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一種基于單片機的大功率移動電源設(shè)計

作者: 時間:2018-08-14 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:隨著社會的進步和隨著社會的進步、科學技術(shù)的發(fā)展和電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用,電氣化生產(chǎn)、電氣化交通、電力設(shè)備的應(yīng)用變得越來越廣泛,已經(jīng)融入到了社會的各個角落。大功率設(shè)備是為了方便使用者,在沒有供電電源及設(shè)施的野外作業(yè)、在供電電壓不清楚無法使用、在現(xiàn)場用電出現(xiàn)異常而無法使用等場合,可以使用大功率設(shè)備,這樣可以為你的設(shè)備提供長時間的安全保障供電系統(tǒng),特此提出了一種大功率的設(shè)計方案,詳細給出了方案的硬件電路設(shè)計和軟件流程,具有很強的使用價值。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201808/386745.htm

大功率移動電源設(shè)備是為了方便使用者,在沒有供電電源及設(shè)施的野外作業(yè)、供電電壓不清楚無法使用、在現(xiàn)場用電出現(xiàn)異常而無法使用等場合,可以使用電氣試驗移動電源設(shè)備,這樣可以為你的設(shè)備提供長時間的安全保障供電系統(tǒng)。通常情況下,在野外作業(yè),進行電力設(shè)備檢測時,由于供電情況未知,或者完全沒有供電電源等因素,都將會造成工時延誤或者無法使用設(shè)備作業(yè)。故此,為保證在無法用電,負載較大的情況下,對設(shè)備進行持續(xù)供電,特研制該大功率移動電源,保證在斷電狀態(tài)下臨時用電需求。

該供電設(shè)備集安全、智能于一身,結(jié)構(gòu)簡單。具有當前電壓、電流值及相關(guān)用電參數(shù)值的液晶顯示。它可為用電操作人員提供用電技術(shù)參數(shù)。使操作人員用電更安全、更直觀、更方便。

1.移動電源基本構(gòu)架及關(guān)鍵技術(shù)

大功率移動電源是一種采用可充電電池作為儲電單元,通過將電池的24V直流電通過變壓器升壓,經(jīng)過整流橋IGBT開關(guān)管整流成所需要的單相220V交流電,直接對用電器供電或者充電,以達到為設(shè)備持續(xù)續(xù)航的目的。大功率移動電源的基本構(gòu)成一般由可充電電池、升壓降壓電路,充電管理電路,電池保護電路,控制電路組成基本構(gòu)架示意圖如圖1所示。

從大功率移動電源的基本構(gòu)架上看,可以把移動電源的結(jié)構(gòu)簡化為兩大部分,控制電路和被控器件。主控電路使用C8051F系列,C8051F000系列器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片,用于老式51芯片沒有的內(nèi)置12位多通道ADC和一個10位的多通道ADC,由于其抗干擾性好,穩(wěn)定等特點被廣泛用于儀器儀表行業(yè)。同時采用128*64點陣液晶顯示數(shù)據(jù),縮小開發(fā)周期和成本。對交流側(cè)進行100us,2個周期,每個周期50個數(shù)據(jù)點。用均方根算法,算出交流電壓的有效值。并且采用軟件進行簡單濾波,顯示數(shù)值穩(wěn)定,精度高。被控器件有:充電模塊、逆變模塊、電池。電池的材料、體積、容量等直接影響大功率移動電源的質(zhì)量,由于使用了磷酸鐵電池,在放電性能和穩(wěn)定性等方面都較一般鋰電池有大幅度的改善。

系統(tǒng)主控板是大功率移動電源的主要電路設(shè)計,該電路板主要功能是實現(xiàn)對電池的充放電管理、逆變模塊的輸出檢測,用電參數(shù)的顯示以及對電池的保護。大功率移動電源使用的電池電壓一般在24—29.4V,輸出的是220V交流純正弦波,和市電完全一樣,克服了方波不能帶儀器的缺點。達到充電電壓穩(wěn)定,充滿后轉(zhuǎn)為浮充模式,防止電池的過充和倒灌電流等問題。電池的選型:選用體積小,輸出電流大的電池,達到1200W的輸出功率,由于其輸出功率大,也會伴隨產(chǎn)生許多高頻干擾,對其輸出和輸出進行濾波是必要的,以保證其供電質(zhì)量。對大功率移動電源的性能及安全性的影響很大。

2.硬件電路設(shè)計及關(guān)鍵芯片介紹

隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,電路保護板的各個功能實現(xiàn)有很多方案。根據(jù)大功率移動電源的基本結(jié)構(gòu)給出硬件設(shè)計框架圖如圖2所示。

2.1 控制電路電源設(shè)計

由于逆變模塊會產(chǎn)生高頻的干擾回傳上控制板,對控制芯片產(chǎn)生干擾,所以控制板的電源需要進行嚴格的隔離,對模擬地、數(shù)字地和采樣地進行一點接地的方式,+5V電源由電池的24V經(jīng)過LM2576輸出+5V,再經(jīng)過電容電感濾波,給各個電路模塊供電。E0505S輸入+5V,雙路分別輸出+5V、-5V,給采樣芯片OPA2277供電。由于C8051F芯片采用+3.3V供電,所以需要使用LM1117-3.3將+5V轉(zhuǎn)為+3.3V,同時起到隔離作用,如圖3。

