基于DSP的晶闸管数字触发器的研究与设计

1引言

EAST极向场电源是托卡马克主要的子系统之一，它为等离子体的产生、约束、维持、加热，以及等离子体电流、位置、形状、分布和破裂的控制，提供必要的工程基础和控制手段。对于装置运行的性能与安全，物理实验的成败与效率，有着至关重要的作用。所以，极向场电源整流控制电路对于实时性和控制精度都有相当高的要求。其中，晶闸管的触发控制是整流电路的关键环节。极向场电源原有的模拟触发板受速度和性能限制，控制精度和实时性不够理想，无法60o改变一次α角，大多的数字触发器由过零检测、计数器、脉冲分配器组成，本文设计了一种以DSP为控制核心的数字触发器，大大简化了硬件电路的组成，提高了控制精度和实时性，并且软件易于调试，调节范围灵活。

2系统组成及硬件流程图

     极向场变流器主电路采用三相桥式同相逆并联整流电路，变压器的输出为2个绕组输出，分别为A1、B1、C1，A2、B2、C2，A1与A2的相位差为180°，所以对应每个整流器的相同位置的晶闸管得移相脉冲因此也因相应的相差180°相位。对于每一台整流器，都设有alpha控制器一块，所以只要分析其中一台整流器。

3路同步变压器的线电压，经过光耦和比较器处理成方波，再经过阻容滤波和施密特触发器，成为同步脉冲信号。Alpha信号由控制室发出，范围是15^o～150^o，0v表示150^o，，5v表示15^o，而DSP的AD模块电压范围为0～3.3，加一个运放，即0v对应150^o，3.3v对应15^o。

图1：结构原理图

3 DSP控制原理及软件设计

3.1 DSP控制原理

所选DSP芯片为TMS320LF2407,这是一款由TI公司研制的性价比较高的DSP芯片。其供电电压为3.3V。有四个定时器，其中T1和T3可用于全比较器调制PWM波，EVA和EVB各有三个捕获单元。用六个捕获单元检测六个同步过零信号，同步信号到来时，相应捕获产生中断，启动定时器， ADC采α角，然后由定时器产生触发脉冲。极向场变流电路Alpha角范围为15o ～150o，DSP输入电压范围为0v～3.3v，其所对应的线性关系为Alpha=－135/3.3*u+150。由于2407仅有四个定时器，所以在本文的设计中，ab相与ba相的触发脉冲是基于T1产生的，ab过零时所对应的触发脉冲引脚为PWM1,ba过零时所对应触发脉冲引脚为PWM3；ac相与ca相的触发脉冲是基于T3产生的，ac过零时所对应触发脉冲引脚为PWM7,ca过零时所对应触发脉冲引脚为PWM9；这四相的触发脉冲是由全比较器产生的；bc相的触发脉冲是基于T2产生的，所对应引脚为T2PWM;cb相的触发脉冲是基于T4产生的，所对应引脚为T4PWM；这两相的触发脉冲是由定时器自带的比较输出产生的。原理如下图：T3与T1的原理相同，T4与T2的原理相同。由于ab与ba，ac与ca相差180°，所以T1与T3完全可以实现其Alpha角在15o ～150o范围内的控制。

图2：触发脉冲产生原理图

3.2 软件流程

     当捕获单元检测到同步信号时，产生捕获中断，进入捕获中断，启动定时器，开始计数；复位ADC,启动ADC去采Alpha的值，所采的值为电平信号（u），所对应的数字值（D）为：D＝1023×u/3.3，根据所设定的定时器的预定标系和系统时钟来计算Alpha所对应的计数值，将计数值载入全比较寄存器CMPRx（T1、T3）或者比较寄存器TxCMPR(T2、T4)，根据所需要的脉冲宽度，加上一个计数值载入周期寄存器TxPR。设置周期中断，周期产生中断时，使定时器停止计数，相应的，也停止比较输出脉冲。

软件流程图如下：

图3：软件流程图

4实验结果

    极向场电源变流器晶闸管触发方式采取的是双窄脉冲触发，所以在第二个晶闸管导通时，要补给前一个管子一个触发脉冲，此时，只需连接方式上稍加改变就可以实现，根据晶闸管导通的顺序，将PWM7接到PWM1,T2PWM接到PWM7,PWM3接到T2PWM,PWM9接到PWM3,T4PWM接到PWM9,PWM1接到T4PWM；这样便可以实现晶闸管的双窄脉冲触发。