智能雙電源說明書

斬波式智能雙電源控制系統(tǒng)說明書前言當(dāng)代電源技術(shù)是應(yīng)用電力電子半導(dǎo)體器件,綜合自動控制、計(jì)算機(jī)(微處理器)技術(shù)和電磁技術(shù)多學(xué)科邊緣交叉技術(shù)。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性電源中起關(guān)鍵作用,是當(dāng)代電力電子技術(shù)詳細(xì)應(yīng)用。當(dāng)前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)材、自動化、智能化、機(jī)電一體化基礎(chǔ),正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化方向發(fā)展。在不遠(yuǎn)未來,電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)愈加成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用,實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。1.課題起源現(xiàn)在我國礦山礦用電機(jī)車電源還大量采取可控硅直流電源變換器，其存在主要問題是可靠性差，性能指標(biāo)低。在電子技術(shù)飛速發(fā)展尤其是大規(guī)模集成電路廣泛應(yīng)用今天?？煽毓柚绷麟娫醋儞Q器面臨著被淘汰局面，都要被采取場效應(yīng)管和IGBT管作功率控制器件開關(guān)電源所取代。為發(fā)展我國礦用直流電源變換器事業(yè)，我們必須開發(fā)研制采取場效應(yīng)管和IGBT管作功率控制器件礦用直流電源變換器產(chǎn)品。在機(jī)車上，當(dāng)開啟直流牽引電機(jī)時，需要低電壓、大電流，這么使電機(jī)得到大開啟轉(zhuǎn)矩，而在工作時候我們需要大運(yùn)行電壓，小電流。這就要求我們有一個這么電源提供裝置，過去一直采取是人工改變兩個DC電源串并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)電壓、電流改變，這么就極難把握時間，需要一定經(jīng)驗(yàn)。還有就是在串并聯(lián)轉(zhuǎn)換中，需要均壓和均流，這些經(jīng)過人工是極難實(shí)現(xiàn)。還有在開啟電機(jī)時，我們過去常采取開啟電阻方法來開啟電機(jī)，這么浪費(fèi)了大量電能。2、處理方法基于以上問題，我們采取單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套智能電源對機(jī)車進(jìn)行供電。該智能電源由單片機(jī)控制，經(jīng)過閉環(huán)控制，自動實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)轉(zhuǎn)換，以及經(jīng)過控制PWM波形來控制IGBT通斷，來實(shí)現(xiàn)均壓和均流。3、優(yōu)勢本文提出采取IGBT斬控式調(diào)壓器，用單片機(jī)控制IGBT通斷，電壓電流檢測采取霍爾元件。使該調(diào)壓器具備調(diào)整方便、快速實(shí)現(xiàn)電壓串并聯(lián)、動態(tài)響應(yīng)快。因?yàn)椴扇∈荘WM波，所以在開啟電機(jī)時，就不采取常規(guī)串開啟電阻這種浪費(fèi)電能方法，節(jié)約了大量電能。一、系統(tǒng)工作原理1、斬波調(diào)壓基本原理斬波調(diào)壓主電路如圖2-1所表示：主電路由功率開關(guān)V、儲能電感L、續(xù)流二極管VD、濾波電容C和負(fù)載R組成。斬波調(diào)壓開關(guān)電源工作原理是：V導(dǎo)通時，電源首先經(jīng)過儲能電感L向負(fù)載R供電，另首先向儲能電感L儲存能量。V關(guān)斷時，電感中能量經(jīng)過L、R、C和續(xù)流二極管VD將儲存電能放到電阻中去。儲能電感L很小時，電感中能量有可能在放完后V還沒有開通，造成負(fù)載電流斷續(xù)，通常情況下，將會造成輸出電壓紋波大、電源調(diào)整率變差等不良影響，所以這種情況是不希望出現(xiàn)。