89C51單片機為控制核心的開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計
[導(dǎo)讀]文中在簡單介紹高頻開關(guān)電源的工作原理基礎(chǔ)上，以通信用-48V開關(guān)電源為功率轉(zhuǎn)換部分，89C51單片機為控制核心，對開關(guān)電源的控制部分進行優(yōu)化設(shè)計，詳細闡述了其工作原理，并通過軟件編程實現(xiàn)了對開關(guān)電源的智能控制。
摘要：文中在簡單介紹高頻開關(guān)電源的工作原理基礎(chǔ)上，以通信用-48V開關(guān)電源為功率轉(zhuǎn)換部分，89C51單片機為控制核心，對開關(guān)電源的控制部分進行優(yōu)化設(shè)計，詳細闡述了其工作原理，并通過軟件編程實現(xiàn)了對開關(guān)電源的智能控制。
關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；單片機；軟件編程
引言
開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)控制功率開關(guān)管(MOSFET，IGBT)開通和關(guān)斷的時間比率來穩(wěn)定輸出電壓的一種新型穩(wěn)壓電源。從上世紀90年代以來開關(guān)電源相繼進入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，計算機、程控交換機、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源。利用單片機控制的開關(guān)電源，可使開關(guān)電源具備更加完善的功能，智能化進一步提高，便于實時監(jiān)控。其功能主要包括對運行中的開關(guān)電源進行檢測、自動顯示電源狀態(tài)；可以通過按鍵進行編程控制;可以進行故障自診斷，對電源功率部分實現(xiàn)自動監(jiān)測;可以對電源進行過壓、過流保護；可以對電池充放電進行實時控制。
開關(guān)電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
通信用-48V開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：
圖1開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖
市電經(jīng)整流濾波和功率因數(shù)校正后得到高壓直流電，然后通過DC/DC變換電路得到所需要的直流電壓。控制回路從輸出端取樣并與設(shè)定基準(zhǔn)進行比較，然后去控制逆變器，改變功率開關(guān)管的導(dǎo)通頻率或?qū)?截止時間進行輸出穩(wěn)定；另一方面，根據(jù)檢測電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護電路鑒別，利用控制電路對整機進行各種保護和蓄電池的充放電控制?？刂齐娐肥钦麄€開關(guān)電源的核心部分，一般開關(guān)電源的控制電路主要有檢測比較放大電路、電壓—脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路(或電壓—頻率轉(zhuǎn)化電路)、時鐘振蕩器(或恒脈寬發(fā)生器)、基極驅(qū)動電路、過壓過流保護電路以及輔助電源等電路組成。存在著電路復(fù)雜，功耗大，靈敏度差，不能實現(xiàn)很好的控制等缺點。
采用單片機89C51模塊組成的控制電路，它具有可編程、功能強、控制簡單、集成度高等諸多優(yōu)點，并對原來的電路存在的不足進行改進，其原理方框圖如圖2所示。
圖2單片機控制電源結(jié)構(gòu)圖
本智能開關(guān)電源利用通信用開關(guān)電源的基礎(chǔ)電路，以高性能單片機89C51為控制核心，組成數(shù)據(jù)處理電路，在檢測與控制軟件支持下，通過對開關(guān)電源輸出電流、電壓進行數(shù)據(jù)采樣與給定數(shù)據(jù)比較，從而調(diào)整和控制開關(guān)功率管的工作狀態(tài)，同時監(jiān)測輸出電流大小，進行電流控制。其電路的工作原理為:市電經(jīng)整流濾波、功率校正電路PFC(Power Factor Correct)變成直流電送入功率變換電路(DC/DC)，功率變換電路在脈沖寬度調(diào)制電路(PWM)和單片機的控制下輸出穩(wěn)定的直流電壓。用戶可根據(jù)需要通過鍵盤設(shè)定開關(guān)電源輸出的電壓值及最大輸出電流值，單片機系統(tǒng)自動對電源輸出電壓和電流進行數(shù)據(jù)采樣，并與用戶給定數(shù)據(jù)進行比較，然后根據(jù)設(shè)置的調(diào)整算法控制開關(guān)調(diào)整電路，使電源輸出電壓符合給定值。單片機在調(diào)整電源輸出電壓的同時還要檢測電路的輸出電流，當(dāng)輸出電流超過給定值時，就啟動保護電路，實現(xiàn)保護功能。為了使智能開關(guān)電源能可靠、安全地工作，本系統(tǒng)設(shè)置了多重監(jiān)測和保護系統(tǒng)，主要包括過流保護和短路保護。單片機系統(tǒng)通過電流傳感器檢測開關(guān)功率管的輸出電流，當(dāng)電流超過給定值，單片機系統(tǒng)切斷開關(guān)激勵信號并發(fā)出聲光報警，并對電池工作狀況實施檢測。
