基于單片機(jī)控制的智能軟啟動(dòng)大功率恒流源設(shè)計(jì)

　　電源啟動(dòng)過程中瞬時(shí)電流沖擊很大， 對(duì)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(duì)啟動(dòng)電流進(jìn)行控制以減小其危害， 使啟動(dòng)過程中無瞬間沖擊且能連續(xù)變化， 是電源啟動(dòng)控制中關(guān)鍵的一步。電源軟啟動(dòng)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(duì)于線性時(shí)不變模型的被控對(duì)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(dòng)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(dòng)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(jià)比較高， 易實(shí)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(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間的偏差。電源電壓或電流的波動(dòng)、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(shí)現(xiàn)大功率電源的軟啟動(dòng)， 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(shí)現(xiàn)

　　1.1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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(shí)際值； 控制ADC 和DAC; 根據(jù)得到的反饋信號(hào)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(jì)算、比較輸出控制信號(hào)，對(duì)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(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間的偏差。

　　1.2 電源電路設(shè)計(jì)

　?。?） 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。

　?。?） 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(hào)、輸出高電壓、大電流， 可驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載。該器件的主要特點(diǎn)： 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(dòng)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(dòng)工業(yè)設(shè)備、測(cè)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

　?。?） 散熱及抗干擾。

　　OPA549 大功率管工作時(shí)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(dòng)電路， 驅(qū)動(dòng)時(shí)， 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(shí)用風(fēng)扇對(duì)設(shè)備中的電子元器件強(qiáng)制散熱。安裝風(fēng)扇時(shí)， 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(dòng)的控制功能通過比例積分微分控制器實(shí)現(xiàn)。通過比較給定信號(hào)與反饋信號(hào)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(jiǎn)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(shí)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(duì)對(duì)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(duì)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(dòng)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(shí)加快系統(tǒng)的穩(wěn)定速度， 縮短調(diào)整時(shí)間， 從而改善系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)間常數(shù)； Td為微分時(shí)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(dòng)時(shí)間較短， 啟動(dòng)電壓、電流較大， 負(fù)載所承受的沖擊也較大， 致使啟動(dòng)階段負(fù)載的動(dòng)負(fù)荷峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷， 容易造成負(fù)載的損壞。為解決此問題， 設(shè)計(jì)了一種新型的PID 控制軟啟動(dòng)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)的試驗(yàn)。當(dāng)電源啟動(dòng)時(shí)， 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(dòng)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(dòng)過程。