基于單片機的智能大功率直流電源設(shè)計

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(zhǔn)確、可靠、穩(wěn)定地控制晶閘管的導(dǎo)通角。

　　目前，大功率直流電源現(xiàn)場應(yīng)用中最為普遍的控制方式大都采用KC或KJ系列小規(guī)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(shù)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平衡能力較差。

　　利用單片機作為控制電路，根據(jù)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。但是，由于現(xiàn)場系統(tǒng)工作在強電干擾比較嚴(yán)重的場合，為了減小干擾可能引起程序運行紊亂，造成系統(tǒng)失控而引起主電路器件的損壞；另外，為了增強系統(tǒng)的功能，加強人機對話能力，實現(xiàn)顯示、打印、命令輸入、循環(huán)檢測、過壓過流保護(hù)以及軟件PI調(diào)節(jié)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(tǒng)的復(fù)雜性，又降低了系統(tǒng)的可靠性和實用性。

　　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(gòu)成一種智能化的電廠大功率直流后備電源。圖1示出控制系統(tǒng)框圖。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

　　1 系統(tǒng)工作原理

　　現(xiàn)以電力系統(tǒng)對電池進(jìn)行強充、浮充為例，說明系統(tǒng)的工作原理。根據(jù)現(xiàn)場要求，系統(tǒng)共設(shè)有7種工作方式，見圖1。

　　1）手動方式（M）

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

　　2）穩(wěn)壓方式（V）

　　穩(wěn)壓方式（V）又稱浮充方式，系統(tǒng)作穩(wěn)壓源閉環(huán)運行。

　　為增強系統(tǒng)的靈活性和通用性，利用軟件實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)。

　?。?）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PI算法

　　圖2示出帶數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的計算機控制系統(tǒng)方框圖。

圖2 典型計算機控制系統(tǒng)方框圖

　　該數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的Z傳遞函數(shù)為：

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

　　將式（1）展開，可得以下位置式算法：

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

　　整理成遞推公式形式：

　　根據(jù)上述遞推公式，可以非常方便地用軟件實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器。[!--empirenews.page--]

（2）改進(jìn)的數(shù)字PI算法

　　標(biāo)準(zhǔn)PI算法一般不能滿足現(xiàn)場要求，比如在開機、停機或大幅度改變設(shè)定值時，短時間內(nèi)系統(tǒng)偏差變化劇烈，容易造成較大的積分積累∑（Ek），使得控制輸出急劇變化，系統(tǒng)超調(diào)嚴(yán)重，動態(tài)性能惡化。

　　為防止這一現(xiàn)象發(fā)生，常用積分分離法、超限削弱積分法和有效偏差法對標(biāo)準(zhǔn)PI算法進(jìn)行改進(jìn)，這在隨動系統(tǒng)設(shè)計中較為常見。

　　由于本系統(tǒng)屬于恒值控制系統(tǒng)，要求有軟起和軟停功能，利用上述改進(jìn)算法已不能滿足要求。為此，采用一種新的恒偏差算法。

　　恒偏差法和有效偏差法相類似。有效偏差法又叫逆算法。即當(dāng)控制量Uk越限時，Uk取邊界值Umax或Umin.由該邊界值逆算出偏差值Ek'代替原來的偏差值Ek.然而，在恒偏差法中，是用經(jīng)過衰減后的Ek'去代替Ek.系統(tǒng)在階躍響應(yīng)時，實際工作在過阻尼狀態(tài)，從而減緩了在起、停時對主電路器件的沖擊。圖3示出兩種算法的階躍輸入響應(yīng)曲線。其中曲線（a）標(biāo)準(zhǔn)PI算法響應(yīng)曲線、曲線（b）恒偏差法響應(yīng)曲線。

圖3 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

　?。?）PI參數(shù)的整定

　　①采樣周期T

　　由于主電路輸出濾波網(wǎng)絡(luò)決定了系統(tǒng)輸出紋波的最大截止頻率f,所以根據(jù)香農(nóng)（Snon）定理可以決定采樣頻率的上限f1 =2f 工程上一般取f1=10f.

　　由于主電路參數(shù)已知，可求得：

　　其下限T2由8098軟件執(zhí)行時間決定。若采用12M晶振，平均每條語句執(zhí)行時間為2us,程序運行大概需要500條語句，那么T2=1ms.所以：

1ms≤ T≤6ms

　　最終可通過現(xiàn)場調(diào)試來選擇了1的大小。

　　② 比例因子Kp及積分時間常數(shù)Ti工程上常用臨界比例度法，對常數(shù)Kp和Ti進(jìn)行整定。即在閉環(huán)條件下，先暫時去掉積分作用，逐漸增大比例增益，直到閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到臨界穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生持續(xù)振蕩為止。記下此時的臨界增益Ku和振蕩周期Tu ,通過查表得到Kp=和Ti的近似值，然后由整機調(diào)試進(jìn)行修正。

　　本系統(tǒng)穩(wěn)壓閉環(huán)實驗測定結(jié)果為：Ku =6,Tu=12.0ms.

　　查表可得：Kp=0.45 x Ku=2.7、Ti=Tu÷1.2=10ms.

　　通過整機調(diào)試，可得出遞推公式中參數(shù)A 、B的值為：A=3、B=2.

