智能高频开关电源微机监控模块的研制

1 前言

　　高性能、高可靠性和高效率的直流电源系统在电力、电信、石化以及冶金等诸多领域中都有着相当广泛的应用。随着高频开关电源技术、应用电子技术和计算机技术的高速发展，直流高频开关电源系统依靠它的高精度、低纹波、高效率及功率因数等优越性能，正在逐步取代传统的可控硅整流装置。随着阀控式蓄电池（免维护蓄电池）越来越多地应用于直流电源系统，以及对直流系统的苛刻要求，高频开关电源的应用也日益广泛。同时，高频开关电源系统的高速响应性能、输出短路电流限制及稳压和稳流等优点也使阀控式蓄电池的使用寿命大大增加。此外，由于智能直流高频开关电源系统可以完全处于微机的智能化控制之下而不需要人为干预便可完成对整个系统的测量和控制。因此，采用智能高频开关电源可以最大限度地提高系统的性能。
　　下面介绍智能直流高频开关电源系统及其微机监控模块的工作原理。

2 智能直流高频开关电源系统

2．1 功能与特点
　　笔者研制的智能直流高频开关电源系统具有如下功能及特点：
●系统可对蓄电池进行完全微机智能化管理，以使其严格按照蓄电池的充电曲线运行，并可全部自动完成对蓄电池的均充、浮充以及切换。
●可通过实时测量电压、电流、温度等系统参数来监视整个系统的运行状态，从而达到对直流系统的全方位监测与管理，保证系统的可靠性。
●微机监控单元采用大屏幕液晶显示器，可显示系统参数、故障状态等信息。通过键盘还能够进行系统参数的设置与修改，并可进行系统操作。
●系统采用既有主监控模块也有副监控模块的双微机监控模块结构，当主监控模块处于运行方式时，副监控模块处于热备用运行方式。从而提高了系统的安全性能。
●微机监控模块带有RS485串行通讯接口，可方便地与RTU或综合自动化系统通讯，以实现“遥测”“遥信”等功能。
●高频开关电源的输出电流响应速度极高，从而大大增强了系统的负载适应能力，避免了在频繁突变的负载作用下蓄电池的过度放电。
2．2 系统结构
　　智能直流高频开关电源系统的原理框图如图1所示。该直流系统自身的工作过程为：当三相交流电源输入到开关电源整流模块后，整流模块将输出220V直流电压，该电压与蓄电池组并联后可提供一个合闸母线电压，这个合闸母线电压经过调压模块的调整后又输出一个控制母线电压。开关电源整流模块利用高频开关电源技术实现交直流的转换，它的输出电压可由外部控制电压调节，也就是说它是输出电压可以随时调节的整流模块，因此可利用微机来控制它的输出电压的大小。以使直流系统中的直流母线电压能够时刻满足系统的要求，并在对系统的故障进行自动检测的同时并出告警信号，从而保证系统工作的可靠性。该系统的控制核心为微机监控模块，它可实时监测输入交流电压、各直流母线电压、充电电流、蓄电池电流及蓄电池温度等模拟信号。并依据系统参数的设定值来判断系统状态，同时进行必要的操作与调整。诸如蓄电池的均、浮充之间的切换与控制，整流模块输出电压的调整，系统数据的显示，故障状态的显示及报警等。电池监测模块则用来完成对蓄电池组中所有单只蓄电池端电压的测量，并通过RS485串行接口将测量数据传送到微机监控模块。

3 微机监控模块

3．1 微机监控模块功能
　　微机监控模块的主要功能有四个。第一是进行系统监测。即对系统的整体运行状态进行实时测量，以完成充电电流、蓄电池电流、交流输入电压、直流母线电压、母线对地电压、蓄电池温度及单体蓄电池电压和内阻等模拟信号的测量，同时将检测开关量信号，并将系统运行状态通过显示器显示出来。
　　微机监控模块的第二项功能是系统控制及保护。也就是按照系统要求输出模拟控制信号并实时调整母线电压，以完成对整个系统的管理，包括蓄电池均充和浮充的自动转换、均充和浮充电压的调节、蓄电池充电电流的限制、保护定值的设定、风机的启停、各种故障的判断以及故障告警等。
　　第三是蓄电池的智能管理，保证蓄电池按照充电曲线自动运行。
　　第四项功能是系统通讯。该监控模块有两个串行通讯接口，一个用于与蓄电池监控模块通讯，以完成对蓄电池的检测控制和数据接收。另一个用来与上位机相连，以满足与RTU或综合自动化系统通讯的要求。
3．2 监控模块的工作原理
　　图2是微机监控模块的原理框图。该模块采用双CPU结构，其中前端CPU用于完成对各路模拟信号的数据采集处理以及控制整流模块调压信号的输出。后部CPU则用于负责开关量的输入和输出，同时完成人机对话的管理。
　　根据这一具体任务的性质，该系统的前端CPU选用ADuC812，该芯片是一个高性能的单片数据采集系统，它内含8个通道的高精度12位A／D转换器，其采样速率为200ksps。此外片内还有2路12位D／A转换器。选用该芯片可以充分利用其内部模拟通道的丰富资源，简化外部电路的设计，完成输入模拟信号的测量和调压模拟信号的输出。并可根据被测信号是否需要隔离来区分输入信号并将其分别处理。其中交流电压信号取自交流电压互感器，直流电流取自霍尔电流互感器，它们和现场被测信号都是隔离的；测温选用集成温度传感器AD590，而无须再进行隔离处理。上述信号不再需要隔离，只进行放大处理即可进入 ADuC812的A／D通道。对直流母线电压的测量采用电阻取样，由于取得的被测信号与直流系统在电气上是相连的，因此必须对被测信号进行隔离。本模块中在这些通道中采用线性光电耦合器隔离，隔离后的信号再经放大进入A／D通道。输出调压信号由ADuC812中的D／A转换器实现，D／A输出的信号经过功率放大之后可输出驱动调压模块。
　　将AT89C52作为后台CPU，它的主要作用是管理大屏幕液晶显示器，该显示器的显示方式为中文显示，显示内容包括主菜单、测量数据、系统设置、系统报警等子菜单。另外，后台CPU同时负责管理键盘，响应对系统的操作和对系统参数的设置与修改。另外，它还接受经过光耦隔离后的诸如模块故障、风机状态等输入开关量信号，并输出经驱动后控制继电器输出的开关量。
　　两个CPU之间的数据交换方式采用简易的双端口RAM，这样可以降低模块的成本。简易双口RAM是利用通用集成电路芯片组成的具有存储器共享功能的数据交换电路。它的实现方式是通过
双CPU与存储器的数据总线、地址总线分别经过总线隔离芯片相连来完成的，其中一个CPU负责控制对存储器的控制权。两个CPU可分时访问共享存储器，其原理框图如图3所示。其中CPU1为主CPU，掌握控制权。数据总线隔离芯片应既有选通端（E），又有数据传输方向控制端（DIR），以保证数据的双向传输。地址总线隔离芯片只需要选通信号即可。由图可见，数据和地址总线隔离芯片的选通由CPU1发出控制信号E1，然后经反相加到另一个CPU的总线隔离芯片的选通端，从而保证了在任何时刻都只有一个CPU访问存储器。DIR1、DIR2分别由各自CPU控制，R1、R2、W1、W2、C1、C2分别接到各自的RD、WR和地址译码器的输出端。本模块中，ADμC812为主CPU，掌握存储器的控制权，它在结束对RAM的访问时，将立即释放控制权，并通知另一CPU可以访问RAM。当对方访问结束后，主CPU又收回控制权。通过这种方式完成双CPU之间的数据传递。