基于单片机的智能大功率直流电源设计

 引言

　　在大功率直流电源中，主电路一般采用晶闸管三相全控桥式整流电路，其关键在于如何准确、可靠、稳定地控制晶闸管的导通角。

　　目前，大功率直流电源现场应用中最为普遍的控制方式大都采用KC或KJ系列小规模集成电路，即采用三相锯齿波信号和直流控制信号相比较获得的移相信号。然而，三相锯齿波信号的斜率、占空比、幅度等与每相的器件参数密切相关，并且比较信号中小的干扰可能造成较大的相移误差，因而电路的可靠性和自动平衡能力较差。

　　利用单片机作为控制电路，根据三相全控桥触发脉冲之间的逻辑关系，直接产生六相高度均衡的触发脉冲，可以克服KC、KJ系列电路均衡性差的缺点。但是，由于现场系统工作在强电干扰比较严重的场合，为了减小干扰可能引起程序运行紊乱，造成系统失控而引起主电路器件的损坏；另外，为了增强系统的功能，加强人机对话能力，实现显示、打印、命令输入、循环检测、过压过流保护以及软件PI调节器等功能，必须采用双CPU并行工作。但双CPU并行工作既增加了系统的复杂性，又降低了系统的可靠性和实用性。

　　为了克服上述局限性，利用8098单片机作主控单元， 并充分利用WATCHDOG的抗干扰性能，采用以锁相环（PLL）为基本控制原理的通用触发板作中间界面，构成一种智能化的电厂大功率直流后备电源。图1示出控制系统框图。

 

图1 控制系统框图

　　1 系统工作原理

　　现以电力系统对电池进行强充、浮充为例，说明系统的工作原理。根据现场要求，系统共设有7种工作方式，见图1。

　　1）手动方式（M）

　　系统工作在开环状态，利用8098的PWM口，经滤波后输出一个0~5V的控制电压信号给触发板，使整流桥相应输出电压为0~300V.该方式主要用于系统主电路的检修和维护。

　　2）稳压方式（V）

　　稳压方式（V）又称浮充方式，系统作稳压源闭环运行。

　　为增强系统的灵活性和通用性，利用软件实现PI调节。

　　（1）标准数字PI算法

　　图2示出带数字PI调节器的计算机控制系统方框图。

 

图2 典型计算机控制系统方框图

　　该数字PI调节器的Z传递函数为：

 

　　式中：Ki -- 积分系数，Ki= KoT/Ti;T--采样周期； Ti-- 积分时间常数；Kp-- 比例因子；U（Z）--控制量输出的z传递函数；E（z）- -偏差量的z传递函数。

　　将式（1）展开，可得以下位置式算法：

 

　　式中Uo-- 初始值；Uk - - 第k次采样点获得的控制量；Ek--第k次采样点获得的偏差量；Ej--第j次采样点的偏差值；k一第k次采样点。

　　整理成递推公式形式：

 

　　根据上述递推公式，可以非常方便地用软件实现PI调节器。

（2）改进的数字PI算法

　　标准PI算法一般不能满足现场要求，比如在开机、停机或大幅度改变设定值时，短时间内系统偏差变化剧烈，容易造成较大的积分积累∑（Ek），使得控制输出急剧变化，系统超调严重，动态性能恶化。

　　为防止这一现象发生，常用积分分离法、超限削弱积分法和有效偏差法对标准PI算法进行改进，这在随动系统设计中较为常见。

　　由于本系统属于恒值控制系统，要求有软起和软停功能，利用上述改进算法已不能满足要求。为此，采用一种新的恒偏差算法。

　　恒偏差法和有效偏差法相类似。有效偏差法又叫逆算法。即当控制量Uk越限时，Uk取边界值Umax或Umin.由该边界值逆算出偏差值Ek'代替原来的偏差值Ek.然而，在恒偏差法中，是用经过衰减后的Ek'去代替Ek.系统在阶跃响应时，实际工作在过阻尼状态，从而减缓了在起、停时对主电路器件的冲击。图3示出两种算法的阶跃输入响应曲线。其中曲线（a）标准PI算法响应曲线、曲线（b）恒偏差法响应曲线。

 

图3 系统阶跃响应曲线

　　（3）PI参数的整定

　　①采样周期T

　　由于主电路输出滤波网络决定了系统输出纹波的最大截止频率f,所以根据香农（Snon）定理可以决定采样频率的上限f1 =2f 工程上一般取f1=10f.

