基于STM32的晶闸管三相调压电路的设计

摘要：SCR三相调压触发电路已有不少设计与应用，文中提出了一种简化的基于STM32的调压触发电路设计方案，并完成了系统的软硬件设计。该设计主要采用了光电隔离并利用三相电源自身的相间换流特性，只用三组触发信号就可以达到控制六只晶闸管导通角的作用。软件部分采用了STM32芯片多个高性能定时器及周边AD接口，完成了高精度触发信号发生、PID控制调压等功能。通过实验表明该系统简便可靠，达到了设计要求。
关键词：SCR；触发电路；三相异步电机；STM32

晶闸管三相电源调压的核心是在准确采集电源电压或电流的同步信号基础上，可靠有效地按照三相电源的相间规律计算触发角来触发对应的六只晶闸管。传统的晶闸管触发电路有模拟电路触发方式与数字电路触发方式之分，而数字式触发方式又分成电源电压同步的双脉冲触发、电源电压同步的宽脉冲触发、电源相电流同步的双脉冲触发等多种触发方式。这些触发方式要求以同步信号为基准，按照预先设计好的时序依次控制晶闸管的导通与关断，即使有外界干扰也不会改变时序。
由此可见，如要实现高可靠、高精度的三相电压调节必须满足如下几个条件：准确可靠的同步信号获取；高精度、抗干扰能力强的晶闸管触发脉冲的发生与隔离输出。为了实现以上目标在参考了其他研究的基础上，提出了采用运算能力较强的32位STM32单片机结合特定主回路的相间合成触发电路的设计思想。该方案通过实际实验验证可以可靠地控制三相电机负载的电压。

1 移相触发电路的总体设计
移相触发调压系统主要由输出相间电压检测电路、过零同步信号检测电路、相序检测电路、STM32核心及周边电路、触发脉冲发生与输出电路、晶闸管光电隔离与驱动电路、晶闸管调压主回路所组成，如图1所示。系统通过检测过零同步信号、根据负载的电流电压相位差算出功率因数角，通过调整输出触发脉冲序列的触发角大小达到调整输出电压从而改善功率因数的目的。

2 调压电路及移相触发脉冲序列时序设计
根据图2三相电源的波形图我们知道，三相U、V、W完全对称，各相相差都是120°(2π／3)。电路每隔60°(π／3)换流一次，而且换流次序是依据相间电压的高低变化顺序规律地转换。三相电压正负周交点是非控制时整流的自然换流点(图2中1～6点)，也就是三相晶闸管能被触发导通的最早时刻(1点离U相相电压Uu的过零点π／6)，该点作为U相触发角α在纯阻性负载下能够调压的计算起点。

图3为三相异步电机晶闸管调压主回路，由VT1～VT6及3组RC吸收电路构成。电路的工作原理是以触发角α(α>=max(φ，y)，φ为功率角；y为过零点与自然换相点的相位差)开始按照VT1～VT6的顺序每隔60°触发导通两只晶闸管，即在触发每只(如VT1)晶闸管的同时也要触发换流相对应的晶闸管(如VT2)。所以通过控制触发角大小并且以(VT1、VT2)、(VT2、VT3)、(VT3、VT4)、(VT4、VT5)、(VT5、VT6)、(VT6、VT1)、(VT1、VT2)…的顺序每隔60°循环触发对应晶闸管，就可达到三相异步电机晶闸管调压的目的。

图4是U相电压同步信号采集电路，文中将U、V、W三相通过100 k／1 W的电阻接一公共点，将该点当做强电与弱电的参考点，即数字地。U相线经D301、D302箝位至TTL电平，通过Q1开关三极管输出与正弦波反相的方波，再用CD4049处理成与U相电压同相的方波，这一信号正是我们需要的U相电压过零同步信号U_Syne。[p]
本文设计了如图5的晶闸管触发信号发生与驱动电路，J1为与晶闸管连接的接线端子插座，U10～U15为TLP3052光电耦合器，实现STM32控制信号与强电的隔离。这个电路的特点是只采用了3组触发脉冲信号就可以控制6只晶闸管，减少了一半的CPU控制信号，从而也有效地简化了控制软件的复杂性。

触发脉冲信号U_Trigger、V_Trigger、W_Trigger的起点是以U相电压同步信号U_Sync为基准，依据功率角φ及需要下调的电压由STM32处理器通过计算得出的，而且这3个触发脉冲信号必须循环间隔60°。
根据以上分析，本文设计了如图6的以U相电压过零同步信号U_Sync为基准的U_Trigger、V_Trigger、W_Trigger触发脉冲信号时序图。从图中可以看出三组触发脉冲信号U_Trigger、V_Trigger、W_Trigger的脉冲间相位差都为60°。
在一个周期360°(50Hz，20 ms时间间隔)中，即ωt∈[0，2π]期间，U_Trigger、V_Trigger、W_Trigger都要发生4个有高度依赖关系的脉冲。而且这些脉冲按照周期规律顺序循环发生，只要不改变触发角参数，它们就会一直在固定的相位上出现。
为了更加清晰地说明电路的工作原理，我们给出了图7所示的三相异步电机调压的等效电路。图中的电阻、电容、二极管的标号与图3～图5的一致，S1～S6为光电耦合器的强电开关部分。由于K4、K6、K2分别与U、V、W三相电源相连，由图7结合图6来看，当没有触发脉冲发生时，S1、S2、S3、S4、S5、S6开关打开，由于在各相换流期间门极触发电流达不到使晶闸管从阻断到开通所必需的最小门极直流电流，所以三相电源加不到负载电机上，电机不转。

