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。

(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