单片机控制的高频开关电源型电力系统操作电源的研制

单片机控制的高频开关电源型电力系统操作电源的研制 费万民!，"，张艳莉"，吕征宇!，吴兆麟! （!#浙江大学电力电子国家专业实验室，浙江 杭州 $!%%"&； "#淄博学院机电工程系，山东 淄博 "’’%%%） 摘要：论述了由单片机控制的高频开关电源型电力系统操作电源的主电路结构、控制电路原理和软件设计。 介绍了以 ()*+为主开关器件，以 ,%-!./0*型单片机为控制中心，采用 123技术进行控制，完成的 ""%4、 5%67的电力系统直流操作电源系统。现场运行证明，该电源系统设计合理，功能完善，性能好，可靠性高。 关键词：单片机； 高频开关电源； ()*+； 电力系统 中图分类号：+3.! 文献标识码：* 文章编号：!%%$85,.&（"%%!）%/8%%$!8%5 ! 引言 随着电力电子技术的快速发展，()*+以其开关 速度快、开关损耗小、耐压高、带负载能力强、通态压 降低、易驱动等特点，在大功率电力电子设备中逐渐 成为主流器件。同时，传统的相控整流电源设备因 网侧功率因数低、调整速度慢、纹波大等缺点，正在 被逐步淘汰。本文介绍的单片机控制的高频开关电 源型电力系统操作电源，以 ()*+为主开关器件，以 脉宽调制电路 +95.5为主控芯片，以高性能 !/位单 片微处理器 ,%-!./ 为监控中心，具有功率因数高， 对电网污染小；开关频率高，滤波效果好，无静态噪 声；稳压稳流精度高；自动化程度高；主电路和控制 电路结构简单，成本低，可靠性高等优点，因而很受 用户欢迎。 " 硬件设计 图 ! 操作电源系统构成总框图 电力系统操作电源 的功能要求：!）对蓄电池 组充电，充电电压从 !,%4 到 ",,4，充电电流从 %到 % #"’-安（此处为 !%安）， 恒压充电时的稳压精度 不大于 : %#’;，恒流充 电时的稳流精度不大于 : !;；"）控制母线输出 ""%4 : %#’;，电流 % 到 "%6，连续供电。 " #!系统的总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 根据功能要求，操作 电源系统的总构成如图 ! 所示。系统主要由以下 三部分构成： !）由变压器、整流滤波环节、()*+!、-!、4及 " >高频 <-=<-变 换器的闭环调节及 ()*+ 的驱动与保护电路。 ,%-!./0*单片机监控系统的任务，包括控制蓄电池 的充电过程、监测并显示系统中的主要参量、故障监 视、键盘处理等。如图 !的中部所示。 $）由 ()*+"、-"、4<"、9" 等组成的 " > 高频 <-=<-变换器主电路。" > <-=<-变换器工作于恒压 输出状态，为控制母线负载供电。在交流正常供电 时，因 ! ? 高于蓄电池组端电压，4<$受反向电压而 截止，! ? 经 " > 高频 <-=<-变换器降压调整后，得 !"，即 ""%4 的控制母线电压；当交流停电时，4<$ 导通，蓄电池组端电压经 " >高频 <-=<-变换器降 !$"%%!年 /月 继电器 @A96B 第 ".卷 第 / !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 期 万方数据 图 ! 闭环调节及 "#$信号产生电路原理图 压调整后，为控制母线供电，因此，即使在交 流停电的情况下，仍保证对控制母线的连续 供电，而且该转换过程无停电间隙。在传统 的操作电源系统中，该部分功能用串联降压 硅堆来实现，有调压精度低、调压范围小、功 耗大和笨重等缺点。 ! %!主电路设计 &’(&’高频变换器的主电路结构，采用 简单、可靠的降压斩波电路，如图 )中的 *+, -.)、’)、/)、0&) 组成的电路和 *+-.!