一種智能大功率直流電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：本文介紹了以8098單片機(jī)作主控單元的大功率直流電源，該系統(tǒng)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(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況要求下，如以電力系統(tǒng)對(duì)電池充電為例的7種工作方式，并詳細(xì)討論了利用軟件實(shí)現(xiàn)的PI調(diào)節(jié)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(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(chǎng)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(hào)和直流控制信號(hào)相比較獲得的移相信號(hào)。然而，三相鋸齒波信號(hào)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(hào)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(jī)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(diǎn)。但是，由于現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)工作在強(qiáng)電干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，為了減小干擾可能引起程序運(yùn)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(qiáng)系統(tǒng)的功能，加強(qiáng)人機(jī)對(duì)話能力，實(shí)現(xiàn)顯示、打印、命令輸入、循環(huán)檢測(cè)、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(shí)用性。

為了克服上述局限性，利用8098單片機(jī)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(duì)電池進(jìn)行強(qiáng)充、浮充為例，說明系統(tǒng)的工作原理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，系統(tǒng)共設(shè)有7種工作方式，見圖1。

1)手動(dòng)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(gè)0~5V的控制電壓信號(hào)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(yùn)行。

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

(1)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方框圖。

圖2 典型計(jì)算機(jī)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(shí)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(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(jù)上述遞推公式，可以非常方便地用軟件實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器。