基于單片機的智能大功率直流電源設計

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，其關鍵在于如何準確、可靠、穩定地控制晶閘管的導通角。

　　目前，大功率直流電源現場應用中最為普遍的控制方式大都采用KC或KJ系列小規模集成電路，即采用三相鋸齒波信號和直流控制信號相比較獲得的移相信號。然而，三相鋸齒波信號的斜率、占空比、幅度等與每相的器件參數密切相關，并且比較信號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平衡能力較差。

　　利用單片機作為控制電路，根據三相全控橋觸發脈沖之間的邏輯關系，直接產生六相高度均衡的觸發脈沖，可以克服KC、KJ系列電路均衡性差的缺點。但是，由于現場系統工作在強電干擾比較嚴重的場合，為了減小干擾可能引起程序運行紊亂，造成系統失控而引起主電路器件的損壞；另外，為了增強系統的功能，加強人機對話能力，實現顯示、打印、命令輸入、循環檢測、過壓過流保護以及軟件PI調節器等功能，必須采用雙CPU并行工作。但雙CPU并行工作既增加了系統的復雜性，又降低了系統的可靠性和實用性。

　　為了克服上述局限性，利用8098單片機作主控單元， 并充分利用WATCHDOG的抗干擾性能，采用以鎖相環（PLL）為基本控制原理的通用觸發板作中間界面，構成一種智能化的電廠大功率直流后備電源。圖1示出控制系統框圖。

圖1 控制系統框圖

　　1 系統工作原理

　　現以電力系統對電池進行強充、浮充為例，說明系統的工作原理。根據現場要求，系統共設有7種工作方式，見圖1。

　　1）手動方式（M）

　　系統工作在開環狀態，利用8098的PWM口，經濾波后輸出一個0~5V的控制電壓信號給觸發板，使整流橋相應輸出電壓為0~300V.該方式主要用于系統主電路的檢修和維護。

　　2）穩壓方式（V）

　　穩壓方式（V）又稱浮充方式，系統作穩壓源閉環運行。

　　為增強系統的靈活性和通用性，利用軟件實現PI調節。

　　（1）標準數字PI算法

　　圖2示出帶數字PI調節器的計算機控制系統方框圖。

圖2 典型計算機控制系統方框圖

　　該數字PI調節器的Z傳遞函數為：

　　式中：Ki -- 積分系數，Ki= KoT/Ti;T--采樣周期； Ti-- 積分時間常數；Kp-- 比例因子；U（Z）--控制量輸出的z傳遞函數；E（z）- -偏差量的z傳遞函數。

　　將式（1）展開，可得以下位置式算法：

　　式中Uo-- 初始值；Uk - - 第k次采樣點獲得的控制量；Ek--第k次采樣點獲得的偏差量；Ej--第j次采樣點的偏差值；k一第k次采樣點。

　　整理成遞推公式形式：

　　根據上述遞推公式，可以非常方便地用軟件實現PI調節器。