智能大功率軟啟動恒流源的設(shè)計

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(yán)重的影響， 采用良好的控制方法對啟動電流進(jìn)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(guān)鍵的一步。電源軟啟動方式就是控制輸出電壓和電流， 使負(fù)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(dāng)整定PID 參數(shù)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(diào)的問題， 可以更好地保護(hù)電源， 且啟動可靠、穩(wěn)定性強(qiáng)。采用單片機(jī)作為控制器， 編程靈活、性價比較高， 易實現(xiàn)人機(jī)界面管理。利用軟件調(diào)整系統(tǒng)的非線性， 以降低實測值與設(shè)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， 該方案采用基于單片機(jī)的高速AD、DA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 并采用PID算法實現(xiàn)大功率電源的軟啟動， 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(yīng)速度較快、靈活性較好、穩(wěn)定性較高。

1 大功率精密恒流源的實現(xiàn)

1.1 電源系統(tǒng)設(shè)計

以單片機(jī)為核心， 完成以下功能： 處理鍵盤輸入數(shù)值， 包括電路預(yù)定值和+ 、- 步進(jìn)； 控制數(shù)LCD 顯示預(yù)定值和實際值； 控制ADC 和DAC; 根據(jù)得到的反饋信號通過程序控制算法進(jìn)行偏差值補(bǔ)償。由于運(yùn)放OPA549 一路受D/A 轉(zhuǎn)換器控制， 調(diào)整運(yùn)放OPA549 輸入端電壓， 一路為比例放大電路。當(dāng)DAC 輸出預(yù)定值或步進(jìn)值后， 電流源的輸出在0 ~8 A 范圍內(nèi)變化。輸出電壓經(jīng)與負(fù)載串聯(lián)的小電阻采樣后， 送入ADC, 采樣值與預(yù)定值在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行計算、比較輸出控制信號，對偏差值進(jìn)行補(bǔ)償。利用軟件調(diào)整系統(tǒng)的非線性， 以降低實測值與設(shè)定值之間的偏差。

1.2 電源電路設(shè)計

（1） 數(shù)控部分核心

采用單C8051F , 控制數(shù)控直流源的鍵盤和顯示， 與D/A 轉(zhuǎn)換器和A/D 轉(zhuǎn)換器控制輸出電流。A/D 轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓由專門±9 V 電源供電，D/A 轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓由+20 V 電源供電， 由單片機(jī)送出數(shù)據(jù)經(jīng)DAC 轉(zhuǎn)換輸出控制電壓。

（2） 運(yùn)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(yùn)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(qū)動各種負(fù)載。該器件的主要特點： 輸出電流大， 連續(xù)輸出電流可達(dá)8 A, 峰值電流可達(dá)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(guān)閉功能， 電流極限可調(diào)； 有使能及禁止功能； 有過熱關(guān)閉指示； 轉(zhuǎn)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(yīng)用于驅(qū)動工業(yè)設(shè)備、測試設(shè)備、電源、音頻功率放大器等大電流負(fù)載。

在該電源系統(tǒng)中， 主要為負(fù)載提供大電流， 采用PID 控制算法控制負(fù)載的發(fā)光強(qiáng)度。輸入為單片機(jī)經(jīng)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(zhuǎn)換成電壓， 控制OPA549 .輸出電流經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換為采樣電壓， 送入A/D 轉(zhuǎn)換器反饋至單片機(jī)進(jìn)行偏差值補(bǔ)償。

圖1 OPA549 構(gòu)成可調(diào)大電流恒流源

（3） 散熱及抗干擾。

OPA549 大功率管工作時產(chǎn)生恒定的大電流， 功耗較大， 產(chǎn)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(fēng)扇內(nèi)部電機(jī)置有脈沖驅(qū)動電路， 驅(qū)動時， 脈沖成分很容易直接順電機(jī)電源線 外溢 , 干擾其他電器設(shè)備。視頻設(shè)備上干擾表現(xiàn)為橫通斜線， 音響設(shè)備上產(chǎn)生噪音。為此， 安裝大面積的銅散熱片， 同時用風(fēng)扇對設(shè)備中的電子元器件強(qiáng)制散熱。安裝風(fēng)扇時， 需要在風(fēng)扇電機(jī)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)軟啟動的控制功能通過比例積分微分控制器實現(xiàn)。通過比較給定信號與反饋信號的偏差， 并進(jìn)行比例、積分、微分等運(yùn)算進(jìn)行控制， 是技術(shù)較成熟、應(yīng)用、廣泛的一種控制方式。其結(jié)構(gòu)簡單、靈活性強(qiáng)、系統(tǒng)參數(shù)調(diào)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(diào)節(jié)器， 它把設(shè)定值W 與實際輸出值相減， 得到控制偏差e .偏差值e 經(jīng)比例、積分、微分后通過線性組合構(gòu)成控制量U, 對對象進(jìn)行控制。其中比例調(diào)節(jié)器起到基礎(chǔ)調(diào)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(diào)節(jié)器可以自動調(diào)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(diào)節(jié)器可以減小超調(diào)， 克服振蕩， 同時加快系統(tǒng)的穩(wěn)定速度， 縮短調(diào)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(guān)系可表達(dá)為：

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

系統(tǒng)啟動時間較短， 啟動電壓、電流較大， 負(fù)載所承受的沖擊也較大， 致使啟動階段負(fù)載的動負(fù)荷峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行時的負(fù)荷， 容易造成負(fù)載的損壞。為解決此問題， 設(shè)計了一種新型的PID 控制軟啟動電源系統(tǒng)， 主要由電源、大電流恒流源、輸出大電流端采樣和控制系統(tǒng)組成， 并完成了實驗室內(nèi)的試驗。當(dāng)電源啟動時， 首先由單片機(jī)系統(tǒng)給定設(shè)定電壓、電流或功率。PID軟啟動是按負(fù)載線性上升的規(guī)律控制輸出。在負(fù)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(shè)定的范圍內(nèi)后， 再線性逐漸增加電壓至額定值， 系統(tǒng)的光強(qiáng)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(jī)過程超調(diào)量很小， 有效地控制了啟動過程， 防止了啟動過程產(chǎn)生過大的擾動電壓， 產(chǎn)生過大的功率，有效地保護(hù)了負(fù)載。

3 實驗結(jié)果

由于輸出電流達(dá)到8 A, 對電源的功率要求較高， 易產(chǎn)生噪聲， 這種隨機(jī)噪聲也會對輸出電流產(chǎn)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(fù)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(fù)載的情況下， 電源誤差不同。10 W 的負(fù)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(fù)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(yīng)地也比較大。如圖5, 在10 W、20 W 和35 W 的負(fù)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(jìn)行控制， 采用大功率運(yùn)放OPA549 輸出電流在0~8 A 范圍內(nèi)可調(diào)， 最大峰值可達(dá)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。可設(shè)置并能實時顯示輸出電壓、電流、功率實測值， 具有+ , - 步進(jìn)調(diào)整功能， 輸出可在LCD12864 顯示， 同時通過RS232 與上位機(jī)同步通信， 直接顯示， 保存實驗數(shù)據(jù)。通過對測試結(jié)果的分析，系統(tǒng)在軟啟動的過程中， 超調(diào)量很小， 啟動效果很好， 避免了對負(fù)載的沖擊。由于大功率調(diào)整管的電流大范圍變化時， 經(jīng)過軟件補(bǔ)償、放大電路調(diào)整等方法解決線性度較差，實測值和設(shè)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。