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激光電源

基於單片機的智能大功率直流電源設計

星之球激光 來源:電子發燒友2011-10-31 我要評論(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(guan) 鍵在於(yu) 如何準確、可靠、穩定地控製晶閘管的導通角。 目前,大功率直流電源現場應用中最為(wei) 普...

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(guan) 鍵在於(yu) 如何準確、可靠、穩定地控製晶閘管的導通角。

  目前,大功率直流電源現場應用中最為(wei) 普遍的控製方式大都采用KC或KJ係列小規模集成電路,即采用三相鋸齒波信號和直流控製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(yu) 每相的器件參數密切相關(guan) ,並且比較信號中小的幹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(wei) 控製電路,根據三相全控橋觸發脈衝(chong) 之間的邏輯關(guan) 係,直接產(chan) 生六相高度均衡的觸發脈衝(chong) ,可以克服KC、KJ係列電路均衡性差的缺點。但是,由於(yu) 現場係統工作在強電幹擾比較嚴(yan) 重的場合,為(wei) 了減小幹擾可能引起程序運行紊亂(luan) ,造成係統失控而引起主電路器件的損壞;另外,為(wei) 了增強係統的功能,加強人機對話能力,實現顯示、打印、命令輸入、循環檢測、過壓過流保護以及軟件PI調節器等功能,必須采用雙CPU並行工作。但雙CPU並行工作既增加了係統的複雜性,又降低了係統的可靠性和實用性。

  為(wei) 了克服上述局限性,利用8098單片機作主控單元, 並充分利用WATCHDOG的抗幹擾性能,采用以鎖相環(PLL)為(wei) 基本控製原理的通用觸發板作中間界麵,構成一種智能化的電廠大功率直流後備電源。圖1示出控製係統框圖。

 

圖1 控製係統框圖

  1 係統工作原理

  現以電力係統對電池進行強充、浮充為(wei) 例,說明係統的工作原理。根據現場要求,係統共設有7種工作方式,見圖1。

  1)手動方式(M)

  係統工作在開環狀態,利用8098的PWM口,經濾波後輸出一個(ge) 0~5V的控製電壓信號給觸發板,使整流橋相應輸出電壓為(wei) 0~300V.該方式主要用於(yu) 係統主電路的檢修和維護。

  2)穩壓方式(V)

  穩壓方式(V)又稱浮充方式,係統作穩壓源閉環運行。

  為(wei) 增強係統的靈活性和通用性,利用軟件實現PI調節。

  (1)標準數字PI算法

  圖2示出帶數字PI調節器的計算機控製係統方框圖。

 

圖2 典型計算機控製係統方框圖

  該數字PI調節器的Z傳(chuan) 遞函數為(wei) :

 

  式中:Ki -- 積分係數,Ki= KoT/Ti;T--采樣周期; Ti-- 積分時間常數;Kp-- 比例因子;U(Z)--控製量輸出的z傳(chuan) 遞函數;E(z)- -偏差量的z傳(chuan) 遞函數。

  將式(1)展開,可得以下位置式算法:

 

  式中Uo-- 初始值;Uk - - 第k次采樣點獲得的控製量;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:

 

  根據上述遞推公式,可以非常方便地用軟件實現PI調節器。

(2)改進的數字PI算法

  標準PI算法一般不能滿足現場要求,比如在開機、停機或大幅度改變設定值時,短時間內(nei) 係統偏差變化劇烈,容易造成較大的積分積累∑(Ek),使得控製輸出急劇變化,係統超調嚴(yan) 重,動態性能惡化。

  為(wei) 防止這一現象發生,常用積分分離法、超限削弱積分法和有效偏差法對標準PI算法進行改進,這在隨動係統設計中較為(wei) 常見。

  由於(yu) 本係統屬於(yu) 恒值控製係統,要求有軟起和軟停功能,利用上述改進算法已不能滿足要求。為(wei) 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。即當控製量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,是用經過衰減後的Ek'去代替Ek.係統在階躍響應時,實際工作在過阻尼狀態,從(cong) 而減緩了在起、停時對主電路器件的衝(chong) 擊。圖3示出兩(liang) 種算法的階躍輸入響應曲線。其中曲線(a)標準PI算法響應曲線、曲線(b)恒偏差法響應曲線。

 

圖3 係統階躍響應曲線

  (3)PI參數的整定

  ①采樣周期T

  由於(yu) 主電路輸出濾波網絡決(jue) 定了係統輸出紋波的最大截止頻率f,所以根據香農(nong) (Snon)定理可以決(jue) 定采樣頻率的上限f1 =2f 工程上一般取f1=10f.