如圖2-2，電流連續(xù)時，負(fù)載電壓平均值為：其中，ton—V處于通態(tài)時間；toff—V處于斷態(tài)時間；T—開關(guān)周期；占空比。理想斬波控制方式下，每個開關(guān)周期中斬波開關(guān)和續(xù)流開關(guān)互補(bǔ)工作，輸出電壓為：E斬波開關(guān)導(dǎo)通UO=0續(xù)流開關(guān)導(dǎo)通式中E——輸入電源電壓圖2—2斬波原理圖2、系統(tǒng)工作原理依照設(shè)計(jì)要求和斬波調(diào)壓原理，采取IGBT管作為主電路調(diào)壓器件。采取單片機(jī)作為IGBT主控器件，經(jīng)過它產(chǎn)生PWM波來控制IGBT開通和關(guān)斷，從而達(dá)成調(diào)壓和穩(wěn)壓目標(biāo)。經(jīng)過單片機(jī)I/O輸出信號來控制繼電器通斷，實(shí)現(xiàn)電源自動快速串并聯(lián)以及主機(jī)開啟，使電壓和電流達(dá)成應(yīng)用要求。我們在軟件上采取PID算法，閉環(huán)控制，經(jīng)過對給定電壓和輸出電壓比較，實(shí)現(xiàn)外環(huán)穩(wěn)壓，經(jīng)過兩支路串聯(lián)時進(jìn)行電壓比較，并聯(lián)時進(jìn)行電流比較，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)均壓和均流。二、總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)對象是依照給定控制電壓和電流。在給定較小時，兩套DC電流支路并聯(lián)給負(fù)載提供較大開啟電流，同時實(shí)現(xiàn)均流；在給定較大時，兩套DC電流支路串聯(lián)給負(fù)載提供較大工作電壓，同時實(shí)現(xiàn)均壓。其中串并聯(lián)轉(zhuǎn)換、均壓、均流等由單片機(jī)控制完成。1、硬件模塊圖依照分析，其硬件原理框圖以下。其中虛框內(nèi)為主電路。輸入三相電壓經(jīng)變壓器后分成兩路支電流，分電流經(jīng)過晶閘管整流橋和LC整流后，把交流變成可控直流分量。直流電經(jīng)過IGBT調(diào)壓后，依照給定判斷此時兩條支路是并聯(lián)還是串聯(lián)對負(fù)載供電。2、軟件模塊圖依照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)軟件模塊圖以下。經(jīng)過主程序?qū)Ω鱾€子模塊調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)對PWM波生成、繼電器通斷、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理等工作。各個模塊作用說明以下：主程序模塊：設(shè)置堆棧，去除各個內(nèi)存單元，系統(tǒng)中止初始化等，以及完成對各個子模塊調(diào)用等作用。數(shù)據(jù)采樣模塊：完成對7個通道數(shù)據(jù)采樣以及數(shù)據(jù)處理。中止模塊：控制PWM波寬度，以實(shí)現(xiàn)對IGBT通斷控制。串并轉(zhuǎn)換控制模塊：經(jīng)過對KM2和KM3通斷來實(shí)現(xiàn)串并相互轉(zhuǎn)換。串聯(lián)控制模塊：采取PID算法實(shí)現(xiàn)均壓，穩(wěn)壓控制。并聯(lián)控制模塊：采取PID算法實(shí)現(xiàn)均流，穩(wěn)壓控制。三、硬件設(shè)計(jì)1電流通道設(shè)計(jì)該電源由兩套斬波型DC-DC基本電源組成。如圖。每個電源輸出功率可達(dá)2KW，即最大輸出為100V、20A。兩套電源經(jīng)過2個直流繼電器實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)轉(zhuǎn)換。三相電經(jīng)接觸器KM1和保險(xiǎn)絲接入三相變壓器，其中變壓器起隔離和降壓作用。變壓后接三相二極管整流橋，整流后直流電經(jīng)LC濾波，去掉交流分量。同時L還能夠兼有軟開啟功效。經(jīng)過LC濾波后，得到很好直流，然后經(jīng)過IGBT斬波，利用二極管續(xù)流，得到想要電流。經(jīng)LC濾波后，兩路電源經(jīng)過兩個繼電器KM1、KM2通斷實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)。