2.2 電路設(shè)計

圖4中主芯片采用C8051F005芯片,由于該芯片的穩(wěn)定性和低功耗等特性,被廣泛運用于電子儀器儀表行業(yè)。

2.3 開機控制電路設(shè)計

如圖4該控制電路主要完成電壓采集、輸入輸出控制、用電參數(shù)顯示、人機交互等功能。圖5按鍵控制電路模塊設(shè)計,當按鍵開機后,上電通過P25口發(fā)送一個周期小于100ns的脈沖,由于電容的充放電特性,使IRF9630持續(xù)導(dǎo)通,對控制板供電。當單片機程序跑飛時,此設(shè)計能保證設(shè)備可以自動關(guān)機,做了一個硬件的關(guān)機保護,使系統(tǒng)更加安全可靠,同時使用P24口檢測按鍵持續(xù)時間,當長按開機鍵時,單片機自動停止P25的脈沖發(fā)送,進行自殺操作,做到一鍵開關(guān)機功能。

2.4 采樣電路設(shè)計

由于電池側(cè)的輸出電流較大,用電阻法采集的話,對電阻精度要求較高,所以此處采用了霍爾傳感器來采集直流電流,對電池的放電電流進行監(jiān)測,防止其過放電。同時使用電阻分壓法監(jiān)測電池側(cè)電壓。如圖6:JP4端子連接了用于采樣的霍爾傳感器,將電流型號轉(zhuǎn)換成電壓信號,OPA2277對采集上來的電壓信號進行低通濾波處理,再輸出給芯片的模擬輸入采集端AIN0口。芯片對充電模塊的輸出進行監(jiān)測,將信號濾波送到芯片的AIN1模擬輸入口,當信號大于2V時,判定為充電狀態(tài)。

圖7為交流電壓的采集方法,由于單片機ADC模擬采集口只能采集0V-2.4V的電壓,所以需要先將交流輸出側(cè)通過電阻分壓法,采集R25兩端的電壓進行濾波,同時單片機的DAC0口輸出一個1.2V電壓,用加法器將采集過來的電壓疊加上1.2V,將其抬高到0V以上,輸入到單片機的ADC模擬采集口,用此法比一般的將采集電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓的方法更加具有實時采集性。電流采樣使用圖8的互感器講行采樣。

3.軟件設(shè)計

單片機程序設(shè)計要使整個電路穩(wěn)定有序的工作,因此必須考慮每個單元電路的工作原理和時序要求。本軟件的工作原理是,單獨開啟一個心跳計時器進行分時操作,主流程圖如如9所示,交流采樣端采用均方根算法驚行交流電壓電流的換算,如下代碼:

4.結(jié)語

傳統(tǒng)的移動電源技術(shù)多采用模擬控制或者模擬控制與數(shù)字控制相結(jié)合的控制方法,其缺點有以下幾點:

①控制單元的元器件比較多,體積龐大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜;

②硬件電路設(shè)計完成之后,控制策略就固定了,不易更改為其他的方式,靈活性不夠;

③硬件調(diào)試比較麻煩,由于元器件特性不完全一致,致使電源的一致性差。模擬元器件的工作點存在漂移,這會導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)的漂移,從而造成調(diào)試硬件電路的不便。

以上分析可知傳統(tǒng)的模擬控制方式在許多場合已不適應(yīng)新的設(shè)計要求。隨著高速、廉價的數(shù)字信號處理器的問世,于是便出現(xiàn)了數(shù)字電源。其優(yōu)點有以下幾點:

①嵌入式芯片更容易實現(xiàn)數(shù)字化的處理和控制,避免了模擬信號傳遞過程中出現(xiàn)的信號畸變、失真等情況,同時也減少了由于雜散信號而引起的干擾;

②可控性好,由于嵌入式芯片本身可編程,所以軟件容易升級維護,便于系統(tǒng)的升級維護;

③數(shù)字電源可以方便的和其它功能相結(jié)合,如無線通訊功能可實現(xiàn)遠程遙感、遙測、遙調(diào),人機交互模塊可提供友好的人機界面等。

這些優(yōu)點使得數(shù)字化控制成為以后電源技術(shù)的發(fā)展趨勢。本文選用Silicon Labs公司生產(chǎn)的C8051f005型嵌入式芯進行控制,對電源主電路實現(xiàn)了全數(shù)字控制,提高了輸出電壓的穩(wěn)定性和精確性??刂扑惴ㄍㄟ^軟件編程實現(xiàn),所以容易升級維護,便于系統(tǒng)的升級,也使得用戶根據(jù)各自的需要選擇不同的控制功能更加便利。

大功率移動電源的研究,創(chuàng)造性的將電池充電逆變一體化,相比以往的UPS,發(fā)電機等應(yīng)急設(shè)備,其體積更小巧,成品質(zhì)輕,操作簡單,性能優(yōu)良,帶載能力更強,可廣泛應(yīng)用電氣試驗的常規(guī)用電需求,避免停電無法作業(yè)引起客戶不滿意,產(chǎn)生良好的經(jīng)濟、社會效益。



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