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标题: 智能大功率软启动恒流源的设计 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 09:30
标题: 智能大功率软启动恒流源的设计
电源启动过程中瞬时电流冲击很大，对电源和器件的使用寿命有很严重的影响，采用良好的控制方法对启动电流进行控制以减小其危害，使启动过程中无瞬间冲击且能连续变化，是电源启动控制中关键的一步。电源软启动方式就是控制输出电压和电流，使负载的电压和电流渐增。对于线性时不变模型的被控对象适当整定PID 参数可获得较满意的控制效果，可以很好地解决电流过大的问题。PID 控制能很好地解决启动过程中震荡和超调的问题，可以更好地保护电源，且启动可靠、稳定性强。采用单片机作为控制器，编程灵活、性价比较高，易实现人机界面管理。利用软件调整系统的非线性，以降低实测值与设定值之间的偏差。电源电压或电流的波动、电路元件的老化、环境温度等因素都将影响电源的稳定性。为了稳定地控制电源功率，该方案采用基于单片机的高速AD、DA 数据采集系统，并采用PID算法实现大功率电源的软启动，系统采用PID 电压采样反馈控制输出电流的恒定不变，精度较高、响应速度较快、灵活性较好、稳定性较高。
1 大功率精密恒流源的实现

1.1 电源系统设计

以单片机为核心，完成以下功能：处理键盘输入数值，包括电路预定值和"+" 、"-" 步进；控制数LCD 显示预定值和实际值；控制ADC 和DAC; 根据得到的反馈信号通过程序控制算法进行偏差值补偿。由于运放OPA549 一路受D/A 转换器控制，调整运放OPA549 输入端电压，一路为比例放大电路。当DAC 输出预定值或步进值后，电流源的输出在0 ~8 A 范围内变化。输出电压经与负载串联的小电阻采样后，送入ADC, 采样值与预定值在单片机内部进行计算、比较输出控制信号，对偏差值进行补偿。利用软件调整系统的非线性，以降低实测值与设定值之间的偏差。

1.2 电源电路设计

（1）数控部分核心

采用单C8051F , 控制数控直流源的键盘和显示，与D/A 转换器和A/D 转换器控制输出电流。A/D 转换器的基准电压由专门±9 V 电源供电，D/A 转换器的基准电压由+20 V 电源供电，由单片机送出数据经DAC 转换输出控制电压。

（2）运放OPA549 放大电路电流源。

OPA549 是BB 公司新推出的一种高电压大电流功率运算放大器。它能够提供极好的低电平信号、输出高电压、大电流，可驱动各种负载。该器件的主要特点：输出电流大，连续输出电流可达8 A, 峰值电流可达10 A; 工作电压范围宽，单电源为+8 V~+60 V, 双电源为±4 V~±60 V; 输出电压摆动大；有过热关闭功能，电流极限可调；有使能及禁止功能；有过热关闭指示；转换效率（压摆率）最高为9 V/μs ; 工作温度范围为-40℃~+85℃。该器件主要应用于驱动工业设备、测试设备、电源、音频功率放大器等大电流负载。

在该电源系统中，主要为负载提供大电流，采用PID 控制算法控制负载的发光强度。输入为单片机经DAC输出的控制电压，一路为比例放大电路，如图1 所示增益G=1+R3/R2.电流型DAC 通过R1 转换成电压，控制OPA549 .输出电流经采样电阻转换为采样电压，送入A/D 转换器反馈至单片机进行偏差值补偿。

图1 OPA549 构成可调大电流恒流源

（3）散热及抗干扰。

OPA549 大功率管工作时产生恒定的大电流，功耗较大，产生的热量较多，散热成为该电源急需处理的问题。一般的轴流风扇内部电机置有脉冲驱动电路，驱动时，脉冲成分很容易直接顺电机电源线" 外溢" , 干扰其他电器设备。视频设备上干扰表现为横通斜线，音响设备上产生噪音。为此，安装大面积的铜散热片，同时用风扇对设备中的电子元器件强制散热。安装风扇时，需要在风扇电机电源线上串绕一只高频磁环以抗干扰。串绕磁环有效滤除这些干扰成分，一般只需绕上1~3 匝即可。

