一种智能大功率直流电源的设计与实现

摘 要：本文介绍了以8098单片机作主控单元的大功率直流电源，该系统中采用WATCHDOG的抗干扰技术和锁相环(PLL)控制原理，文章阐述了电力系统根据现场情况要求下，如以电力系统对电池充电为例的7种工作方式，并详细讨论了利用软件实现的PI调节方法。

0 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。

[p] [p]

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。