智能双电源说明书.docx

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智能双电源说明书

斩波式智能双电源控制系统

说明书

前言

现代电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机（微处理器）技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。

在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用,是现代电力电子技术的具体应用。

当前,电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。

在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。

1.课题来源

目前我国矿山矿用电机车的电源还大量采用可控硅直流电源变换器，其存在的主要问题是可靠性差，性能指标低。

在电子技术飞速发展尤其是大规模集成电路广泛应用的今天。

可控硅直流电源变换器面临着被淘汰的局面，都要被采用场效应管和IGBT管作功率控制器件的开关电源所取代。

为发展我国的矿用直流电源变换器事业，我们必须开发研制采用场效应管和IGBT管作功率控制器件的矿用直流电源变换器产品。

在机车上，当启动直流牵引电机时，需要低电压、大电流，这样使电机得到大的启动转矩，而在工作的时候我们需要大的运行电压，小的电流。

这就要求我们有一个这样的电源提供装置，过去一直采用的是人工改变两个DC电源的串并联来实现电压、电流的改变，这样就很难把握时间，需要一定的经验。

还有就是在串并联的转换中，需要均压和均流，这些通过人工是很难实现的。

还有在启动电机时，我们过去常采用启动电阻的方法来启动电机，这样浪费了大量的电能。

2、解决方法

基于以上问题，我们采用单片机设计了一套智能电源对机车进行供电。

该智能电源由单片机控制，通过闭环控制，自动的实现串并联的转换，以及通过控制PWM的波形来控制IGBT的通断，来实现均压和均流。

3、优势

本文提出采用IGBT的斩控式调压器，用单片机控制IGBT的通断，电压电流的检测采用霍尔元件。

使该调压器具有调节方便、迅速实现电压的串并联、动态响应快。

由于采用的是PWM波，所以在启动电机时，就不采用常规的串启动电阻这种浪费电能的方法，节约了大量的电能。

一、系统工作原理

1、斩波调压的基本原理

斩波调压主电路如图2-1所示：

主电路由功率开关V、储能电感L、续流二极管VD、滤波电容C和负载R组成。

斩波调压开关电源的工作原理是：

V导通时，电源一方面通过储能电感L向负载R供电，另一方面向储能电感L储存能量。

V关断时，电感中的能量通过L、R、C和续流二极管VD将储存的电能放到电阻中去。

储能电感L很小时，电感中的能量有可能在放完

后V还没有开通，导致负载电流断续，一般情况下，将会造成输出电压纹波大、电源调整率变差等不良影响，因此这种情况是不希望出现的。

如图2-2，电流连续时，负载电压平均值为：

其中，ton—V处于通态的时间；toff—V处于断态的时间；T—开关周期；占空比。

理想斩波控制方式下，每个开关周期中斩波开关和续流开关互补工作，输出电压为：

E斩波开关导通

UO=

0续流开关导通

式中E——输入电源电压

图2—2斩波原理图

2、系统工作原理

根据设计的要求和斩波调压的原理，采用IGBT管作为主电路的调压器件。

采用单片机作为IGBT的主控器件，通过它产生PWM波来控制IGBT的开通和关断，从而达到调压和稳压的目的。

通过单片机的I/O输出信号来控制继电器的通断，实现电源自动迅速串并联以及主机的启动，使电压和电流达到应用的要求。

我们在软件上采用PID算法，闭环控制，通过对给定电压和输出电压的比较，实现外环稳压，通过两支路串联时进行电压比较，并联时进行电流比较，从而实现内环的均压和均流。

二、总体设计

本设计的对象是根据给定控制电压和电流。

在给定较小时，两套DC电流支路并联给负载提供较大的启动电流，同时实现均流；在给定较大时，两套DC电流支路串联给负载提供较大的工作电压，同时实现均压。

其中串并联的转换、均压、均流等由单片机控制完成。

1、硬件模块图

根据分析，其硬件原理框图如下。

其中虚框内为主电路。

输入的三相电压经变压器后分成两路支电流，分电流经过晶闸管整流桥和LC整流后，把交流变成可控的直流分量。

直流电通过IGBT调压后，根据给定判断此时两条支路是并联还是串联对负载供电。

2、软件模块图

根据系统设计的要求，设计该系统软件模块图如下。

通过主程序对各个子模块的调用即可实现对PWM波的生成、继电器的通断、AD的转换、数据的处理等工作。

各个模块的作用说明如下：