2、主控器依照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求決定采取AduC812作為主控器，完成PWM波產(chǎn)生和續(xù)流管開通、關(guān)斷，以及數(shù)據(jù)采集等。該芯片具備與8051兼容內(nèi)核，額定工作頻率為12MHz（最大為16MHz），3個16位定時器/計(jì)數(shù)器，32條可編程I/O口線，端口3具備高電流驅(qū)動能力，9個中止源并有2個優(yōu)先級。芯片內(nèi)集成有8K字節(jié)閃速/電擦除程序存放器，640字節(jié)閃速/電擦除數(shù)據(jù)存放器，片內(nèi)充電泵（不需要外部Vpp）；256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM，16M字節(jié)外部數(shù)據(jù)地址空間，64K字節(jié)外部程序地址空間。在摸擬輸入輸出方面：片內(nèi)集成有8通道、高精度12位A/D，片內(nèi)40ppm/℃電壓基準(zhǔn)，采樣速率達(dá)200kSPS，DMA控制高速A/D至RAM捕捉，2個12位電壓輸出D/A，片內(nèi)溫度傳感器功效。在電源方面，芯片可用3V或5V供電，并有正常、空閑和掉電三種工作摸式。片上還集成有：UART輸入/輸出口，雙線（I2C兼容）和SPI串行I/O口，看門狗定時器和電源監(jiān)控電路。3、AD通道設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中共有7路模擬量需要進(jìn)行采樣。采取AduC812P1口7位作為AD轉(zhuǎn)換通道入口。它們是1路電壓V1、電流A1，2路電壓V2、電流A2以及總電壓Uz和電流Az，還有一路就是給定Vg。其通道設(shè)計(jì)圖以下。經(jīng)過對傳感器傳輸過來電壓信號進(jìn)行濾波后輸入單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換接口。電壓電流AD轉(zhuǎn)換通道給定AD轉(zhuǎn)換通道4、輸出I/O通道設(shè)計(jì)如圖所表示，AduC812兩個計(jì)數(shù)器T0、T1作為兩個IGBT管控制信號輸出（即PWM波，用是AduC812P3.2和P3.3），用AduC812P3.4、P3.5和P3.6作為三個繼電器開關(guān)控制信號。繼電器輸出通道PWM輸出通道5、通信電路為了實(shí)現(xiàn)在線編程、修改，采取是AduC812自帶串行口，采取RS-232通訊。如圖所表示，采取是MAX232。經(jīng)過MAX232電平轉(zhuǎn)換后，與上位機(jī)相連，從而實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊。通信電路四、軟件設(shè)計(jì)1、主程序流程圖系統(tǒng)在上電復(fù)位后，對各個內(nèi)存單元以及接口等進(jìn)行初始化，然后采樣7個通道，經(jīng)過對給定電壓比較，當(dāng)給定較大時，不打開控制器控制，同時使兩路電壓處于并聯(lián)狀態(tài)，以使負(fù)載得到大開啟電流。一旦開啟主機(jī)后，經(jīng)過給定電壓大小以及對通道采樣來數(shù)據(jù)，進(jìn)行判斷，是串聯(lián)，還是并聯(lián)，而且做出對應(yīng)控制。得出其主流程圖以下。在主程序中，要對各個定時器進(jìn)行初始化，同時開啟T2。T2是一個16位具備自動重裝定時器，在該程序中，采取它作為時間周期，作為一個PWM波周期。因?yàn)閒=11.0592MHZ，依照nT=12*n/f=912600，能夠得到T2中止一次時間是1/3.565ms，我們?nèi)∷鼮?us。開始使PWM輸出低電平，然后再采取T0、T1定時，它們定時一到，立刻使PWM輸出為高電平，T2定時到時，PWM輸出又變成低電平，這么只要修改T0、T1定時初值，這么就產(chǎn)生了可調(diào)PWM波了。主程序流程圖2、子模塊流程圖以下給出了各個子模塊流程框圖。采樣子模塊流程圖并串聯(lián)控制子模塊流程圖中止子模塊流程圖五、結(jié)束語此電路運(yùn)行穩(wěn)定可靠，原理簡單，操作簡單。可作為軌道運(yùn)輸（小型電機(jī)車）、公路和皮