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          智能大功率軟啟動恒流源的設計

          作者: 時間:2017-06-03 來源:網絡 收藏

          電源啟動過程中瞬時電流沖擊很大, 對電源和器件的使用壽命有很嚴重的影響, 采用良好的控制方法對啟動電流進行控制以減小其危害, 使啟動過程中無瞬間沖擊且能連續(xù)變化, 是電源啟動控制中關鍵的一步。電源方式就是控制輸出電壓和電流, 使負載的電壓和電流漸增。對于線性時不變模型的被控對象適當整定PID 參數可獲得較滿意的控制效果, 可以很好地解決電流過大的問題。PID 控制能很好地解決啟動過程中震蕩和超調的問題, 可以更好地保護電源, 且啟動可靠、穩(wěn)定性強。采用作為控制器, 編程靈活、性價比較高, 易實現人機界面管理。利用軟件調整系統(tǒng)的非線性, 以降低實測值與設定值之間的偏差。電源電壓或電流的波動、電路元件的老化、環(huán)境溫度等因素都將影響電源的穩(wěn)定性。為了穩(wěn)定地控制電源功率, 該方案采用基于的高速AD、DA 數據采集系統(tǒng), 并采用PID算法實現大功率電源的, 系統(tǒng)采用PID 電壓采樣反饋控制輸出電流的恒定不變, 精度較高、響應速度較快、靈活性較好、穩(wěn)定性較高。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/347181.htm

          1 大功率精密的實現

          1.1 電源系統(tǒng)設計

          為核心, 完成以下功能: 處理鍵盤輸入數值, 包括電路預定值和+ 、- 步進; 控制數LCD 顯示預定值和實際值; 控制ADC 和DAC; 根據得到的反饋信號通過程序控制算法進行偏差值補償。由于運放OPA549 一路受D/A 轉換器控制, 調整運放OPA549 輸入端電壓, 一路為比例放大電路。當DAC 輸出預定值或步進值后, 電流源的輸出在0 ~8 A 范圍內變化。輸出電壓經與負載串聯的小電阻采樣后, 送入ADC, 采樣值與預定值在單片機內部進行計算、比較輸出控制信號,對偏差值進行補償。利用軟件調整系統(tǒng)的非線性, 以降低實測值與設定值之間的偏差。

          1.2 電源電路設計

          (1) 數控部分核心

          采用單C8051F , 控制數控直流源的鍵盤和顯示, 與D/A 轉換器和A/D 轉換器控制輸出電流。A/D 轉換器的基準電壓由專門±9 V 電源供電,D/A 轉換器的基準電壓由+20 V 電源供電, 由單片機送出數據經DAC 轉換輸出控制電壓。

          (2) 運放OPA549 放大電路電流源。

          OPA549 是BB 公司新推出的一種高電壓大電流功率運算放大器。它能夠提供極好的低電平信號、輸出高電壓、大電流, 可驅動各種負載。該器件的主要特點: 輸出電流大, 連續(xù)輸出電流可達8 A, 峰值電流可達10 A; 工作電壓范圍寬, 單電源為+8 V~+60 V, 雙電源為±4 V~±60 V; 輸出電壓擺動大;有過熱關閉功能, 電流極限可調; 有使能及禁止功能; 有過熱關閉指示; 轉換效率( 壓擺率) 最高為9 V/μs ; 工作溫度范圍為-40℃~+85℃。該器件主要應用于驅動工業(yè)設備、測試設備、電源、音頻功率放大器等大電流負載。

          在該電源系統(tǒng)中, 主要為負載提供大電流, 采用PID 控制算法控制負載的發(fā)光強度。輸入為單片機經DAC輸出的控制電壓, 一路為比例放大電路, 如圖1 所示增益G=1+R3/R2.電流型DAC 通過R1 轉換成電壓, 控制OPA549 .輸出電流經采樣電阻轉換為采樣電壓, 送入A/D 轉換器反饋至單片機進行偏差值補償。


          圖1 OPA549 構成可調大電流

          (3) 散熱及抗干擾。

          OPA549 大功率管工作時產生恒定的大電流, 功耗較大, 產生的熱量較多, 散熱成為該電源急需處理的問題。一般的軸流風扇內部電機置有脈沖驅動電路, 驅動時, 脈沖成分很容易直接順電機電源線 外溢 , 干擾其他電器設備。視頻設備上干擾表現為橫通斜線, 音響設備上產生噪音。為此, 安裝大面積的銅散熱片, 同時用風扇對設備中的電子元器件強制散熱。安裝風扇時, 需要在風扇電機電源線上串繞一只高頻磁環(huán)以抗干擾。串繞磁環(huán)有效濾除這些干擾成分, 一般只需繞上1~3 匝即可。

