楊德沛，曾盛綽，周文景，黃海秋

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

一般來說，微機(jī)控制系統(tǒng)控制器輸出功率較小，只能輸出低電平、小電流信號(hào)，而被控對(duì)象通常是大功率設(shè)備，要求高電壓、大電流控制[1]。本文研究的基于PIC單片機(jī)控制的混凝土砌塊成型機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)典型的微機(jī)控制系統(tǒng)，其主要機(jī)械動(dòng)作由各種交流電機(jī)相互協(xié)調(diào)工作完成的，交流電機(jī)以交流接觸器作為驅(qū)動(dòng)器。為了實(shí)現(xiàn)PIC單片機(jī)和各交流接觸器之間的功率轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)選用雙向可控硅作為開關(guān)器件，一方面，可通過PIC單片機(jī)控制雙向可控硅的通斷時(shí)間，控制各交流接觸器的動(dòng)作，達(dá)到了弱電對(duì)強(qiáng)電控制的目的[2]；另一方面，雙向可控硅是一種無觸點(diǎn)開關(guān)器件，在電路斷開瞬間不會(huì)造成接點(diǎn)間的電火花或者電弧干擾，且對(duì)抑制瞬變?cè)肼曈忻黠@的效果。雙向可控硅的觸發(fā)電路有多種，本文研究的是一種通用可靠的觸發(fā)電路及其在PIC單片機(jī)控制的混凝土砌塊成型機(jī)中的應(yīng)用。

1 雙向可控硅的特點(diǎn)及觸發(fā)電路要求

雙向可控硅是在普通可控硅的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其是一種雙向三端器件，外部引出三個(gè)極，內(nèi)部是一種N—P—N—P—N型五層結(jié)構(gòu)，可看成由兩個(gè)P—N—P—N型結(jié)構(gòu)的普通可控硅反極性并聯(lián)組成（見圖1），其特性曲線如圖2所示。其能夠?qū)崿F(xiàn)弱電到強(qiáng)電、小功率到大功率的轉(zhuǎn)換，具有無火花、動(dòng)作快、壽命長、可靠性高[3]以及簡化電路等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

圖1 雙向可控硅結(jié)構(gòu)

圖2 特性曲線

由于雙向可控硅具有雙向?qū)ǖ奶匦?，在其主電極上無論施加正向電壓或者反向電壓，也不管觸發(fā)信號(hào)是正極性還是負(fù)極性，其都能被觸發(fā)導(dǎo)通，因此其有四種觸發(fā)模式，如圖3所示。雙向可控硅的關(guān)斷，則需把負(fù)載電流降到維持電流IH之下，且該電流需保持一段時(shí)間，直至載流子基本從PN結(jié)中撤出，在導(dǎo)通半周的終點(diǎn)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，否則在兩主電極之間的電壓再度上升之前，雙向可控硅不能切換至完全關(guān)斷的狀態(tài)，就有可能在沒有門極電流作用的情況下，回復(fù)導(dǎo)通狀態(tài)。因此，確保雙向可控硅狀態(tài)正確的切換，是我們?cè)趯?shí)際控制應(yīng)用中應(yīng)考慮的重點(diǎn)之一。

圖3 雙向可控硅四種導(dǎo)通模式

2 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)

在實(shí)際工業(yè)控制中，常見的雙向可控硅觸發(fā)方式有兩種[4~5]：一種是采用移相觸發(fā)方式，如圖4（a）所示，該觸發(fā)方式改變了正常的波形，會(huì)對(duì)工廠電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊和干擾，并且在閉環(huán)控制時(shí)，難以保證正負(fù)半波面積相等，可能導(dǎo)致直流分量生成，當(dāng)控制角較小時(shí)，功率因數(shù)較低；另外一種是采用過零觸發(fā)方式，如圖4（b）所示，利用通斷比控制交流調(diào)壓，在電源電壓過零時(shí)就控制雙向可控硅導(dǎo)通和截止，即控制角為零，通過控制門控信號(hào)高電平時(shí)間T2，控制可控硅導(dǎo)通時(shí)間，這樣可以在負(fù)載上得到完整的正弦波，既不會(huì)造成電網(wǎng)的干擾，又能可靠地觸發(fā)雙向可控硅。因此，本文研究的混凝土砌塊成型機(jī)控制系統(tǒng)的雙向可控硅觸發(fā)方式選擇過零觸發(fā)。

