光電轉(zhuǎn)換電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(圖)
光電轉(zhuǎn)換電源是一種基于光供能的、采用光纖傳輸?shù)?、輸出電壓值不受電網(wǎng)波動(dòng)影響的穩(wěn)壓源。它是光傳能技術(shù)中的關(guān)鍵部件,具有良好的抗電磁干擾、抗輻射干擾的性能,是一種安全、潔凈的電能裝置。
光電轉(zhuǎn)換電源的主要應(yīng)用是混合式光纖電流互感器的供電電源,我們將以混合式光纖電流互感器作為光電轉(zhuǎn)換電源的負(fù)載來(lái)說(shuō)明光電轉(zhuǎn)換電源數(shù)字穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方法。
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
圖1為光電轉(zhuǎn)換電源的總體結(jié)構(gòu)??刂剖因?qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器發(fā)光,發(fā)出的光經(jīng)耦合器耦合到多模光纖中,從而傳輸?shù)綔y(cè)量現(xiàn)場(chǎng);光能在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)化為電能,供給有源器件。雖然在半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電路中已經(jīng)加入了相應(yīng)的穩(wěn)壓或穩(wěn)流電路,但是光電轉(zhuǎn)換電源主要應(yīng)用于遠(yuǎn)端的電子器件。這樣,在光由控制端傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程中會(huì)有損耗,而光電轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換效率與環(huán)境溫度等因素有關(guān),光纖電流互感器的負(fù)載也會(huì)發(fā)生不規(guī)則變化,這些就會(huì)導(dǎo)致高壓側(cè)光電轉(zhuǎn)換后的電壓達(dá)不到系統(tǒng)正常工作的要求,從而影響系統(tǒng)的正常工作,甚至損壞器件。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖
我們可以采用反饋控制的思想來(lái)滿足系統(tǒng)要求。根據(jù)控制論中有關(guān)反饋控制的理論可知,反饋控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。由于采集的是遠(yuǎn)離控制室的參量,因而應(yīng)有一個(gè)通信系統(tǒng)可以使采集的量傳回控制室,如采用光纖通信系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集部分的主要任務(wù)就是采集高壓側(cè)(或遠(yuǎn)離控制室)的電量,經(jīng)過(guò)濾波后傳回控制室。這部分包括了微處理器和A/D轉(zhuǎn)換器,而數(shù)字量的傳輸以光纖為主。綜合考慮系統(tǒng)性能、工作環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益等因素,選取單片機(jī)89C2051為主控制器。系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)采集部分的功耗是必須要考慮的,故采集部分的核心器件A/D轉(zhuǎn)換器采用ADI公司的低成本、高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器AD7705。
AD7705在工作過(guò)程中容易出現(xiàn)端口迷失的現(xiàn)象,為確保它可以正常地工作,還加入了專用看門狗芯片X5045。
89C2051與AD7705的連接如圖2所示。89C2051的RXD引腳和TXD引腳分別接AD7705的DIN腳和SCLK引腳,這樣就可以采用單片機(jī)的串口工作方式0對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)寄存器進(jìn)行設(shè)置,并讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù);89C2051的P1.3腳接AD7705的片選腳;89C2051的 P1.2腳接AD7705的復(fù)位引腳,從而保證了AD7705的可靠復(fù)位;另外AD7705主時(shí)鐘采用外接晶振的方式,晶振頻率為2MHz,可以在軟件中對(duì)相應(yīng)的寄存器進(jìn)行設(shè)置,使其實(shí)際工作頻率為外接晶振頻率的二分頻,即為1MHz;參考電壓負(fù)端接地,正端接LM385-2.5的陰極。
圖2 數(shù)據(jù)采集電路
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)處理部分是系統(tǒng)的重要組成部分,這一部分的主要作用是接收采集傳輸回來(lái)的數(shù)據(jù),并根據(jù)適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行運(yùn)算,最后將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器以控制激光器的輸出光功率輸出。D/A轉(zhuǎn)換器采用了MAXIM公司的MAX542。系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。
