献标识码 :A 0 　引言 三相可控硅整流是控制交流电路电压和功率的 基本电路, 广泛应用于工业电源、热处理、过程控制 等领域。用微机控制可控硅电路实质是控制其触发 脉冲 。以单片机为中心的控制电路具有外围电路简 收稿日期 :2010-01-29 作者简介 :邵期友(1975-), 男 , 安徽绩溪人 , 工程 师, 1995 年毕 业于大同煤炭工业学校 , 现在皖北煤电集团百善煤矿机电科工作 , 已 发表文章 5 篇 。 E-mai l:sqiyou@163.com 单 、脉冲稳定 、调节方便等特点。 但传统的单片机开 发 研究必须有一个开发平台 , 如编译器、开发板 、仿 真器等 , 完成程序设计 、编译 、写入后 , 只能在电路板 上进行 运行调 试, 其 开发 成本高 、调试 工作 量大。 P rot eus 是一个完整的嵌入式系统软硬件设计仿真 平台, 它 包 括 原 理 图 输 入 系 统 ISIS 、带 扩 展 的 P rospice 混合模型仿真器 、动态器件库 、高级图形分 析 模 块 和 处 理 器 虚 拟 系 统 仿 真 模 型 等。 利 用 P rot eus 能够同时对硬件、软件协同设计与仿真 , 是 全开放的虚拟开发系统 , 能够完全脱离硬件平台进 略, 其 理论基 础实际 上就是 Ly apuno v 方法 , 因 此 三相 V RM系统是大范 围稳定的 , 即便在苛刻的 负 载条件下都能满足 系统渐近稳定 的控制目标 。 此 外, 从式(16)～ 式(18)可看出 , 本文给出的无源控制 方法只需检测 2 个电感电流 , 不需要检测输出负载 电压 , 节约了检测电路 , 优于传统方法;而与其它非 线性方案比较, 又具有算法简单、易于实现、不受控 制回路 器件 参 数误 差 的影 响且 易 于 推广 到 多 相 V RM 等特点 。 　　上述仿真结果分析表明 , 采用无源控制方法可 以减少系统超调 、缩短响应时间、改善系统的动态品 质, 是一种较为理想的控制方案, 为 V RM 的设计提 供了一种新的思路。 参考文献: [ 1] 　林维明, 黄是 鹏, 张冠 生, 等.P WM 型 DC/ DC 开关 变 换器非线性闭环 控 制策 略 的研 究[ J] .中国 电 机工 程 学 报, 2001 , 21(3):19-22 . [ 2] 　许 　峰, 徐殿国, 柳 玉 秀.具有 最 优动 态响 应 的 PWM 型 DC -DC 变换 器非 线 性控 制新 策 略[ J] .中国 电 机 工 程学报, 2003 , 23(12):133-139. [ 3] 　吴 磊涛, 杨兆华, 胥布工.DC/ DC 开关变换器 的无源 控 制 方法[ J] .电工技术学报, 2004, 19(4):66-69. [ 4] 　BO LZERN P , SPI NEL LI W.Q uadr atic Stabiliza tion o f a Switched A ffine Sy stem about a No nequilibrium Point [ C] // Pr oceeding s of Co nfer ence, 2004, Bo sto n. the A merica n Co nt rol [ 5] 　刘 其贵, 魏同立.应用于电流控制型 DC-DC 开关变换 器 的分流开关 技术[ J] .电 路与 系统学 报, 2004, 9(4): 125-128. [ 6] 　胡 宗波, 张　波, 邓卫华, 等.基于切换线性系统理论 的 DC -DC 变换器控 制系统的能控性和 能达性[ J] .中 国 电 机工程学报, 2004 , 24(12):165-17 . [ 7] 　陆 益民, 张 　波 , 尹丽 云.DC/ DC 变换 器 的切 换 仿 射 线 性系统模型 及控 制[ J] .中 国电 机 工 程学 报, 2008, 28(15):16-22 . 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2010 年第 5 期 邵期友等 :基于 Pro teus 仿真的三相整流控制电路的设计 ·65· 　　　 行设计, 大大提高了单片机开发的效率。 因此 , 笔者 利用 P rot eus 软件设计三相整流控制电路 , 实现了 全控整流的六脉冲输出。 1 　硬件电路组成 利用 P rot eus ISIS 新建项目, 通过左侧栏区的 P 命令 , 在 Pick D evices 窗口中选 择元器件 。根 据 需要找出相应元器件进行排列 , 然后布线 , 得到电路 如图 1 所示 。该电路包括振荡复位电路、模数转换 电路 、同步信号电路 、脉冲放大电路等。 采用 A T 89C52 单 片 机 作 为 控 制 器, 其 含 有 1 个 8 位处理器、4 个 8 位并行口 、2 个外部中断源 , 3 个16 位计时/ 定时器 , 并有 8 K B F LA SH 等。 