圖4 雙向可控硅移相觸發(fā)和過零觸發(fā)比較

單相電網(wǎng)中常用的過零觸發(fā)方式有以下兩種：

（1）直接從單相電網(wǎng)中取出過零脈沖

電路如圖5所示。單相電壓經(jīng)全波整流橋BG整流后變成全波整流電壓，考慮到電網(wǎng)可能出現(xiàn)強(qiáng)干擾信號(hào)，因此本電路采用兩級(jí)限幅,由R2和D1將電壓降至14 V左右，再經(jīng)電阻R3和穩(wěn)壓管D2二次限幅，送至三極管TQ進(jìn)行放大、倒相，從三極管的集電極取出過零脈沖。該脈沖信號(hào)與PIC單片機(jī)發(fā)出的門控信號(hào)經(jīng)與門比較，當(dāng)門控電壓為高電平時(shí)，輸出過零脈沖，以此驅(qū)動(dòng)雙向可控硅通斷，達(dá)到控制交流接觸器目的。R1為泄放電阻，電路用C1，C2，C3進(jìn)行濾波。

圖5 直接從單相電網(wǎng)中取出過零脈沖

（2）專用雙向可控硅集成驅(qū)動(dòng)電路

MOC3061系列過零觸發(fā)隔離雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)器(如圖6)是一種專用于驅(qū)動(dòng)雙向可控硅的驅(qū)動(dòng)器件，采用光電耦合方式，不但具有隔離功能，而且還可以作為開關(guān)器件用于輸出通道，直接用于高壓及大電流工作場(chǎng)合。其最大的特點(diǎn)是內(nèi)部集成了過零檢測(cè)電路，極大地減少了觸發(fā)電路的外圍器件，減少功率耗散，且能用TTL電平驅(qū)動(dòng)，很容易與微處理器接口，進(jìn)行各種自動(dòng)控制設(shè)備的實(shí)時(shí)控制，非常適合用作本系統(tǒng)的雙向可控硅觸發(fā)電路。

圖6 MOC3061過零觸發(fā)隔離雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)器

通過比較以上兩種過零觸發(fā)方式，第一種直接從電網(wǎng)取出過零脈沖，容易引入噪聲干擾，而且使用元器件較多，可靠性不足；第二種使用光電隔離，電路簡單，更容易與單片機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)控制，且相對(duì)可靠，因此本系統(tǒng)主要研究的是第二種過零觸發(fā)方式。

3 在基于PIC單片機(jī)控制的混凝土砌塊成型機(jī)中的應(yīng)用研究

在砌塊成型機(jī)系統(tǒng)中，交流接觸器及其驅(qū)動(dòng)的交流電機(jī)屬于電感性負(fù)載，常伴有干擾電網(wǎng)和自干擾的現(xiàn)象。因?yàn)楫?dāng)雙向可控硅控制交流接觸器電路斷開或閉合時(shí)，接觸器線圈中的電流通路被突然切斷，電壓變化率極大，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的感應(yīng)電壓，該電壓通過電源的內(nèi)阻加在開關(guān)觸點(diǎn)的兩端，然后一次次放電，直到低于放電所必須的電壓為止。這一過程將產(chǎn)生極大的具有很高幅度和很寬頻率的脈沖束，疊加在供電電壓上，并且把干擾傳給供電線或以輻射形式傳向周圍空間，形成一個(gè)很強(qiáng)的噪聲源。在這種電子噪聲充斥的工作環(huán)境中，若干擾電壓超過雙向可控硅的導(dǎo)通電壓VGT，并有足夠的門極電流，就會(huì)發(fā)生假觸發(fā)，導(dǎo)致雙向可控硅切換，甚至造成嚴(yán)重后果。因此，在設(shè)計(jì)雙向可控硅的觸發(fā)電路時(shí)，一定要將這個(gè)噪聲考慮在內(nèi)。

另外，電感性負(fù)載的電壓和電流波形間存在相位差(電壓超前電流)，當(dāng)負(fù)載電流為0時(shí)，電壓為反向電壓，加上感性負(fù)載的自感電動(dòng)勢(shì)e1，使得雙向可控硅承受電壓遠(yuǎn)超過電源電壓，容易被擊穿。當(dāng)負(fù)載電流過零時(shí)雙向可控硅發(fā)生切換，由于相位差電壓并不為零，這時(shí)雙向可控硅須立即阻斷該電壓。在這過程中產(chǎn)生的切換電壓上升率dV/dt若超過允許的dVCOM/dt，會(huì)迫使雙向可控硅回復(fù)導(dǎo)通狀態(tài)，這就可能導(dǎo)致雙向可控硅切換失敗。因此，應(yīng)在T1和T2之間接上RC吸收電路，一方面吸收交流線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1，另一方面限制切換產(chǎn)生的電壓上升率，還可以防止電源中帶來的尖峰電壓、浪涌電流對(duì)雙向可控硅的沖擊和干擾，防止假觸發(fā)的出現(xiàn)。一般要取R1選用能承受浪涌電流的碳膜電阻，阻值約為幾歐到幾十歐，C1取0.01μF~1.0μF。電阻功率可按以下公式計(jì)算：