圖3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖
MAX542是16位串行輸入、電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器。其輸出非緩沖,因而只有0.3mA低供電電流和1LSB的低漂移誤差;輸出電壓范圍為0V到VREF(參考電壓),可以接成單極性或雙極性輸出方式,具有更廣泛的應(yīng)用范圍。
在數(shù)據(jù)處理板中,單片機(jī)功能為:驅(qū)動(dòng)光收發(fā)合一模塊接收采集板傳回的數(shù)據(jù);與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信,以便在控制過(guò)程中改變相應(yīng)PID運(yùn)算參數(shù)的設(shè)定;控制D/A轉(zhuǎn)換器將PID運(yùn)算結(jié)果輸出以控制激光器的輸出光功率,達(dá)到穩(wěn)壓控制的目的。此處單片機(jī)選用了AT89C52。
單片機(jī)與MAX542的連接如圖4所示。用單片機(jī)的P2.5腳與MAX542的LDAC引腳相連,這樣通過(guò)控制單片機(jī)的相應(yīng)管腳即可以準(zhǔn)確刷新D/A轉(zhuǎn)換輸出鎖存器;單片機(jī)的P2.7腳與MAX542的片選端CS相連,這樣在系統(tǒng)要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時(shí)選通相應(yīng)管腳即可,可以相應(yīng)地降低系統(tǒng)功耗,也有利于減少誤操作;參考電壓仍由精密穩(wěn)壓管LM385-2.5提供2.5V的基準(zhǔn)電壓;在其輸出端接電壓跟隨器,這樣可以把模擬部分與數(shù)字部分進(jìn)行隔離,減小系統(tǒng)干擾,同時(shí)增加系統(tǒng)的帶負(fù)載能力。在系統(tǒng)中采用普通管腳來(lái)控制MAX542的工作,通過(guò)編程就能實(shí)現(xiàn)MAX542的工作時(shí)序,還可用單片機(jī)的串口與MAX542的相應(yīng)管腳相連,就可以采用串口工作方式0來(lái)控制MAX542的轉(zhuǎn)換。在本系統(tǒng)中,單片機(jī)的串口用來(lái)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信,這樣就可以在不同的條件下對(duì)系統(tǒng)設(shè)定不同的參數(shù)來(lái)達(dá)到穩(wěn)壓控制的目的。在要求比較高的條件下,可以通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)記錄光電轉(zhuǎn)換電源的工作情況。
圖4 D/A轉(zhuǎn)換電路
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的抗干擾措施
濾波方法是抑制干擾、保證測(cè)量精度的有效途徑。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中,可利用硬件濾波器電路或軟件濾波器算法提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。硬件濾波措施是使用較多的一種方法,但是會(huì)增加設(shè)備,又可能帶來(lái)新的干擾源。而軟件濾波算法不需增加硬件設(shè)備,可靠性高、功能多樣、使用靈活,具有許多硬件濾波措施所不具備的優(yōu)點(diǎn)。在數(shù)據(jù)采集部分選用的A/D 轉(zhuǎn)換器件為AD7705,它內(nèi)置了數(shù)字濾波器。選定的輸入信號(hào)被送到一個(gè)基于模擬調(diào)制器的增益可編程專用前端,片內(nèi)數(shù)字濾波器處理調(diào)制器的輸出信號(hào),通過(guò)片內(nèi)控制寄存器可調(diào)節(jié)濾波器的截止點(diǎn)和輸出更新率,從而對(duì)數(shù)字濾波器的第一個(gè)陷波進(jìn)行編程。
AD7705內(nèi)嵌了數(shù)字低通濾波器,可在A/D轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行數(shù)字濾波,能消除A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)的噪聲。此外,數(shù)字濾波器具有可編程性。依靠數(shù)字濾波器設(shè)計(jì),用戶可以編程截?cái)囝l率和輸出更新頻率。此外,因?yàn)閮?nèi)部帶有數(shù)字濾波器,AD7705具有抑制干擾功能。50Hz的工頻干擾在第一陷波位置已衰減100dB,這樣就有效地抑制了工頻干擾。另外,本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí),以10個(gè)數(shù)據(jù)作為一組,再用平均值濾波法對(duì)這10個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均,用此平均值作為該時(shí)刻的采樣值,這樣就有效地去除了數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差。而且,光電轉(zhuǎn)換電源輸出端電壓的變化是緩慢的,因而以10次采樣值的平均值作為該時(shí)刻的值進(jìn)行處理能夠滿足系統(tǒng)要求,實(shí)驗(yàn)證明這種方法是可行的。
評(píng)論