EA 引脚接 V CC 时 , 内 部 程 序 存 储 器 地 址 为 0000 ～ 1F FF H 。 采用 A DC0808 实现模 拟信号的 转换, 移相控 制电压加在 IN 0 通道。 该电路仅采集一路信号 , 将 A DD A 、A DD B 、A D DC 全部接地, 由 P 3 .4 提供转换 启动信号、P 3 .5 检测 EO S 转换好的信号 。 触发脉冲由 P1 .0 ～ P 1 .5 引脚输 出, 保证可控 硅的可靠触发 ;采用双窄脉冲方式, 脉冲宽度控制在 9°, 即延时 0 .5 m s , 并对脉冲进行放大(图 1 中只画 出 1 路 , 其它 5 路作相同处理), 连接示波器便于输 出波形的观察 。 图 1 　三相整流控制电路 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

·66· 工矿自动化 2010 年 5 月 　　　　　 　　在工具栏内选中信号源工具 , 在对象选择窗口 选择“P LU SE” 对象, 连接在同步变压器输入端 , 参 数设 为 正 弦波 si ne 、频 率为 50 H z 、电 压 幅 值 为 311 V , 作为同步脉冲输入 。 2 　软件设计及程序分析 程序采用 C 语言编程, 控制程 序包括主程序 、 外部中断子 程序、内部定 时子程 序、A D 转换子 程 序、查表子程序 、延时子程序等 6 个部分 。 　　(1)程序设计控制角α在 0 ～ 180°之间 , 移相控 制电压为 0 ～ 5 V , 经 A D 转换得到 8 位二进制 数 0 ～ F F H 。 交流电源工频为 50 Hz , 180°对应 10 m s , 控制角 0 ～ 180°的变化亦即相对于自然换向点 0 ～ 10 ms的延时控制 。选用内部定时器 0 , 工作方式为 1 , 工 作 频 率 为 12 M H z , 最 大 延 时 时 间 为 65 .536 ms , 显然满足控制要求 。对应 0°即延时 0 s , T0 初值为65 536 ;对应 180°即延时 10 m s , T0 初值 为55 536 。A D 转换 后每 个数 值对 应延 时 增量 为 1 000/ 255 =39 .2 , 因此建立一个 16 位无符 号数组 temp[ 256] , 其中 tem p[ 0] 为55 536 , temp[ 1] 在前面 数值上加 39 .2 , 按四舍五 入取整, 依次类推 。 因舍 去小数, temp[ 255] 为65 532 。该数组供查表子程序 使用 , 其分辨率为 180°/ 255 =0 .7°。 　　(2)主程序流程如图 2 所示 。 启动后首先进行 初始化。完成定时器工作方式定义 、P1 口清零 、首 次 A D 转换并查表工作后, 开中断、等待外部中断请 求。 外部 中断 子 程序 将 查 表后 得 到 的数 值 送 入 T H 0 、T L0 并启动 T 0 计数 , 当延时时间到 , 启动内 部定时子服务程序。 在程序中 , 重新送入延时初值 , 启动定时器 , 将脉冲输出标准置 1 , 返回主程序后重 新进行 A D 转换并查表 。若 α发生变化则进行角度 调整 , 若 α一致则直接转入延时子程序送脉冲宽度。 　　为提高电路对调节电压的反应速度, 每次发出 脉冲后都进行模拟量采集 、查表工作 。若 α未改变 , 直接进行脉宽控制。 若 α控制角增大, 按照增大角 度计算出延时参数, 延时发脉冲 。当 α变小时 , 区别 变小量大于等于 60°和小于 60°两种情况 。 如果新 控制角超前量小于 60°, 在当前量中减去超前量, 送 延时参数, 启动延时 ;如新控制 角超前量大于等 于 60°时, 当前值增加 60°后减去超前量 , 送延时参数 , 启动延时。 　　(3)外部中断子程序流程如图 3 所示 。外部中 断子程序主要完成 α不同区间的判断, 送出相应的 延 时 参数 。当α处 于不同角度时 , 同 步脉冲到来 时 图 2 　主程序流程 第一组脉冲是不相同的 。工频周期内 α保持一定的 情况下 , 相邻可控硅脉冲间隔 角度为 60°。 为防止 程序执行累计误差和电网频率波动使 α发生变化, 每个周期需校正同步点 。 m1 -上一个脉冲的延时数值 ;m3 -调整延时的辅助变量 图 3　外部中断子程序流程 　　当 60°的同步脉冲到来时, 上周期脉冲全部发 完 , 按照转 换查 表后 参数 直 接送 T 0 , 启 动定 时器 即可。 当 60°≤α<120°同步脉冲到来时, 上周期脉冲 最后一对脉冲 SC R5 、SC R6 未发出 , 定时器 0 不可 能同时启动 2 个定时。 计算出新控制角第一对脉冲 距离上周期最后脉冲的时间参数 m4 , 上周期最后脉 冲继续延时发出, 之后按照 m4 发出本周期第一对 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2010 年第 5 期 邵期友等 :基于 Pro teus 仿真的三相整流控制电路的设计 ·67· 　　　 脉冲 。 