MOC3061的發(fā)光器件是一個(gè)砷化鎵二極管，在5~15 mA的正向電流下發(fā)出足夠強(qiáng)度的紅外光。輸出部分是一個(gè)光敏雙向晶閘管，其主電極間的電壓接近零時(shí)，在紅外光作用下能雙向?qū)āＲ虼?，為了保證MOC3061的光敏雙向晶閘管可靠觸發(fā)，設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)保證砷化鎵二極管的正向電流大于或者等于其觸發(fā)電流IFT=15 mA，在本系統(tǒng)中，可取IFT與最大IF之間的值。在輸入回路上還可引入一個(gè)普通LED指示燈，與MOC3061內(nèi)部砷化鎵二極管一樣，它們導(dǎo)通的壓降都約為1.4 V，所以計(jì)輸入限流電阻算如下：

由于MOC3061的輸出端峰值重復(fù)浪涌電流IP最大值不能超1A，因此輸出端須串一個(gè)電阻R以限制當(dāng)電路空載時(shí)的電流。本系統(tǒng)連接的負(fù)載是電感性負(fù)載，考慮電感的影響，觸發(fā)外部雙向可控硅的時(shí)間會(huì)延長，流經(jīng)MOC3061輸出端的電流會(huì)增加，所以輸出端限流電阻計(jì)算如下：

式中，VP為交流電路峰值電壓，在引入R之后，MOC3061就有了一個(gè)最小觸發(fā)電壓，若輸出端電壓低于該電壓，外部雙向可控硅不能被觸發(fā)導(dǎo)通，直到輸出端電壓高于該最小觸發(fā)電壓值才導(dǎo)通。還必須注意，MOC3061在輸出關(guān)斷的狀態(tài)下也有小于或等于500μA的漏電流通過，為了消除這個(gè)漏電流輸出對(duì)雙向可控硅門極的影響而導(dǎo)致誤觸發(fā)，在門極與T1極之間加入一個(gè)RG=300歐的電阻，還可并上一個(gè)0.01 F的電容，這樣就可以降低雙向可控硅的門極靈敏度。

經(jīng)反復(fù)研究實(shí)驗(yàn)，最終確定基于PIC單片機(jī)控制的雙向可控硅可靠觸發(fā)電路如圖7所示。

圖7 基于PIC單片機(jī)控制的雙向可控硅可靠觸發(fā)電路圖

圖中MOC3061輸入電流設(shè)計(jì)為17mA，R2和C2的作用也是抑制交流接觸器通斷時(shí)產(chǎn)生的瞬變?cè)肼?。?dāng)PIC單片機(jī)控制端輸出低電平，在輸出端電壓過零時(shí)，MOC3061內(nèi)部的過零檢測(cè)電路發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，光敏雙向晶閘管導(dǎo)通，接著驅(qū)動(dòng)的雙向可控硅也導(dǎo)通。反之，單片機(jī)輸出高電平時(shí)，雙向可控硅關(guān)斷。在實(shí)際生產(chǎn)中，將此電路成功應(yīng)用到廣西潤工機(jī)械有限公司生產(chǎn)的QTM系列全自動(dòng)混凝土砌塊成型機(jī)系統(tǒng)中，控制流程如圖8所示。該電路實(shí)現(xiàn)了用PIC單片機(jī)控制各路雙向可控硅驅(qū)動(dòng)的交流接觸器協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)該系統(tǒng)的自動(dòng)控制，電路觸發(fā)可靠，生產(chǎn)檢驗(yàn)效果良好，達(dá)到了預(yù)期的控制目的。

圖8 砌塊成型機(jī)控制系統(tǒng)基本流程

4 結(jié)束語

雙向可控硅過零觸發(fā)電路具有避免移相觸發(fā)電路對(duì)電網(wǎng)造成污染和對(duì)周圍電氣設(shè)備造成干擾的缺點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于各種微機(jī)控制系統(tǒng)中。本文介紹的基于PIC單片機(jī)控制的雙向可控硅觸發(fā)電路，利用MOC3061系列過零觸發(fā)隔離雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)元件，電路簡單，觸發(fā)可靠，容易與PIC單片機(jī)接口連接，進(jìn)行混凝土砌塊成型機(jī)的實(shí)時(shí)控制，成功實(shí)現(xiàn)了用低電壓/小電流控制高電壓/大電流的負(fù)載，使生產(chǎn)過程控制的精確度比以前有了很大提高，從而也提高了設(shè)備的性能指標(biāo)和運(yùn)行效率。

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