控制電路
控制電路采用ATMEL公司的89C51單片機，擴展了A/D、D/A、鍵盤顯示、RS232通訊口電路。原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3控制電路原理結(jié)構(gòu)圖
控制系統(tǒng)通過I/O輸入端口經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換控制功率轉(zhuǎn)換的開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷時間，完成對輸出電壓的穩(wěn)定，通過A/D轉(zhuǎn)換完成對開關(guān)電源輸出電壓和電流的采樣，通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)了過壓、過流保護及限流功能。同時采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，開關(guān)電源工作時，采用電壓反饋由PWM控制實現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)壓功能，控制閉環(huán)為電壓環(huán)或電流環(huán);在電池充電或過載時采用電流信號作為反饋，控制電池的充放電電流并實現(xiàn)過載保護的功能。為了精確控制開關(guān)電路的電壓輸出，把單片機的高頻脈沖信號分頻后變成適宜的開關(guān)脈沖信號，作為89C51的計數(shù)脈沖和門控信號。單片機把給定值與傳感器采集的信號進行比較，產(chǎn)生誤差信號。根據(jù)電壓控制算法設(shè)置89C51產(chǎn)生不同占空比(0～90%)的方波信號，經(jīng)過光電耦合器控制開關(guān)調(diào)整電路電壓輸出。輸出端與開關(guān)電路進行光電隔離，從而避免了來自開關(guān)電源電路的騷擾信號對單片機系統(tǒng)正常工作的影響。
鑒于受控的開關(guān)電路輸出電壓的高精度和快速調(diào)整特性，可采用改進的 PID控制算法，該算法具有電壓調(diào)整快、超調(diào)量小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。鍵盤與顯示部分裝在儀器操作面板上，由8位LED數(shù)碼管，3個LED指示燈以及16個鍵構(gòu)成，其中4位數(shù)碼管顯示電源電壓，4位數(shù)碼管顯示電流，3個LED指示燈作為報警顯示。
系統(tǒng)軟件設(shè)計
本軟件主要完成對信號采樣，各種數(shù)據(jù)處理、以及對功率轉(zhuǎn)換部分的控制等。本系統(tǒng)軟件主要包括鍵開關(guān)掃描程序、故障判別子程序、均充及浮充子程序、中斷檢測子程序和通信子程序等。主程序流程圖如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
在初始化過程中，先是將89C51各個輸入端口復(fù)位，然后從EEROM中讀出上次關(guān)機前存入的數(shù)據(jù)，控制開關(guān)電路，并進行顯示。初始化完成后，開中斷程序。若有中斷請求則響應(yīng)，否則進行數(shù)據(jù)采樣并讀取給定值，然后進行數(shù)據(jù)處理;若有短路或過流情況發(fā)生，則調(diào)用報警保護子程序;若要對電池浮一定的動態(tài)性，能在一定程度上反映出電池內(nèi)部的變化及SoC的大小，但該方法在推導(dǎo)過程中是假設(shè)電流是時變的，若電池在一個較長時間段內(nèi)恒流放電，則會大大降低SoC預(yù)測的準(zhǔn)確性?；跔顟B(tài)空間的動態(tài)模型以反應(yīng)物的動態(tài)變化建立模型，以測量的電流和電壓作為輸入量計算SoC，同時考慮了活性物質(zhì)的擴散現(xiàn)象，以此提高SoC的精度，是一種較好的方法；但由于電池模型階數(shù)較高，計算比較困難，模型的建立需要確定相當(dāng)多的經(jīng)驗參數(shù)，給應(yīng)用帶來較大麻煩。
基于能量模型的SoC定義修正了原來 SoC模型的不足，考慮到電池的可恢復(fù)性，綜合了電流、電壓、電阻判斷，在一定程度上提高了SoC的判斷精度，但它沒考慮溫度的影響，需要大量試驗數(shù)據(jù)。由于電池是密封的，所以外部可測參數(shù)只有電流和電壓，采用Randels Ershler電池模型對電池建模，并通過精確的安時積分估算SoC，同時進行容量老化補償、溫度補償、自放電補償及放電率補償，也不失為一種可行的方法。