          2 PID 控制算法

          系統(tǒng)的控制功能通過比例積分微分控制器實現。通過比較給定信號與反饋信號的偏差, 并進行比例、積分、微分等運算進行控制, 是技術較成熟、應用、廣泛的一種控制方式。其結構簡單、靈活性強、系統(tǒng)參數調整方便, 不需要求出模型。

          PID 控制原理如圖2 所示。PID 控制是一種線性調節(jié)器, 它把設定值W 與實際輸出值相減, 得到控制偏差e .偏差值e 經比例、積分、微分后通過線性組合構成控制量U, 對對象進行控制。其中比例調節(jié)器起到基礎調節(jié)作用, 主要對控制系統(tǒng)的靈敏度和控制速度有影響。積分調節(jié)器可以自動調節(jié)控制量, 消除穩(wěn)態(tài)誤差,使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。微分調節(jié)器可以減小超調, 克服振蕩, 同時加快系統(tǒng)的穩(wěn)定速度, 縮短調整時間, 從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。


          圖2 PID 控制原理圖

          PID 控制器的輸出與輸入之間的關系可表達為:

          式中: Ti為積分時間常數; Td為微分時間常數; Kp為比例系數; Ki為積分常數, Ki=Kp/Ti ; Kd為微分常數,Kd=Kp/Td.

          系統(tǒng)啟動時間較短, 啟動電壓、電流較大, 負載所承受的沖擊也較大, 致使啟動階段負載的動負荷峰值遠遠大于正常運行時的負荷, 容易造成負載的損壞。為解決此問題, 設計了一種新型的PID 控制軟啟動電源系統(tǒng), 主要由電源、大電流、輸出大電流端采樣和控制系統(tǒng)組成, 并完成了實驗室內的試驗。當電源啟動時, 首先由單片機系統(tǒng)給定設定電壓、電流或功率。PID軟啟動是按負載線性上升的規(guī)律控制輸出。在負載電壓線性增加的過程中, 如果電流超出了所限定的范圍, 則馬上投入電壓閉環(huán), 使電流值限定在所設定的范圍內后, 再線性逐漸增加電壓至額定值, 系統(tǒng)的光強也由零逐漸增大, 完成啟動過程。

          PID 控制系統(tǒng)軟啟動效果圖如圖3 所示。通過串行通信端口com1 通信, 電壓單位mV、電流單位mA, 功率單位mW, 時間單位s.

          從圖3 的軟啟動效果圖可以看出, 在恒定電壓、電流、功率的模式下工作時, 系統(tǒng)開機過程超調量很小, 有效地控制了啟動過程, 防止了啟動過程產生過大的擾動電壓, 產生過大的功率,有效地保護了負載。

          3 實驗結果

          由于輸出電流達到8 A, 對電源的功率要求較高, 易產生噪聲, 這種隨機噪聲也會對輸出電流產生一定的影響。為減弱這種噪聲, 各個模塊分別供電, 以減少交叉干擾, 同時在電路板上多加裝去耦濾波電容, 減小干擾的影響, 同時OPA549 能有效地抑制紋波。影響電源穩(wěn)定性的因素很多, 如負載的變化、取樣電阻的變化、A/D、D/A 的影響等。如圖4 所示, 不同負載的情況下, 電源誤差不同。10 W 的負載, 由于功率較低, 在電壓、電流增加時, 誤差變化也較小。35 W 的負載, 由于功率較大, 工作電流的變化范圍比較大, 功耗較大, 電源的誤差變化相應地也比較大。如圖5, 在10 W、20 W 和35 W 的負載時, 工作狀態(tài)穩(wěn)定, 能夠滿足大電流、大功率的需要。


          該系統(tǒng)利用PID 算法進行控制, 采用大功率運放OPA549 輸出電流在0~8 A 范圍內可調, 最大峰值可達到10 A, 能夠有效抑制紋波電流, 克服了傳統(tǒng)電流源輸出電流范圍小的缺點??稍O置并能實時顯示輸出電壓、電流、功率實測值, 具有+ , - 步進調整功能, 輸出可在LCD12864 顯示, 同時通過RS232 與上位機同步通信, 直接顯示, 保存實驗數據。通過對測試結果的分析,系統(tǒng)在軟啟動的過程中, 超調量很小, 啟動效果很好, 避免了對負載的沖擊。由于大功率調整管的電流大范圍變化時, 經過軟件補償、放大電路調整等方法解決線性度較差,實測值和設定值存在偏差的問題。該電源適用于大功率的場合,本電源具有很好的實用性。



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