  由於(yu) 主電路參數已知,可求得:

 

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

1ms≤ T≤6ms

  最終可通過現場調試來選擇了1的大小。

  ② 比例因子Kp及積分時間常數Ti工程上常用臨(lin) 界比例度法,對常數Kp和Ti進行整定。即在閉環條件下,先暫時去掉積分作用,逐漸增大比例增益,直到閉環係統達到臨(lin) 界穩定狀態,發生持續振蕩為(wei) 止。記下此時的臨(lin) 界增益Ku和振蕩周期Tu ,通過查表得到Kp=和Ti的近似值,然後由整機調試進行修正。

  本係統穩壓閉環實驗測定結果為(wei) :Ku =6,Tu=12.0ms.

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

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

  (4)算法

  為(wei) 簡化程序設計,在進行8098軟件編程時,采用無符號數算法。

  3)穩流方式(I)

  穩流方式又稱強充方式,係統作電流源閉環運行,原理同上,不同的是積分時間常數要小一些,調節速度較快。

  實驗數據如下:Tu=6.0ms,Ti=5ms、A=4,B=2.

  4)穩壓穩流自動轉換(V/I)

  當電池虧(kui) 電時,係統以強充方式工作,電池電壓逐漸升高。當超過設定值時,改為(wei) 浮充方式。

  即係統能根據負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)

  係統可存儲(chu) 兩(liang) 組常用數據,即工作方式、電壓電流給定值、穩壓穩流轉換值、過壓過流值。

  掉電時還能保護當前的工作記錄。

  6)軟起、軟停方式(SS)

  按下該鍵,係統工作在軟停方式。觸發板將控製脈衝(chong) 相位拉至最大,然後封鎖脈衝(chong) 輸出。該鍵彈起,為(wei) 軟起方式。控製輸出由最小慢慢升至給定值。

  7)電池檢測方式(TEST)

  係統能循環檢測電池電壓,由數碼管進行顯示,也可通過串行口打印輸出,並有報警提示。#p#分頁標題#e#

2 係統工作流程圖

 

  係統上電後,首先對單片機的外圍接口進行檢查,以確保人機對話通道暢通。然後發出開機信號,對LED、給定寄存器等進行複位,隨後產(chan) 生頻率為(wei) 2Hz的方波信號,作為(wei) 係統的給定輸入。

  為(wei) 進入上述7種工作方式,係統共設有三種途徑。

  途徑I為(wei) 掉電重起方式。即係統在掉電後,能記錄當前工作方式,來電後直接返回到原狀態。

  該途徑為(wei) 係統正常工作時的進入通道。

  途徑II、III一般作調試用。途徑II是通過M 、M,進入相應的工作方式,而用戶在設置給定值、轉換值和保護值時要用到途徑III.

  係統進入相應工作方式後,可通過中斷方式接受用戶命令,更換當前工作狀態(中斷程序框圖省略)。圖5示出係統工作流程圖。

 

圖5 係統工作流程圖

  3 通用觸發板簡介

  晶閘管通用觸發板是以40芯CMOS大規模集成電路為(wei) 核心,利用鎖相環控製技術(PLL),根據壓控振蕩器(VCO)鎖定的三相同步信號間的邏輯關(guan) 係設計出的一種晶閘管觸發係統。給定0~5V的直流控製信號,便能產(chan) 生0°~180°移相範圍的三相、六相或十二相強觸發脈衝(chong) 。由於(yu) 采用上述新技術,克服了KC、KJ係列同類產(chan) 品的諸多缺點,使該觸發板輸出的控製脈衝(chong) 具有高對稱性、高均衡性。另外,該板的抗幹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(jia) 格比,適用於(yu) 各種整流、逆變、交流側(ce) 原邊控製等大功率晶閘管控製電路。

  該觸發板無需同步變壓器,具有相序自動測控核對能力,並具備缺相保護功能和脈衝(chong) 禁止接口;通過撥碼開關(guan) 可提供雙30°、120°寬的高頻調製觸發脈衝(chong) 。實驗證明,該脈衝(chong) 可直接驅動1000A以上的晶閘管,是現場應用中晶閘管觸發係統的理想產(chan) 品。

  4 結束語

  該係統的特點在於(yu) 軟件PI調節器的靈活應用。一方麵,可就多種PI算法進行綜合比較,並驗證一些新的算法。另一方麵,基於(yu) 係統的通用性,可就不同的被控對象給出不同的控製模式和參數。例如100A和500A時的蓄電池,就要有不同的PI調節參數;既使容量相同而生產(chan) 廠家不同,所要求的參數也不一致,這是由電池內(nei) 部化學反應速度決(jue) 定的。

  係統的另一個(ge) 特點是通用觸發板的使用。它介於(yu) 計算機PI調節器與(yu) 晶閘管主電路之間,作為(wei) 一個(ge) 很好的緩衝(chong) 界麵,能保證調節失控時係統的安全可靠。另一方麵,8098單片機的WATCHDOG也強化了係統的抗幹擾能力,使得該係統非常適用於(yu) 現場控製。

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