智能双电源说明书.doc

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，tonV处于通态的时间；toffV处于断态的时间；T 开关周期；a-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22 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1/3.565 ms，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，1993MicroConverter ，Multichannel 12-Bit ADC with Embedded FLASH MCU附件附件A 主电路原理图附件B 控制板原理图袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