主程序模块：

设置堆栈，清除各个内存单元，系统中断初始化等，以及完成对各个子模块的调用等作用。

数据采样模块：

完成对7个通道的数据采样以及数据处理。

中断模块：

控制PWM波的宽度，以实现对IGBT的通断控制。

串并转换控制模块：

通过对KM2和KM3的通断来实现串并的相互转换。

串联控制模块：

采用PID算法实现均压，稳压控制。

并联控制模块：

采用PID算法实现均流，稳压控制。

三、硬件设计

1电流通道的设计

该电源由两套斩波型DC-DC基本电源组成。

如图。

每个电源的输出功率可达2KW，即最大输出为100V、20A。

两套电源通过2个直流继电器实现串并联转换。

三相电经接触器KM1和保险丝接入三相变压器，其中变压器起隔离和降压的作用。

变压后接三相二极管整流桥，整流后的直流电经LC滤波，去掉交流分量。

同时L还可以兼有软启动的功能。

通过LC滤波后，得到很好的直流，然后通过IGBT斩波，利用二极管续流，得到想要的电流。

经LC滤波后，两路电源通过两个继电器KM1、KM2的通断实现串并联。

2、主控器

根据系统设计的要求决定采用AduC812作为主控器，完成PWM波的产生和续流管的开通、关断，以及数据的采集等。

该芯片具有与8051兼容的内核，额定工作频率为12MHz（最大为16MHz），3个16位定时器/计数器，32条可编程的I/O口线，端口3具有高电流驱动能力，9个中断源并有2个优先级。

芯片内集成有8K字节闪速/电擦除程序存储器，640字节闪速/电擦除数据存储器，片内充电泵（不需要外部Vpp）；256字节片内数据RAM，16M字节外部数据地址空间，64K字节外部程序地址空间。

在摸拟输入输出方面：

片内集成有8通道、高精度的12位A/D，片内40ppm/℃电压基准，采样速率达200kSPS，DMA控制的高速A/D至RAM捕获，2个12位电压输出D/A，片内温度传感器功能。

在电源方面，芯片可用3V或5V供电，并有正常、空闲和掉电三种工作摸式。

片上还集成有：

UART输入/输出口，双线（I2C兼容）和SPI串行I/O口，看门狗定时器和电源监控电路。

3、AD通道的设计

在本系统设计中共有7路模拟量需要进行采样。

采用AduC812的P1口的7位作为AD的转换通道入口。

它们是1路的电压V1、电流A1，2路的电压V2、电流A2以及总的电压Uz和电流Az，还有一路就是给定Vg。

其通道的设计图如下。

通过对传感器传输过来的电压信号进行滤波后输入单片机的AD转换接口。

电压电流AD转换通道

给定AD转换通道

4、输出I/O通道设计

如图所示，AduC812的两个计数器T0、T1作为两个IGBT管的控制信号输出（即PWM波，用的是AduC812的P3.2和P3.3），用AduC812的P3.4、P3.5和P3.6作为三个继电器的开关控制信号。

继电器输出通道

PWM输出通道

5、通信电路

为了实现在线编程、修改，采用的是AduC812自带的串行口，采用RS-232通讯。

如图所示，采用的是MAX232。

通过MAX232电平转换后，与上位机相连，从而实现与上位机的通讯。

通信电路

四、软件设计

1、主程序流程图

系统在上电复位后，对各个内存单元以及接口等进行初始化，然后采样7个通道，通过对给定电压的比较，当给定较大时，不打开控制器控制，同时使两路电压处于并联状态，以使负载得到大的启动电流。

一旦启动主机后，通过给定电压的大小以及对通道采样来的数据，进行判断，是串联，还是并联，并且做出相应的控制。

得出其主流程图如下。

在主程序中，要对各个定时器进行初始化，同时启动T2。

T2是一个16位具有自动重装的定时器，在该程序中，采用它作为时间周期，作为一个PWM波的周期。

由于f=11.0592MHZ，根据nT=12*n/f=912600，可以得到T2中断一次的时间是1/3.565ms，我们取它为4us。

开始使PWM输出低电平，然后再采用T0、T1定时，它们定时一到，立刻使PWM输出为高电平，T2定时到时，PWM输出又变成低电平，这样只要修改T0、T1的定时初值，这样就产生了可调的PWM波了。

主程序流程图

2、子模块流程图

以下给出了各个子模块的流程框图。

采样子模块流程图

并串联控制子模块流程图

中断子模块流程图

五、结束语

此电路运行稳定可靠，原理简单，操作简单。

可作为轨道运输（小型电机车）、公路和皮带传送的电源，具有能耗低等特点，是一种很值得推广的实用型电路。

参考文献

新型矿用架线电机车用直流电源变换器林永、林兆水〈电子器件〉（2000.3）

电力电子变流技术黄俊，王兆编机械工业出版社，1993

MicroConverter，Multichannel12-BitADCwithEmbeddedFLASHMCU

附件

附件A主电路原理图

附件B控制板原理图