智能雙電源說明書

斬波式智能雙電源控制系統(tǒng)說明書前言當代電源技術是應用電力電子半導體器件,綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術多學科邊緣交叉技術。在各種高質量、高效、高可靠性電源中起關鍵作用,是當代電力電子技術詳細應用。當前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)材、自動化、智能化、機電一體化基礎,正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化方向發(fā)展。在不遠未來,電力電子技術將使電源技術愈加成熟、經濟、實用,實現高效率和高品質用電相結合。1.課題起源現在我國礦山礦用電機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，性能指標低。在電子技術飛速發(fā)展尤其是大規(guī)模集成電路廣泛應用今天。可控硅直流電源變換器面臨著被淘汰局面，都要被采取場效應管和IGBT管作功率控制器件開關電源所取代。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)研制采取場效應管和IGBT管作功率控制器件礦用直流電源變換器產品。在機車上，當開啟直流牽引電機時，需要低電壓、大電流，這么使電機得到大開啟轉矩，而在工作時候我們需要大運行電壓，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電源串并聯來實現電壓、電流改變，這么就極難把握時間，需要一定經驗。還有就是在串并聯轉換中，需要均壓和均流，這些經過人工是極難實現。還有在開啟電機時，我們過去常采取開啟電阻方法來開啟電機，這么浪費了大量電能。2、處理方法基于以上問題，我們采取單片機設計了一套智能電源對機車進行供電。該智能電源由單片機控制，經過閉環(huán)控制，自動實現串并聯轉換，以及經過控制PWM波形來控制IGBT通斷，來實現均壓和均流。3、優(yōu)勢本文提出采取IGBT斬控式調壓器，用單片機控制IGBT通斷，電壓電流檢測采取霍爾元件。使該調壓器具備調整方便、快速實現電壓串并聯、動態(tài)響應快。因為采取是PWM波，所以在開啟電機時，就不采取常規(guī)串開啟電阻這種浪費電能方法，節(jié)約了大量電能。一、系統(tǒng)工作原理1、斬波調壓基本原理斬波調壓主電路如圖2-1所表示：主電路由功率開關V、儲能電感L、續(xù)流二極管VD、濾波電容C和負載R組成。斬波調壓開關電源工作原理是：V導通時，電源首先經過儲能電感L向負載R供電，另首先向儲能電感L儲存能量。V關斷時，電感中能量經過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、電源調整率變差等不良影響，所以這種情況是不希望出現。如圖2-2，電流連續(xù)時，負載電壓平均值為：其中，ton—V處于通態(tài)時間；toff—V處于斷態(tài)時間；T—開關周期；占空比。理想斬波控制方式下，每個開關周期中斬波開關和續(xù)流開關互補工作，輸出電壓為：E斬波開關導通UO=0續(xù)流開關導通式中E——輸入電源電壓圖2—2斬波原理圖2、系統(tǒng)工作原理依照設計要求和斬波調壓原理，采取IGBT管作為主電路調壓器件。采取單片機作為IGBT主控器件，經過它產生PWM波來控制IGBT開通和關斷，從而達成調壓和穩(wěn)壓目標。經過單片機I/O輸出信號來控制繼電器通斷，實現電源自動快速串并聯以及主機開啟，使電壓和電流達成應用要求。我們在軟件上采取PID算法，閉環(huán)控制，經過對給定電壓和輸出電壓比較，實現外環(huán)穩(wěn)壓，經過兩支路串聯時進行電壓比較，并聯時進行電流比較，從而實現內環(huán)均壓和均流。二、總體設計本設計對象是依照給定控制電壓和電流。在給定較小時，兩套DC電流支路并聯給負載提供較大開啟電流，同時實現均流；在給定較大時，兩套DC電流支路串聯給負載提供較大工作電壓，同時實現均壓。其中串并聯轉換、均壓、均流等由單片機控制完成。1、硬件模塊圖依照分析，其硬件原理框圖以下。其中虛框內為主電路。輸入三相電壓經變壓器后分成兩路支電流，分電流經過晶閘管整流橋和LC整流后，把交流變成可控直流分量。