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讨论一下ωt∈[0，π]期间即U相正半周的情况，通过图6我们可以看出，以U_Sync过零点为基准，在经过延迟角Delay Angle(即触发角α)后开始同时发出了U_Trigger、W_Trigger两个触发脉冲，从而相当于将S1、S2、S5、S6开关闭合。由于此时已经过了U、W的自然换相点(图1的点1)，U点电压大于W点电压，电流可以从U点(也就是K4)经R15、R3、S1、S2、R14、L1、L3、R18、S6、S5、R11、R19流至W点(也就是K2)。这样K4点电压比G4高，G1点电压比K1高，K5点电压比G5高，G2点电压比K2高，根据晶闸管特性我们知道，只要G点电压高于K点电压，且电流方向与晶闸管方向一致，则该只晶闸管将被触发导通，即VT1、VT2导通，与我们的设计思想一致。
再分析一下ωt∈[π，2π]期间即U相负半周的情况，第一组触发脉冲发生后，经过π时间(180°)，根据三相电源原理也将会进行一次换流(图1的点4)，所以必须发生U_Trigger、W_Trigger两个触发脉冲，相当于将S1、S2、S5、S6开关闭合。由于此时已经过了W、U的自然换相点，W点电压大干U点电压，电流可以从W点(也就是K2)经R19、R11、S5、S6、R18、L1、R14、S2、S1、R3、R15流至U点(也就是K4)。这样K2点电压比G2高，G5点电压比K5高，K1点电压比G1高，G4点电压比K4高，根据晶闸管特性我们知道，只要G点电压高于K点电压，且电流方向与晶闸管方向一致，则该只晶闸管将被触发导通，即VT4、VT5导通，也同样与我们的设计思想一致。其它换流时刻依此原理，不再赘述。
通过以上分析，如果我们正确发生了图6的三组触发信号，配合图3～图5的电路，通过调整触发角α的大小就可以有效控制三相电机的输入电压，达到调压的目的。
前面我们分析了触发脉冲发生的时序及相互依赖关系，下面我们再讨论一下脉冲宽度对调压控制的影响。
对于标准的纯阻性负载来说，只要在自然换流点以后的某个时间点触发，就会使得相应的晶闸管导通。如果在自然换流点之前触发，而且触发脉冲的下降沿也处于自然换流点之前，那么将会发生遗漏触发的现象。所以在纯阻性负载情形下，如果触发脉冲宽度跨越自然换流点，那么换流后对应的晶闸管马上导通，相当于输出满压。如果调压控制的话，必须保证触发脉冲上升沿在自然换流点之后。
对于电机等感性负载来说，相对于纯阻性负载会延迟一个功率角φ，调压时的触发角应该满足如下公式α>=max(φ，y)，当然可以尽量增大触发脉冲的宽度W，保证30°W60°比较合适。

3 系统软件设计
系统主芯片采用意法半导体公司生产的STM32 ARMCortex—M3，开发平台选用Keil MDK。整个软件采用了模块化编程思想，分成数据采集模块、触发信号发生模块、PID控制模块、通讯模块及人机交互模块组成。系统软件结构图如图8所示。

其中，数据采集模块负责采集通过互感器及信号调理电路输出的相间电压值(SCR调压值)，供PID控制模块做PV值使用；触发信号发生模块主要用来发生以一定的控制角导通对应晶闸管起到调压作用的触发波形；PID控制模块完成控制到某给定电压(SV值)的任务；通讯模块负责完成将调压后电压及控制角参数以9 600波特率输出至计算机的作用；系统人机交互模块完成通过键盘、LCD显示板进行手动测试的作用。控制软件的流程图如图9所示。

4 实验应用
本系统应用于油田抽油机的节电项目中，只要按照要求正确将设备与三相电源、三相交流异步电机相连，系统就会自动跟踪负载。负载轻，所调的电压就低；负载重，所调的电压就高。由于晶闸管特性的限制，所调电压不会低于200 V交流，不然由于导通角较大，低次谐波过多，会出现断流电机堵转现象。如图10所示系统按照需求发生了正确的触发信号波形，通过实际运行来看，系统运行达到预期结果、稳定可靠。

5 结论
本系统采用STM32高性能ARM处理器设计了光电隔离的晶闸管触发控制脉冲信号及驱动电路，可以输出30°～60°脉宽较宽的触发信号，规避了脉冲变压器驱动方式只能采用窄脉冲或窄脉冲序列的缺点。软件采用模块化思想进行设计，提高了系统软件的健壮性，同时也提高了系统的可靠性及可维护性。通过实际运行结果表明，系统具有调压准确、稳定可靠等特点，达到了设计要求。