2 PID 控制算法

系统软启动的控制功能通过比例积分微分控制器实现。通过比较给定信号与反馈信号的偏差，并进行比例、积分、微分等运算进行控制，是技术较成熟、应用、广泛的一种控制方式。其结构简单、灵活性强、系统参数调整方便，不需要求出模型。

PID 控制原理如图2 所示。PID 控制是一种线性调节器，它把设定值W 与实际输出值相减，得到控制偏差e .偏差值e 经比例、积分、微分后通过线性组合构成控制量U, 对对象进行控制。其中比例调节器起到基础调节作用，主要对控制系统的灵敏度和控制速度有影响。积分调节器可以自动调节控制量，消除稳态误差，使系统趋于稳定。微分调节器可以减小超调，克服振荡，同时加快系统的稳定速度，缩短调整时间，从而改善系统的动态性能。

图2 PID 控制原理图

PID 控制器的输出与输入之间的关系可表达为：

式中： Ti为积分时间常数； Td为微分时间常数； Kp为比例系数； Ki为积分常数， Ki=Kp/Ti ; Kd为微分常数，Kd=Kp/Td.

系统启动时间较短，启动电压、电流较大，负载所承受的冲击也较大，致使启动阶段负载的动负荷峰值远远大于正常运行时的负荷，容易造成负载的损坏。为解决此问题，设计了一种新型的PID 控制软启动电源系统，主要由电源、大电流恒流源、输出大电流端采样和控制系统组成，并完成了实验室内的试验。当电源启动时，首先由单片机系统给定设定电压、电流或功率。PID软启动是按负载线性上升的规律控制输出。在负载电压线性增加的过程中，如果电流超出了所限定的范围，则马上投入电压闭环，使电流值限定在所设定的范围内后，再线性逐渐增加电压至额定值，系统的光强也由零逐渐增大，完成启动过程。

PID 控制系统软启动效果图如图3 所示。通过串行通信端口com1 通信，电压单位mV、电流单位mA, 功率单位mW, 时间单位s.

从图3 的软启动效果图可以看出，在恒定电压、电流、功率的模式下工作时，系统开机过程超调量很小，有效地控制了启动过程，防止了启动过程产生过大的扰动电压，产生过大的功率，有效地保护了负载。

3 实验结果

由于输出电流达到8 A, 对电源的功率要求较高，易产生噪声，这种随机噪声也会对输出电流产生一定的影响。为减弱这种噪声，各个模块分别供电，以减少交叉干扰，同时在电路板上多加装去耦滤波电容，减小干扰的影响，同时OPA549 能有效地抑制纹波。影响电源稳定性的因素很多，如负载的变化、取样电阻的变化、A/D、D/A 的影响等。如图4 所示，不同负载的情况下，电源误差不同。10 W 的负载，由于功率较低，在电压、电流增加时，误差变化也较小。35 W 的负载，由于功率较大，工作电流的变化范围比较大，功耗较大，电源的误差变化相应地也比较大。如图5, 在10 W、20 W 和35 W 的负载时，工作状态稳定，能够满足大电流、大功率的需要。

该系统利用PID 算法进行控制，采用大功率运放OPA549 输出电流在0~8 A 范围内可调，最大峰值可达到10 A, 能够有效抑制纹波电流，克服了传统电流源输出电流范围小的缺点。可设置并能实时显示输出电压、电流、功率实测值，具有"+ " , "- " 步进调整功能，输出可在LCD12864 显示，同时通过RS232 与上位机同步通信，直接显示，保存实验数据。通过对测试结果的分析，系统在软启动的过程中，超调量很小，启动效果很好，避免了对负载的冲击。由于大功率调整管的电流大范围变化时，经过软件补偿、放大电路调整等方法解决线性度较差，实测值和设定值存在偏差的问题。该电源适用于大功率的场合，本电源具有很好的实用性。

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