、’!、 /!、0&!组成的电路。其中，主开关管 *+-. 在恒定频率的 "#$ 信号的控制下，周期性地导通 和关断。调节每个周期中 *+-.的导通时间，即可调 整其后级电压的平均值。/)、’) 和 /!、’! 构成 /’ 滤波电路，0&)、0&! 为续流二极管，应采用快速恢 复二极管。主电路的输入电压为 ! 1，设 *+-.) 和 图 2 *+-.驱动电路 *-+.!的导通占空比分别为 ")和 "!，则两套主电 路的输出电压分别为 ! 1 3 ") 和 ! 1 3 "!，由此可 见，输出电压与主开关管的占空比成严格的线性关 系，特别易于控制，当采用电压负反馈或电流负反馈 形成闭环调节时，稳压精度或稳流精度特别高。 ! %2控制电路 控制电路的功能有闭环调节、"#$信号的产生 和 *+-.驱动与保护等。闭环调节及 "#$信号产生 电路的原理如图 !所示。图中，4)为 5及其外围器 件构成闭环系统的 "* 调节器。4! 为模拟开关，受 67’)89:-的 ")% 7 控制，给 ")% 7 以高电平，反馈信 号为输出电压，形成电压闭环，&’(&’变换器恒压输 出；给 ")%7以低电平，反馈信号为输出电流，形成电 流闭环，&’(&’ 变换器恒流输出。;<=% ) 为 67’)89:-的高速输出口，此处通过编程作 &(5输出 使用，为闭环调节系统的参考输入，在恒流充电时， 输出充电电流给定值，恒压充电时，输出充电电压给 定值。4)为 -及其外围器件构成恒流限流保护电 路，当输出电流小于限流保护整定值时，4)为 -输 出高电平，0&>截止，对调节电路无影响，但 当输出电流大于限流保护整定值时，4)为 - 输出负电压，将调节电路的参考电平拉低， ?6、’>构成 "*积分调节，实现恒流限流。电 路中的 ’9、0&9、?))、?)! 组成的网络，用来 在 ./@8@的 @脚产生一个从 A )>0缓慢变化 到 B 7%C0的过程，一方面实现功率变换电路 的软启动，另一方面，可使 ./@8@ 输出的 "#$信号从 7到 )77D之间变化，其作用解 释如下：交流停电后，蓄电池通过 *+-.!组成的功率 变换器为控制母线供电，随着蓄电池不断放电，蓄电 池的端电压不断下降，当蓄电池电压小于控制母线 的正常电压时，若 "#$ 信号占空比的最大值为 )77D，则控制母线的稳压范围会大大增加。?!、’2 数值决定系统的主开关频率，此处，我们定为 !7E;F。./@8@的 8脚即是所需 "#$信号。 *+-.的驱动与保护是关系该电源系统可靠性 的关键因素。我们采用富士公司生产 GH-6@) 型 *+-.专用驱动电路，该电路只需 !70 的单电源供 电。驱动电路原理图如图 2所示。 当 *+-.发生过流时，GH-6@) 的 > 管脚输出低 电平，经光耦隔离后封锁 "#$ 信号，从而实现对 *+-.的保护，但仅有该保护是不够的，在该电源系 统中，我们另外设计了恒流限流的过电流保护方式， 如图 !中的 4)为 -及其外围器件组成的电路，该种 保护电路抗干扰能力强，非常可靠，可使系统长期安 全运行于输出短路状态。图 2所示电路的输出分别 接 *+-.的 ’、-、G三极。另外，为防止 *+-.受关断 过程中的操作过电压的损害，我们在主电路中设置 了阻止放电型 ?—&—’缓冲电路。 ! %2单片机监控系统 单片机监控系统主要由 67’)89:- ’"I、程序存 储器 !C9@、地址锁存器 C@;’.>C2、地址译码器 !2 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 单片机控制的高频开关电源型电力系统操作电源的研制 万方数据 图 ! 监控系统硬件框图 "!#$%&’、上电复位电路、%()晶振及显示电路等组 成。