基于數字觸發(fā)器的電源設計

　電源技術(shù)發(fā)展到今天，已融匯了電子、功率集成、自動(dòng)控制、計算機等多領(lǐng)域的技術(shù)[1-3]。早期的線(xiàn)性電源輸出可調范圍窄，應用范圍受到很大的限制，自從20世紀80年代以來(lái)，開(kāi)關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在郵電通信、軍事裝備、交通設施等領(lǐng)域得到廣泛應用[4]。本文介紹一種以單片機為核心，設計數字觸發(fā)器以觸發(fā)晶閘管，通過(guò)晶閘管的開(kāi)通與關(guān)斷實(shí)現電源電壓的變化[5]，最終實(shí)現輸出電壓連續可調的直流電源。該電源充分利用了單片機的強大功能，順應了目前國外直流電源朝著(zhù)數字化發(fā)展的趨勢，滿(mǎn)足輸出電壓寬范圍、可調的要求，并且該電源在軟件和硬件上都有很大的擴展空間，在本電源的基礎上稍做變動(dòng)，就可以應用在許多領(lǐng)域中。

1 可調直流電源的硬件設計

　可調直流電源的硬件原理框圖如圖1所示。系統硬件部分包括單片機模塊、按鍵設定電壓模塊、三項半控橋、數字觸發(fā)模塊、數據采集模塊、報警模塊和顯示模塊。

1.1 單片機模塊
　從經(jīng)濟、實(shí)用角度考慮，系統采用AT89S51單片機，它是整個(gè)系統的控制核心，對所采集的數據進(jìn)行處理，并且針對不同的需求向其他模塊發(fā)出控制信號和指示信號。應用AT89S51實(shí)現數字觸發(fā)器的設計，實(shí)現對三相半控橋中三個(gè)晶閘管的輪流觸發(fā)。
1.2 三相半控橋
　由于系統變壓器采用Δ/Y接法，所以本設計采用由晶閘管和二極管組成的三相半控橋。為了保證電路的可靠運轉，對晶閘管的選擇留有充分合理的裕量。電路中均考慮了過(guò)電壓、過(guò)電流情況下電路的保護問(wèn)題。由于電容兩端電壓不能突變，所以在晶閘管兩端加阻容元件，進(jìn)行過(guò)電壓保護。在三相中通過(guò)接快速熔斷器實(shí)現過(guò)電流保護。三相半控橋電路如圖2所示。

1.3 數字觸發(fā)模塊
　數字觸發(fā)模塊對于三相半控橋能否正常、有序地工作起到非常重要的作用。為了將本系統中強電和弱電分離開(kāi)，采用光電耦合器進(jìn)行隔離，隔離電路如圖3所示。通過(guò)單片機輸出的控制信號，實(shí)現對三個(gè)晶閘管的有序觸發(fā)，如圖4所示。

1.4 數據采集模塊
　數據采集模塊將采集到的電壓信號送入單片機，與單片機的設定電壓進(jìn)行比較，構成一個(gè)如圖5所示的閉環(huán)。若輸出電壓與設定電壓不符，可通過(guò)軟件進(jìn)行輸出電壓調節。
1.5 報警模塊
　報警模塊分為聲音報警和光報警。電路正常工作情況下，無(wú)聲音提示，系統綠燈亮。若電路出現不正常工作情況，紅燈閃爍，發(fā)出“滴滴”警示音。
1.6 顯示模塊
　本系統采用液晶顯示，包括設定電壓值、當前電流值。此外，可根據不同的系統要求，在此顯示模塊上顯示相應的提示信息，較以往的LED顯示有了較大的改善。
1.7 按鍵設定電壓模塊
　通過(guò)按鍵模塊可以實(shí)現對本系統輸出電壓的設定。采用常規的44鍵盤(pán)即可。
2 可調直流電源的軟件設計
　電源在開(kāi)始工作時(shí)，首先人為給定一個(gè)電壓值，此電壓值可從顯示模塊顯示。電壓經(jīng)過(guò)模數轉換后送入AT89S51單片機，通過(guò)該電壓值，單片機可讀出滿(mǎn)足要求的觸發(fā)角度，由輸出觸發(fā)模塊發(fā)出觸發(fā)脈沖觸發(fā)三相晶閘管，數據采集模塊采樣輸出電壓，并經(jīng)過(guò)模數轉換送回單片機與給定值進(jìn)行比較。若給定電壓與輸出電壓不相同，則采用模糊PID進(jìn)行參數調節，最終將輸出電壓穩定在給定電壓值。在電源正常工作的情況下，如果給定電壓發(fā)生變化，則輸出電壓也隨著(zhù)給定電壓變化，實(shí)現一個(gè)隨動(dòng)系統。

　本系統一共用了4個(gè)中斷，分別為定時(shí)器0中斷、定時(shí)器1中斷、外部中斷0、外部中斷1。由外部中斷1得到同步過(guò)零點(diǎn)，由外部中斷0采樣到的給定電壓值確定觸發(fā)角度，通過(guò)定時(shí)器1和定時(shí)器0在每個(gè)周期根據計算出來(lái)的觸發(fā)時(shí)刻分別觸發(fā)三相晶閘管。本系統中還采用了模糊自整定PID參數子程序、數據轉換子程序、數字濾波子程序以及延時(shí)程序等。在模糊自整定PID參數子程序中完成對PID參數的整定，在數字濾波子程序中通過(guò)算法得到與實(shí)際情況最符合的當前采樣值。
　系統主要流程圖如圖6、圖7所示。

　本文所設計的輸出在0～250 V連續可調的直流電源，較其他的晶閘管裝置，本電源觸發(fā)電路簡(jiǎn)單、可靠，輸出穩定，有效地將強電與弱電部分隔離開(kāi)。目前該電源已應用在某高校的船舶電站模擬實(shí)驗室，將電壓調至180～220 V之間時(shí)，可通過(guò)接通啟動(dòng)電路帶動(dòng)電動(dòng)機負載，并給電動(dòng)機提供穩定不變的直流電壓；當電動(dòng)機帶動(dòng)發(fā)電機時(shí)，調壓系統能夠保持發(fā)電機帶動(dòng)負載時(shí)系統輸出直流電壓不變。此外，該直流電源可同時(shí)給兩臺電動(dòng)機供電并保持電壓不變，通過(guò)分別調節各臺電動(dòng)機的勵磁，能夠達到粗同步并車(chē)的條件(即待并機組的電壓與運行機組的電壓大小相等、待并機組的頻率與運行機組的頻率數值相等)，將兩臺發(fā)電機并車(chē)，從而達了到船舶電站實(shí)驗教學(xué)的各項要求。
參考文獻
[1] 孫麗賢，梁新福.三相線(xiàn)路中大功率單相負載的一種有效平衡方法[J].大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報，1999，14(3)：36.
[2] 陳念軍，胡容強，柏俊杰.基于單片機控制的輸出連續可調開(kāi)關(guān)電源的設計[J].電氣應用，2006，25(4)：116-118.
[3] 王喜蓮，王旭東.高精度晶閘管電壓線(xiàn)性數字觸發(fā)[J]. 電力電子技術(shù)，2000，34(3)：40-42.
[4] 黃俊.電力電子變流技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.
[5] PILLAY P， KRISHNAN R. Modeling， simulation and analysis of permanent-motor drives， part I： the permanent-magnet synchronous motor drive[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1989，25(2)：265-273.