直流電經過IGBT調壓后，依照給定判斷此時兩條支路是并聯還是串聯對負載供電。2、軟件模塊圖依照系統(tǒng)設計要求，設計該系統(tǒng)軟件模塊圖以下。經過主程序對各個子模塊調用即可實現對PWM波生成、繼電器通斷、AD轉換、數據處理等工作。各個模塊作用說明以下：主程序模塊：設置堆棧，去除各個內存單元，系統(tǒng)中止初始化等，以及完成對各個子模塊調用等作用。數據采樣模塊：完成對7個通道數據采樣以及數據處理。中止模塊：控制PWM波寬度，以實現對IGBT通斷控制。串并轉換控制模塊：經過對KM2和KM3通斷來實現串并相互轉換。串聯控制模塊：采取PID算法實現均壓，穩(wěn)壓控制。并聯控制模塊：采取PID算法實現均流，穩(wěn)壓控制。三、硬件設計1電流通道設計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2KW，即最大輸出為100V、20A。兩套電源經過2個直流繼電器實現串并聯轉換。三相電經接觸器KM1和保險絲接入三相變壓器，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LC濾波，去掉交流分量。同時L還能夠兼有軟開啟功效。經過LC濾波后，得到很好直流，然后經過IGBT斬波，利用二極管續(xù)流，得到想要電流。經LC濾波后，兩路電源經過兩個繼電器KM1、KM2通斷實現串并聯。2、主控器依照系統(tǒng)設計要求決定采取AduC812作為主控器，完成PWM波產生和續(xù)流管開通、關斷，以及數據采集等。該芯片具備與8051兼容內核，額定工作頻率為12MHz（最大為16MHz），3個16位定時器/計數器，32條可編程I/O口線，端口3具備高電流驅動能力，9個中止源并有2個優(yōu)先級。芯片內集成有8K字節(jié)閃速/電擦除程序存放器，640字節(jié)閃速/電擦除數據存放器，片內充電泵（不需要外部Vpp）；256字節(jié)片內數據RAM，16M字節(jié)外部數據地址空間，64K字節(jié)外部程序地址空間。在摸擬輸入輸出方面：片內集成有8通道、高精度12位A/D，片內40ppm/℃電壓基準，采樣速率達200kSPS，DMA控制高速A/D至RAM捕捉，2個12位電壓輸出D/A，片內溫度傳感器功效。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通道設計在本系統(tǒng)設計中共有7路模擬量需要進行采樣。采取AduC812P1口7位作為AD轉換通道入口。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。其通道設計圖以下。經過對傳感器傳輸過來電壓信號進行濾波后輸入單片機AD轉換接口。電壓電流AD轉換通道給定AD轉換通道4、輸出I/O通道設計如圖所表示，AduC812兩個計數器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控制信號。繼電器輸出通道PWM輸出通道5、通信電路為了實現在線編程、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。經過MAX232電平轉換后，與上位機相連，從而實現與上位機通訊。通信電路四、軟件設計1、主程序流程圖系統(tǒng)在上電復位后，對各個內存單元以及接口等進行初始化，然后采樣7個通道，經過對給定電壓比較，當給定較大時，不打開控制器控制，同時使兩路電壓處于并聯狀態(tài)，以使負載得到大開啟電流。一旦開啟主機后，經過給定電壓大小以及對通道采樣來數據，進行判斷，是串聯，還是并聯，而且做出對應控制。得出其主流程圖以下。在主程序中，要對各個定時器進行初始化，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。因為f=11.0592MHZ，依照nT=12*n/f=912600，能夠得到T2中止一次時間是1/3.565ms，我們取它為4us。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，這么就產生了可調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控制子模塊流程圖中止子模塊流程圖五、結束語此電路運行穩(wěn)定可靠，原理簡單，操作簡單。可作為軌道運輸（小型電機車）、公路和皮