　　由于主电路参数已知，可求得：

 

　　其下限T2由8098软件执行时间决定。若采用12M晶振，平均每条语句执行时间为2us,程序运行大概需要500条语句，那么T2=1ms.所以：

1ms≤ T≤6ms

　　最终可通过现场调试来选择了1的大小。

　　② 比例因子Kp及积分时间常数Ti工程上常用临界比例度法，对常数Kp和Ti进行整定。即在闭环条件下，先暂时去掉积分作用，逐渐增大比例增益，直到闭环系统达到临界稳定状态，发生持续振荡为止。记下此时的临界增益Ku和振荡周期Tu ,通过查表得到Kp=和Ti的近似值，然后由整机调试进行修正。

　　本系统稳压闭环实验测定结果为：Ku =6,Tu=12.0ms.

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

　　通过整机调试，可得出递推公式中参数A 、B的值为：A=3、B=2.

　　（4）算法

　　为简化程序设计，在进行8098软件编程时，采用无符号数算法。

　　3）稳流方式（I）

　　稳流方式又称强充方式，系统作电流源闭环运行，原理同上，不同的是积分时间常数要小一些，调节速度较快。

　　实验数据如下：Tu=6.0ms,Ti=5ms、A=4,B=2.

　　4）稳压稳流自动转换（V/I）

　　当电池亏电时，系统以强充方式工作，电池电压逐渐升高。当超过设定值时，改为浮充方式。

　　即系统能根据负载情况自动选择充电模式。图4示出典型的二阶段充电曲线。

 

图4 蓄电池二阶段充电曲线

5）工作方式记忆（M1.M2）

　　系统可存储两组常用数据，即工作方式、电压电流给定值、稳压稳流转换值、过压过流值。

　　掉电时还能保护当前的工作记录。

　　6）软起、软停方式（SS）

　　按下该键，系统工作在软停方式。触发板将控制脉冲相位拉至最大，然后封锁脉冲输出。该键弹起，为软起方式。控制输出由最小慢慢升至给定值。

　　7）电池检测方式（TEST）

　　系统能循环检测电池电压，由数码管进行显示，也可通过串行口打印输出，并有报警提示。

　　2 系统工作流程图

　　系统上电后，首先对单片机的外围接口进行检查，以确保人机对话通道畅通。然后发出开机信号，对LED、给定寄存器等进行复位，随后产生频率为2Hz的方波信号，作为系统的给定输入。

　　为进入上述7种工作方式，系统共设有三种途径。

　　途径I为掉电重起方式。即系统在掉电后，能记录当前工作方式，来电后直接返回到原状态。

　　该途径为系统正常工作时的进入通道。

　　途径II、III一般作调试用。途径II是通过M 、M,进入相应的工作方式，而用户在设置给定值、转换值和保护值时要用到途径III.

　　系统进入相应工作方式后，可通过中断方式接受用户命令，更换当前工作状态（中断程序框图省略）。图5示出系统工作流程图。

 

图5 系统工作流程图

　　3 通用触发板简介

　　晶闸管通用触发板是以40芯CMOS大规模集成电路为核心，利用锁相环控制技术（PLL），根据压控振荡器（VCO）锁定的三相同步信号间的逻辑关系设计出的一种晶闸管触发系统。给定0~5V的直流控制信号，便能产生0°~180°移相范围的三相、六相或十二相强触发脉冲。由于采用上述新技术，克服了KC、KJ系列同类产品的诸多缺点，使该触发板输出的控制脉冲具有高对称性、高均衡性。另外，该板的抗干扰能力和多种附加功能也大大强化了该板的实用性， 因而具有极高的性能价格比，适用于各种整流、逆变、交流侧原边控制等大功率晶闸管控制电路。

　　该触发板无需同步变压器，具有相序自动测控核对能力，并具备缺相保护功能和脉冲禁止接口；通过拨码开关可提供双30°、120°宽的高频调制触发脉冲。实验证明，该脉冲可直接驱动1000A以上的晶闸管，是现场应用中晶闸管触发系统的理想产品。

　　4 结束语

　　该系统的特点在于软件PI调节器的灵活应用。一方面，可就多种PI算法进行综合比较，并验证一些新的算法。另一方面，基于系统的通用性，可就不同的被控对象给出不同的控制模式和参数。例如100A和500A时的蓄电池，就要有不同的PI调节参数；既使容量相同而生产厂家不同，所要求的参数也不一致，这是由电池内部化学反应速度决定的。

　　系统的另一个特点是通用触发板的使用。它介于计算机PI调节器与晶闸管主电路之间，作为一个很好的缓冲界面，能保证调节失控时系统的安全可靠。另一方面，8098单片机的WATCHDOG也强化了系统的抗干扰能力，使得该系统非常适用于现场控制。