一種基于功率放大器的恒流源電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
在斷路器可靠性試驗(yàn)設(shè)備中,試驗(yàn)電源的穩(wěn)定、精確是保證測試可靠的基礎(chǔ)。否則,無論是在斷路器出廠試驗(yàn)還是型式試驗(yàn)中,都會因?yàn)闇y試電源的波動使校驗(yàn)后的產(chǎn)品存在著合格品被判為不合格,而不合格品被判為合格的可能。傳統(tǒng)恒流源制作是利用二極管、三極管、集成穩(wěn)壓源的特性制作的參數(shù)穩(wěn)流器、串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)流電源、開關(guān)穩(wěn)流源等,但往往存在著輸出電流范圍小、穩(wěn)流精度不高、效率較低、可靠性較差、輸出紋波大等缺點(diǎn)。我們設(shè)計(jì)了一種基于AT89C51的恒流源控制系統(tǒng),電流輸出0?100A,電流精度≤2%,電壓輸出15V,能實(shí)現(xiàn)快速、高精度、靈活、多功能的控制要求,在斷路器可靠性試驗(yàn)中提供了穩(wěn)定、精確的試驗(yàn)電源。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/227261.htm主電路的組成
主電路是由電壓電流調(diào)節(jié)電路,升流變壓器,電流檢測反饋電路,輸入控制和顯示等幾部分電路構(gòu)成的,以上各個模塊都是由AT89C51來控制的,其總體構(gòu)架如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
1、電壓電流調(diào)節(jié)電路
電壓調(diào)節(jié)模塊主要由變壓器和DS1267數(shù)字電位器構(gòu)成,單個DS1267可調(diào)精度最大為16位,可知單次最小變化量為1/512,對于 220V電壓來說基本可認(rèn)為是線性關(guān)系,符合恒流源的電壓調(diào)節(jié)精度。電流調(diào)節(jié)模塊主要由TDA2030芯片和大功率晶體管2SA1302、2SC3281 組成的。其中,2SA1302與2SC3281組成推挽功率放大結(jié)構(gòu),為了增加輸出電流,采用了兩路相同結(jié)構(gòu)的并聯(lián)電路,其電路如圖2所示。
圖2 推挽功率放大電路
2、升流變壓器
本試驗(yàn)要求產(chǎn)生0~100A的大電流,考慮到本電流源用于斷路器在線檢測,斷路器觸點(diǎn)接觸電阻是15mΩ,這樣在負(fù)載上消耗的功率應(yīng)該為 P=I2R=1002×0.015=150W。負(fù)載消耗功率150W,考慮變壓器效率及功率裕度,我們選用升流變壓器的額定容量為500VA。
鐵芯面積S與升流變壓器功率P滿足下面經(jīng)驗(yàn)公式:ln(S)=0.498×ln(P)+0.22。帶入功率P=500VA,可算出鐵芯截面積S=53.144cm2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,取S=54cm2,選用硅鋼片中間舌尺寸a=6cm,疊厚尺寸b=9cm。
根據(jù)鐵芯截面積S和鐵芯的磁通密度B,初級線圈的每伏圈數(shù)N可由下式確定:ln(N)=-0.494×ln(P)-0.317×ln(B)+6.439。采用質(zhì)量優(yōu)良的硅鋼片,鐵芯B值取11000高斯,計(jì)算得到每伏匝數(shù) N=0.831。初級電壓取220V,初級匝數(shù)N1=220×0.831=183;次級電壓取7V,次級匝數(shù)N2=7×0.831=6。
初、次級匝數(shù)以及次級最大電流100A,次級電流:I1=I2×N2/N1=3.4A。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),每安培電流分配0.3mm2導(dǎo)線截面積。這樣初級導(dǎo)線截面積為1.02mm2,初級導(dǎo)線可選用135mm2扁銅線。次級導(dǎo)線截面積為30mm2,次級導(dǎo)線可選用240mm2扁銅板。
3、電流檢測反饋電路控制顯示模塊
電流檢測反饋模塊由電流互感器、精密絕對值電路、有源低通濾波器以及A/D轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。根據(jù)輸出電流,我們選擇DHKYZ-500型號電流互感器作為電流采樣傳感器,該傳感器滿量程電流為500A,滿量程次極輸出電流為100mA,為了滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入量程(0~5V)的要求。A/D轉(zhuǎn)換需要直流信號,因此需對交流信號進(jìn)行調(diào)理,本設(shè)計(jì)所用的精密整流電路如圖3所示,該電路主要由兩個雙運(yùn)算放大器TL062和相關(guān)元器件組成。電路的輸入電壓uin為電流互感器感應(yīng)輸出的電流。
圖3 精密整流電路
如圖3所示,當(dāng)ui>0時,Dl導(dǎo)通,D2反向阻斷,可以算出u11=-ui/2,u12=-u11=ui/2>0;當(dāng)ui0 時,Dl反向阻斷,D2導(dǎo)通,對于第一個運(yùn)算放大器TL062,可得u11=-ui/3,從而可以算得u12=-ui/2> 0,u21=-2u12,最后得uo=-u21=2u12,所以輸出全波整流波形。
由于精密整流電路輸出的信號是脈動直流信號,不能直接作為AD采樣的輸入信號,因此還必須先經(jīng)過低通濾波器,濾除交流分量,取出直流分量,再給A/D轉(zhuǎn)換器輸入。
4 控制顯示模塊
目前工業(yè)控制中的LED顯示驅(qū)動電路普遍采用一種定時或中斷控制方式,這種方式要占據(jù)CPU一部分時間,而且動態(tài)顯示往往具有亮度不夠,閃爍等特點(diǎn),而靜態(tài)顯示又有硬件電路復(fù)雜等缺陷。本系統(tǒng)采用OD-DM12864液晶模塊,其可直接與微機(jī)串行口相連,完全解決了LED顯示的諸多不足。用戶只需對位和控制寄存器編程,就可選擇譯碼方式、顯示亮度、關(guān)閉等功能。
控制算法及程序設(shè)計(jì)思路
1、控制算法選擇
恒流源元件檢測是通過一個多參數(shù)相互耦合的時變非線性系統(tǒng)來進(jìn)行的,影響電流檢測的精度因素很多,并有很大的隨機(jī)性,很難用精確的數(shù)學(xué)模型來描述,即使通過一些手段簡化系統(tǒng)后建立了對象的簡單數(shù)學(xué)模型,控制效果也不是很好。另外,由于電流隨元件參數(shù)的變化而變化,要求控制算法的實(shí)時性高,控制過程較為復(fù)雜。因此,權(quán)衡各種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn),我們用PID實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制。
2、程序設(shè)計(jì)思路
根據(jù)系統(tǒng)需要在此采用了模塊化程序設(shè)計(jì)方法,按照硬件功能模塊將程序分解成模塊,然后定義各個模塊的功能和對接口定義。主程序流程圖如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
實(shí)驗(yàn)調(diào)試
本實(shí)驗(yàn)輸入交流220V,輸出端為直流15V左右的直流電壓。測量用電流互感器的精度為0.5級和鉗表精度1.0%rdg±10dgt,實(shí)驗(yàn)記錄電流測試值,如表1所示。
從表1可以看出,設(shè)置輸入值與電流互感器檢測到的值存在一定偏差,但能控制在1%左右,滿足設(shè)計(jì)要求。鉗表值有時偏差較大,也是誤差范圍之內(nèi)。因此結(jié)果是符合實(shí)際測量精度要求的。
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