上述方法能夠在一定程度上反映剩余電量的多少，適用于電動車用電池SoC的預(yù)測，但是這些模型參數(shù)確定需要許多反復(fù)的迭代步驟，并且重要的是，這些算法必須知道電池的SoC初值。因為要實時計算顯示SoC的值，這是需要時間的。模型越復(fù)雜，計算SoC所需時間也越多。 SoC的預(yù)測方法很多，但要達到較高的精度，在電池建模及SoC預(yù)測方法方面還有大量的工作可做。
關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；單片機；軟件編程
引言
開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)控制功率開關(guān)管(MOSFET，IGBT)開通和關(guān)斷的時間比率來穩(wěn)定輸出電壓的一種新型穩(wěn)壓電源。從上世紀90年代以來開關(guān)電源相繼進入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，計算機、程控交換機、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源。利用單片機控制的開關(guān)電源，可使開關(guān)電源具備更加完善的功能，智能化進一步提高，便于實時監(jiān)控。其功能主要包括對運行中的開關(guān)電源進行檢測、自動顯示電源狀態(tài)；可以通過按鍵進行編程控制;可以進行故障自診斷，對電源功率部分實現(xiàn)自動監(jiān)測;可以對電源進行過壓、過流保護；可以對電池充放電進行實時控制。
開關(guān)電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
通信用-48V開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：
圖1開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖
市電經(jīng)整流濾波和功率因數(shù)校正后得到高壓直流電，然后通過DC/DC變換電路得到所需要的直流電壓。控制回路從輸出端取樣并與設(shè)定基準(zhǔn)進行比較，然后去控制逆變器，改變功率開關(guān)管的導(dǎo)通頻率或?qū)?截止時間進行輸出穩(wěn)定；另一方面，根據(jù)檢測電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護電路鑒別，利用控制電路對整機進行各種保護和蓄電池的充放電控制?？刂齐娐肥钦麄€開關(guān)電源的核心部分，一般開關(guān)電源的控制電路主要有檢測比較放大電路、電壓—脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路(或電壓—頻率轉(zhuǎn)化電路)、時鐘振蕩器(或恒脈寬發(fā)生器)、基極驅(qū)動電路、過壓過流保護電路以及輔助電源等電路組成。存在著電路復(fù)雜，功耗大，靈敏度差，不能實現(xiàn)很好的控制等缺點。
采用單片機89C51模塊組成的控制電路，它具有可編程、功能強、控制簡單、集成度高等諸多優(yōu)點，并對原來的電路存在的不足進行改進，其原理方框圖如圖2所示。
圖2單片機控制電源結(jié)構(gòu)圖
本智能開關(guān)電源利用通信用開關(guān)電源的基礎(chǔ)電路，以高性能單片機89C51為控制核心，組成數(shù)據(jù)處理電路，在檢測與控制軟件支持下，通過對開關(guān)電源輸出電流、電壓進行數(shù)據(jù)采樣與給定數(shù)據(jù)比較，從而調(diào)整和控制開關(guān)功率管的工作狀態(tài)，同時監(jiān)測輸出電流大小，進行電流控制。其電路的工作原理為:市電經(jīng)整流濾波、功率校正電路PFC(Power Factor Correct)變成直流電送入功率變換電路(DC/DC)，功率變換電路在脈沖寬度調(diào)制電路(PWM)和單片機的控制下輸出穩(wěn)定的直流電壓。用戶可根據(jù)需要通過鍵盤設(shè)定開關(guān)電源輸出的電壓值及最大輸出電流值，單片機系統(tǒng)自動對電源輸出電壓和電流進行數(shù)據(jù)采樣，并與用戶給定數(shù)據(jù)進行比較，然后根據(jù)設(shè)置的調(diào)整算法控制開關(guān)調(diào)整電路，使電源輸出電壓符合給定值。單片機在調(diào)整電源輸出電壓的同時還要檢測電路的輸出電流，當(dāng)輸出電流超過給定值時，就啟動保護電路，實現(xiàn)保護功能。為了使智能開關(guān)電源能可靠、安全地工作，本系統(tǒng)設(shè)置了多重監(jiān)測和保護系統(tǒng)，主要包括過流保護和短路保護。單片機系統(tǒng)通過電流傳感器檢測開關(guān)功率管的輸出電流，當(dāng)電流超過給定值，單片機系統(tǒng)切斷開關(guān)激勵信號并發(fā)出聲光報警，并對電池工作狀況實施檢測。
控制電路
