一种智能大功率直流电源的设计与实现

摘 要：本文介绍了以8098单片机作主控单元的大功率直流电源，该系统中采用WATCHDOG的抗干扰技术和锁相环(PLL)控制原理，文章阐述了电力系统根据现场情况要求下，如以电力系统对电池充电为例的7种工作方式，并详细讨论了利用软件实现的PI调节方法。

0 引言

在大功率直流电源中，主电路一般采用晶闸管三相全控桥式整流电路，其关键在于如何准确、可靠、稳定地控制晶闸管的导通角。

目前，大功率直流电源现场应用中最为普遍的控制方式大都采用KC或KJ系列小规模集成电路，即采用三相锯齿波信号和直流控制信号相比较获得的移相信号。然而，三相锯齿波信号的斜率、占空比、幅度等与每相的器件参数密切相关，并且比较信号中小的干扰可能造成较大的相移误差，因而电路的可靠性和自动平衡能力较差。

利用单片机作为控制电路，根据三相全控桥触发脉冲之间的逻辑关系，直接产生六相高度均衡的触发脉冲，可以克服KC、KJ系列电路均衡性差的缺点。但是，由于现场系统工作在强电干扰比较严重的场合，为了减小干扰可能引起程序运行紊乱，造成系统失控而引起主电路器件的损坏;另外，为了增强系统的功能，加强人机对话能力，实现显示、打印、命令输入、循环检测、过压过流保护以及软件PI调节器等功能，必须采用双CPU并行工作。但双CPU并行工作既增加了系统的复杂性，又降低了系统的可靠性和实用性。

为了克服上述局限性，利用8098单片机作主控单元， 并充分利用WATCHDOG的抗干扰性能，采用以锁相环(PLL)为基本控制原理的通用触发板作中间界面，构成一种智能化的电厂大功率直流后备电源。图1示出控制系统框图。

图1 控制系统框图

1 系统工作原理

现以电力系统对电池进行强充、浮充为例，说明系统的工作原理。根据现场要求，系统共设有7种工作方式，见图1。

1)手动方式(M)

系统工作在开环状态，利用8098的PWM口，经滤波后输出一个0~5V的控制电压信号给触发板，使整流桥相应输出电压为0~300V.该方式主要用于系统主电路的检修和维护。

2)稳压方式(V)

稳压方式(V)又称浮充方式，系统作稳压源闭环运行。

为增强系统的灵活性和通用性，利用软件实现PI调节。

(1)标准数字PI算法

图2示出带数字PI调节器的计算机控制系统方框图。

图2 典型计算机控制系统方框图

该数字PI调节器的Z传递函数为：

式中：Ki -- 积分系数，Ki= KoT/Ti;T--采样周期; Ti-- 积分时间常数;Kp-- 比例因子;U(Z)--控制量输出的z传递函数;E(z)- -偏差量的z传递函数。

将式(1)展开，可得以下位置式算法：

式中Uo-- 初始值;Uk - - 第k次采样点获得的控制量;Ek--第k次采样点获得的偏差量;Ej--第j次采样点的偏差值;k一第k次采样点。

整理成递推公式形式：

根据上述递推公式，可以非常方便地用软件实现PI调节器。