当 120°≤α<180°同步脉冲到来时, 上周期脉冲 最后 2 对脉冲 SCR4 、SC R5 及 SCR5 、SC R6 未发出 , 计算出新控制角第一对脉冲距离上周期最后脉冲的 时间参数 m4 , 上周期脉冲 SC R4 、SCR5 继续延时发 出, SCR5 、SC R6 按照 60°延时发出, 后按照 m4 发出 本周期第一对脉冲。 (4)内部定时子程序 , 输出触发脉冲 , 按照 60° 给出下一个延时。 A D 转换程序中 , 利用 P3 .4 口输 出转换脉冲 , P 3 .5 口读 A DC0808 的 EO C 转换结束 信号 , 当转换结束时读出 P 0 口数据 。 3 　调试与仿真 在 Keil V isio n3 环境下 , 新建 K eil 项 目, 选 用 A T 89C52 作为工作 CP U , 新建 zl .c 文件并 加载至 项目中, 在“O ptio n f o r to ng et” 中打开“O utput” 窗 口, 选择“ Creat hex file” 选项 , 工 作 主 频 设 定 为 12 MH z 。 设计 程 序 并 编 译 , 编 译 成功 后 将 产 生 zl .hex 文件 。在 Pro teus 中选 中 A T 89C52 进 行 设 置, 设置其工作频率为12 M Hz , 按照正确的路径加 载 zl .hex 文 件 , 利 用 P ro teus 中 的 示 波 器 观 察 A T 89C52 P1 口产生的触发波形 。因虚拟示波器只 有 4 路输入, 将 P1 .0 、P1 .1 、P1 .2 、IN T 0 四 路信号 作为输入。 单击 Pro teus ISIS 编辑环境下的运行仿 真按钮, 调整控制电位器阻值 , 示波器应出现相应的 波形 。针对调试仿真得到的结果, 若需修改硬件, 则 在 Pro teus 中进行, 软件在 K eil V isi on3 中修改 , 重 新生 成 hex 文 件。 也 可 通 过 K ei l V i si on3 和 Pro teus 的联调 , 针对临界数据 、各工作状态下产生 的波形情况分析修改 。 通过调整电位器输出电压 , 使 α在 30°、90°、150°下, 得到图 4 所示波形。 　　通过输出 的波形 分析 可知 , 触发 脉冲 宽度 在 0 .5 ms时, 脉冲输出 形式为双脉冲, 当控制 电位器 输出电压变化, 输出脉冲(P1 .0)相对同步脉冲延时 时间分别为 3 .33 m s 、5 ms 、8 .33 m s , 即脉冲延时为 30°、90°、150°, 相 邻 两 脉冲 相 位 差 为 60°。 P1 .0 、 P1 .2 、P1 .4 互差 120°, P 1 .1 、P 1 .3 、P1 .5 互差 120°, 完全符合三相可控整流要求。 4 　结语 利用 Pro teus 设计三相整流控制电路, 借助其 强大的实时仿真功能, 能够根据仿真结果及时发现 (a)α=30°时的波形 (b)α=90°时的波形 (c)α=150°时的波形 图 4　不同 α下的波形 设计过程中可能出现的各种软硬件问题 , 并进行针 对性修改, 大大简化了传统单片机开发中设计线路 和程序 、制作线路板 、调试等工作, 并可以根据仿真 电路图制作硬件电路 , 具有传统逻辑设计方法所无 法比拟的优越性。 参考文献: [ 1] 　曹 立军, 吕　强.单 片机 原 理与 应 用[ M] .成 都:电 子 科 技大学出版社, 2005 . [ 2] 　马 忠梅, 籍顺心, 张　凯, 等.单片机的 C 语 言应用程序 设 计[ M] .4 版.北京:北京航空航天大学出版社, 2007. [ 3] 　黄 　俊, 王 兆安.电 力电 子变 流技 术[ M] .3 版.北京: 机 械工业出版社, 1999 . [ 4] 　周 润景, 袁 伟 亭, 景 晓 松.P ro teus 在 M CS - 51 & A RM 7 系统中 的应 用百 例[ M] .北 京:电 子工 业 出 版 社 , 2006 . [ 5] 　魏 桂清, 田春光, 吴春华, 等.单片机数字触发 器[ J] .煤 炭 技术, 1999(2). [ 6] 　李 玉超, 高沁翔.三相 桥式全控整流实验装置的设计 与 研 制[ J] .现代电子技术, 2006(19):104-106. [ 7] 　杨 校辉.P roteus 在 A RM 系 统 设 计 中 的 应 用[ DB/ O L] .(2009 -09 -21).http :// w ww .21ic.com/ app/ embed/ 200909/ 47806.htm . 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net