控制電路采用ATMEL公司的89C51單片機，擴展了A/D、D/A、鍵盤顯示、RS232通訊口電路。原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3控制電路原理結(jié)構(gòu)圖
控制系統(tǒng)通過I/O輸入端口經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換控制功率轉(zhuǎn)換的開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷時間，完成對輸出電壓的穩(wěn)定，通過A/D轉(zhuǎn)換完成對開關(guān)電源輸出電壓和電流的采樣，通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)了過壓、過流保護及限流功能。同時采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，開關(guān)電源工作時，采用電壓反饋由PWM控制實現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)壓功能，控制閉環(huán)為電壓環(huán)或電流環(huán);在電池充電或過載時采用電流信號作為反饋，控制電池的充放電電流并實現(xiàn)過載保護的功能。為了精確控制開關(guān)電路的電壓輸出，把單片機的高頻脈沖信號分頻后變成適宜的開關(guān)脈沖信號，作為89C51的計數(shù)脈沖和門控信號。單片機把給定值與傳感器采集的信號進行比較，產(chǎn)生誤差信號。根據(jù)電壓控制算法設(shè)置89C51產(chǎn)生不同占空比(0～90%)的方波信號，經(jīng)過光電耦合器控制開關(guān)調(diào)整電路電壓輸出。輸出端與開關(guān)電路進行光電隔離，從而避免了來自開關(guān)電源電路的騷擾信號對單片機系統(tǒng)正常工作的影響。
鑒于受控的開關(guān)電路輸出電壓的高精度和快速調(diào)整特性，可采用改進的 PID控制算法，該算法具有電壓調(diào)整快、超調(diào)量小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。鍵盤與顯示部分裝在儀器操作面板上，由8位LED數(shù)碼管，3個LED指示燈以及16個鍵構(gòu)成，其中4位數(shù)碼管顯示電源電壓，4位數(shù)碼管顯示電流，3個LED指示燈作為報警顯示。
系統(tǒng)軟件設(shè)計
本軟件主要完成對信號采樣，各種數(shù)據(jù)處理、以及對功率轉(zhuǎn)換部分的控制等。本系統(tǒng)軟件主要包括鍵開關(guān)掃描程序、故障判別子程序、均充及浮充子程序、中斷檢測子程序和通信子程序等。主程序流程圖如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
在初始化過程中，先是將89C51各個輸入端口復(fù)位，然后從EEROM中讀出上次關(guān)機前存入的數(shù)據(jù)，控制開關(guān)電路，并進行顯示。初始化完成后，開中斷程序。若有中斷請求則響應(yīng)，否則進行數(shù)據(jù)采樣并讀取給定值，然后進行數(shù)據(jù)處理;若有短路或過流情況發(fā)生，則調(diào)用報警保護子程序;若要對電池浮一定的動態(tài)性，能在一定程度上反映出電池內(nèi)部的變化及SoC的大小，但該方法在推導(dǎo)過程中是假設(shè)電流是時變的，若電池在一個較長時間段內(nèi)恒流放電，則會大大降低SoC預(yù)測的準(zhǔn)確性?；跔顟B(tài)空間的動態(tài)模型以反應(yīng)物的動態(tài)變化建立模型，以測量的電流和電壓作為輸入量計算SoC，同時考慮了活性物質(zhì)的擴散現(xiàn)象，以此提高SoC的精度，是一種較好的方法；但由于電池模型階數(shù)較高，計算比較困難，模型的建立需要確定相當(dāng)多的經(jīng)驗參數(shù)，給應(yīng)用帶來較大麻煩。
基于能量模型的SoC定義修正了原來 SoC模型的不足，考慮到電池的可恢復(fù)性，綜合了電流、電壓、電阻判斷，在一定程度上提高了SoC的判斷精度，但它沒考慮溫度的影響，需要大量試驗數(shù)據(jù)。由于電池是密封的，所以外部可測參數(shù)只有電流和電壓，采用Randels Ershler電池模型對電池建模，并通過精確的安時積分估算SoC，同時進行容量老化補償、溫度補償、自放電補償及放電率補償，也不失為一種可行的方法。
上述方法能夠在一定程度上反映剩余電量的多少，適用于電動車用電池SoC的預(yù)測，但是這些模型參數(shù)確定需要許多反復(fù)的迭代步驟，并且重要的是，這些算法必須知道電池的SoC初值。因為要實時計算顯示SoC的值，這是需要時間的。模型越復(fù)雜，計算SoC所需時間也越多。 SoC的預(yù)測方法很多，但要達到較高的精度，在電池建模及SoC預(yù)測方法方面還有大量的工作可做。
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