监控系统的主要功能包括： %）电池管理功能，即选择最佳的充电方式或充 电规律，以提高蓄电池组的实际蓄电容量和使用寿 命。通过编程，从 *$+,%输出 -.)信号，滤波后作 为充电电压或充电电流的给定值，若取 -.) 信号 周期为 !/01 个机器周期，则分辨率可达 %( 位。 -%,/用来实现电压闭环或电流闭环。通过*$+,%和 -%,/即可实现对蓄电池组充电过程的控制。 (） 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 充电浮充电装置的输出电压和电流、控 制母线电压和电流等，显示主要参数，判断主要参数 是否越限，检测环境温度并据此进行充电参数的温 度补偿等。 &）键盘输入功能，有主充键、浮充键、均充键、 报警屏蔽键等四键，用来接受人为的操作命令，通过 高速输入口 *$2,/、*2$,%、*2$,(、*2$,&来实现。 !）检测数字量输入，用来检测系统中的一些指 示故障状态的开关量。 3）故障报警与处理功能等。监控系统硬件框 图如图 !所示。 & 系统软件设计 软件采用 -#4) 语言设计，有主程序和中断程 序两部分。主程序实现模拟量检测及温度补偿、读 键盘并执行键盘命令、充电方式选择（或称充电规律 的实现）、电池组及控制母线电压电流的数值显示、 故障判断与报警输出等功能。中断程序用来控制 *$+, %，实现546输出，程 序由即刻置位 *$+,%、789 后不中断复位 *$+, % 及 周期 7后中断置位 *$+, %等三个高速输出口事件 组成。主程序框图如图 3 所示。 ! 结论 该电力系统操作电 源装置采用高频斩波式 5:45:主电路结构，用高 性能 %1 位 微 处 理 器 ’/:%01;<为监控中心，以 2=<7 为主开关器件，具 有：%）电路简单，可靠性 高，成本低；(）功率因数 高，对电网污染小；&）工作频率高，滤波器尺寸小， 无可闻噪音；!）控制简单，电压、电流稳定精度高等 显著优点，很有实用价值。该系统从 %00"年 3月投 入现场运行至今，运行情况良好，颇受用户欢迎。 图 3 系统主程序框图 参考文献： ［%］ 林渭勋等 ,电力电子技术基础 ,北京：机械工业出版社， &&(//%年 1月 继电器 >?#6@ 第 (0卷 第 1 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 期 万方数据 !""#$ ［%］ 白忠敏，於崇干 $电力工程直流系统设计手册 $北京：中 国电力出版社，!"""，!$ ［&］ 袁涛等 $ ’()*程序设计语言及应用 $北京：清华大学出 版社，!""#$ ［+］ 孙涵芳 $ ,-./0 !1位单片机 $北京：北京航空航天大学出 版社，!""2$ 收稿日期： %###3!%3!" 作者简介： 费万民（!"14 5），男，工程师，博士生，研究方向 为电力电子技术及其应用； 张艳莉（!"6# 5），女，硕士，现 从事机电一体化方面的教学与研究工作； 吕征宇（!"46 5），男，教授，博士生导师，研究方向为电力电子技术及其在 电力系统中的应用。 !"#"$%&’ $() )"*"+,-."(/ ,0 $ #1(2+"3&’1- -%,&"##,% .,(1/,%") ,-"%$/1,( #3--+4 #4#/". 5$#") ,( ’12’ 0%"63"(&4 78)78 &,(*"%/"% 78, 9:-3;<-!，%，=>?@A B:-30<%，(C =D/-E3FG!，9H =D:I30<-! （!$ =D/J<:-E H-:-ENDIG &!##%6，OD<-:； % =7 VO W VO SI-3 K/L./L SI-.LI00/R PF : M<-E0/3SD