　　（4）算法

　　為簡化程序設(shè)計，在進(jìn)行8098軟件編程時，采用無符號數(shù)算法。

　　3）穩(wěn)流方式（I）

　　穩(wěn)流方式又稱強充方式，系統(tǒng)作電流源閉環(huán)運行，原理同上，不同的是積分時間常數(shù)要小一些，調(diào)節(jié)速度較快。

　　實驗數(shù)據(jù)如下：Tu=6.0ms,Ti=5ms、A=4,B=2.

　　4）穩(wěn)壓穩(wěn)流自動轉(zhuǎn)換（V/I）

　　當(dāng)電池虧電時，系統(tǒng)以強充方式工作，電池電壓逐漸升高。當(dāng)超過設(shè)定值時，改為浮充方式。

　　即系統(tǒng)能根據(jù)負(fù)載情況自動選擇充電模式。圖4示出典型的二階段充電曲線。

圖4 蓄電池二階段充電曲線

5）工作方式記憶（M1.M2）

　　系統(tǒng)可存儲兩組常用數(shù)據(jù)，即工作方式、電壓電流給定值、穩(wěn)壓穩(wěn)流轉(zhuǎn)換值、過壓過流值。

　　掉電時還能保護(hù)當(dāng)前的工作記錄。

　　6）軟起、軟停方式（SS）

　　按下該鍵，系統(tǒng)工作在軟停方式。觸發(fā)板將控制脈沖相位拉至最大，然后封鎖脈沖輸出。該鍵彈起，為軟起方式?？刂戚敵鲇勺钚÷两o定值。

　　7）電池檢測方式（TEST）

　　系統(tǒng)能循環(huán)檢測電池電壓，由數(shù)碼管進(jìn)行顯示，也可通過串行口打印輸出，并有報警提示。[!--empirenews.page--]2 系統(tǒng)工作流程圖

　　系統(tǒng)上電后，首先對單片機的外圍接口進(jìn)行檢查，以確保人機對話通道暢通。然后發(fā)出開機信號，對LED、給定寄存器等進(jìn)行復(fù)位，隨后產(chǎn)生頻率為2Hz的方波信號，作為系統(tǒng)的給定輸入。

　　為進(jìn)入上述7種工作方式，系統(tǒng)共設(shè)有三種途徑。

　　途徑I為掉電重起方式。即系統(tǒng)在掉電后，能記錄當(dāng)前工作方式，來電后直接返回到原狀態(tài)。

　　該途徑為系統(tǒng)正常工作時的進(jìn)入通道。

　　途徑II、III一般作調(diào)試用。途徑II是通過M 、M,進(jìn)入相應(yīng)的工作方式，而用戶在設(shè)置給定值、轉(zhuǎn)換值和保護(hù)值時要用到途徑III.

　　系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)工作方式后，可通過中斷方式接受用戶命令，更換當(dāng)前工作狀態(tài)（中斷程序框圖省略）。圖5示出系統(tǒng)工作流程圖。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

　　3 通用觸發(fā)板簡介

　　晶閘管通用觸發(fā)板是以40芯CMOS大規(guī)模集成電路為核心，利用鎖相環(huán)控制技術(shù)（PLL），根據(jù)壓控振蕩器（VCO）鎖定的三相同步信號間的邏輯關(guān)系設(shè)計出的一種晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)。給定0~5V的直流控制信號，便能產(chǎn)生0°~180°移相范圍的三相、六相或十二相強觸發(fā)脈沖。由于采用上述新技術(shù)，克服了KC、KJ系列同類產(chǎn)品的諸多缺點，使該觸發(fā)板輸出的控制脈沖具有高對稱性、高均衡性。另外，該板的抗干擾能力和多種附加功能也大大強化了該板的實用性， 因而具有極高的性能價格比，適用于各種整流、逆變、交流側(cè)原邊控制等大功率晶閘管控制電路。

　　該觸發(fā)板無需同步變壓器，具有相序自動測控核對能力，并具備缺相保護(hù)功能和脈沖禁止接口；通過撥碼開關(guān)可提供雙30°、120°寬的高頻調(diào)制觸發(fā)脈沖。實驗證明，該脈沖可直接驅(qū)動1000A以上的晶閘管，是現(xiàn)場應(yīng)用中晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)的理想產(chǎn)品。

　　4 結(jié)束語

　　該系統(tǒng)的特點在于軟件PI調(diào)節(jié)器的靈活應(yīng)用。一方面，可就多種PI算法進(jìn)行綜合比較，并驗證一些新的算法。另一方面，基于系統(tǒng)的通用性，可就不同的被控對象給出不同的控制模式和參數(shù)。例如100A和500A時的蓄電池，就要有不同的PI調(diào)節(jié)參數(shù)；既使容量相同而生產(chǎn)廠家不同，所要求的參數(shù)也不一致，這是由電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速度決定的。

　　系統(tǒng)的另一個特點是通用觸發(fā)板的使用。它介于計算機PI調(diào)節(jié)器與晶閘管主電路之間，作為一個很好的緩沖界面，能保證調(diào)節(jié)失控時系統(tǒng)的安全可靠。另一方面，8098單片機的WATCHDOG也強化了系統(tǒng)的抗干擾能力，使得該系統(tǒng)非常適用于現(xiàn)場控制。