一種智能大功率直流電源的設計與實(shí)現

摘 要：本文介紹了以8098單片機作主控單元的大功率直流電源，該系統中采用WATCHDOG的抗干擾技術(shù)和鎖相環(huán)(PLL)控制原理，文章闡述了電力系統根據現場(chǎng)情況要求下，如以電力系統對電池充電為例的7種工作方式，并詳細討論了利用軟件實(shí)現的PI調節方法。

0 引言

在大功率直流電源中，主電路一般采用晶閘管三相全控橋式整流電路，其關(guān)鍵在于如何準確、可靠、穩定地控制晶閘管的導通角。

目前，大功率直流電源現場(chǎng)應用中最為普遍的控制方式大都采用KC或KJ系列小規模集成電路，即采用三相鋸齒波信號和直流控制信號相比較獲得的移相信號。然而，三相鋸齒波信號的斜率、占空比、幅度等與每相的器件參數密切相關(guān)，并且比較信號中小的干擾可能造成較大的相移誤差，因而電路的可靠性和自動(dòng)平衡能力較差。

利用單片機作為控制電路，根據三相全控橋觸發(fā)脈沖之間的邏輯關(guān)系，直接產(chǎn)生六相高度均衡的觸發(fā)脈沖，可以克服KC、KJ系列電路均衡性差的缺點(diǎn)。但是，由于現場(chǎng)系統工作在強電干擾比較嚴重的場(chǎng)合，為了減小干擾可能引起程序運行紊亂，造成系統失控而引起主電路器件的損壞;另外，為了增強系統的功能，加強人機對話(huà)能力，實(shí)現顯示、打印、命令輸入、循環(huán)檢測、過(guò)壓過(guò)流保護以及軟件PI調節器等功能，必須采用雙CPU并行工作。但雙CPU并行工作既增加了系統的復雜性，又降低了系統的可靠性和實(shí)用性。

為了克服上述局限性，利用8098單片機作主控單元， 并充分利用WATCHDOG的抗干擾性能，采用以鎖相環(huán)(PLL)為基本控制原理的通用觸發(fā)板作中間界面，構成一種智能化的電廠(chǎng)大功率直流后備電源。圖1示出控制系統框圖。

圖1 控制系統框圖

1 系統工作原理

現以電力系統對電池進(jìn)行強充、浮充為例，說(shuō)明系統的工作原理。根據現場(chǎng)要求，系統共設有7種工作方式，見(jiàn)圖1。

1)手動(dòng)方式(M)

系統工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，利用8098的PWM口，經(jīng)濾波后輸出一個(gè)0~5V的控制電壓信號給觸發(fā)板，使整流橋相應輸出電壓為0~300V.該方式主要用于系統主電路的檢修和維護。

2)穩壓方式(V)

穩壓方式(V)又稱(chēng)浮充方式，系統作穩壓源閉環(huán)運行。

為增強系統的靈活性和通用性，利用軟件實(shí)現PI調節。

(1)標準數字PI算法

圖2示出帶數字PI調節器的計算機控制系統方框圖。

圖2 典型計算機控制系統方框圖

該數字PI調節器的Z傳遞函數為：

式中：Ki -- 積分系數，Ki= KoT/Ti;T--采樣周期; Ti-- 積分時(shí)間常數;Kp-- 比例因子;U(Z)--控制量輸出的z傳遞函數;E(z)- -偏差量的z傳遞函數。

將式(1)展開(kāi)，可得以下位置式算法：

式中Uo-- 初始值;Uk - - 第k次采樣點(diǎn)獲得的控制量;Ek--第k次采樣點(diǎn)獲得的偏差量;Ej--第j次采樣點(diǎn)的偏差值;k一第k次采樣點(diǎn)。

整理成遞推公式形式：

根據上述遞推公式，可以非常方便地用軟件實(shí)現PI調節器。