摘要：本文基于高性能單片機設計了數(shù)字控制的功率直流開關電源。首先介紹了該電源的原理及整體設計方案，其次介紹了部分關鍵電路的硬件設計，采用軟件方式來實現(xiàn)功率直流電源的數(shù)字控制，給出了主程序及部分關鍵部分的程序流程圖。該電源具有輸出電壓連續(xù)可調、精度高、電路簡單、操作靈活等優(yōu)點。 敘詞：開關電源；數(shù)字控制
1 引言
直流穩(wěn)壓電源已廣泛地應用于許多工業(yè)領域中。在工業(yè)生產中(如電焊、電鍍或直流電機的調速等)，需要用到大量的電壓可調的直流電源，他們一般都要求有可以方便的調節(jié)電壓輸出的直流供電電源。目前，由于開關電源[1]效率高，小型化等優(yōu)點，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源、晶閘管穩(wěn)壓電源逐步被直流開關穩(wěn)壓電源所取代。開關電源主要的控制方式是采用脈寬調制集成電路輸出PWM 脈沖，采用模擬PID調節(jié)器進行脈寬調制，這種控制方式，存在一定的誤差，而且電路比較復雜[2]。本文設計了一種以ST 公司的高性能單片機μpsd3354 為控制核心的輸出電壓大范圍連續(xù)可調的功率開關電源，由單片機直接產生PWM 波，對開關電源的主電路執(zhí)行數(shù)字控制，電路簡單，功能強大[3]。
2 功率直流電源系統(tǒng)原理與整體設計
2.1 系統(tǒng)原理
本功率直流電源系統(tǒng)由開關電源的主電路和控制電路兩部分組成，主電路主要處理電能，控制電路主要處理電信號，采用負反饋構成一個自動控制系統(tǒng)。開關電源采用PWM 控制方式，通過給定量和反饋量的比較得到偏差，并通過數(shù)字PID 調節(jié)器控制PWM 輸出，從而控制開關電源的輸出。其中，PID調節(jié)和PWM 輸出都由單片機系統(tǒng)采用軟件控制。
2.2 系統(tǒng)整體設計
系統(tǒng)硬件部分由輸入輸出整流濾波電路、功率變換部分、驅動電路、單片機系統(tǒng)和輔助電路等幾部分組成。圖1為單片機控制功率直流電源結構框圖。
圖1 單片機控制功率電源結構框圖
從圖1中可以看到，50Hz、220V的交流電經(jīng)電網(wǎng)濾波器消除來自電網(wǎng)的干擾，然后進入到輸入整流濾波器進行整流濾波，變換成直流電壓信號。該直流信號通過功率變換電路轉化成高頻交流信號，高頻交流信號再經(jīng)輸出整流濾波電路轉化成直流電壓輸出[1]?？刂齐娐凡捎肞WM脈寬調制方式，由單片機產生的脈寬可調的PWM控制信號經(jīng)驅動電路處理后，驅動功率變換電路工作。利用單片機高速ADC轉換通道定時采集輸出電壓，并與期望值比較，根據(jù)其誤差進行PID調節(jié)。電壓采集電路實現(xiàn)了直流電壓V0的采集，并使其與A／D轉換器的模擬輸入電壓范圍匹配，在開關電源發(fā)生過壓、過流和短路故障時，保護電路對電源和負載起保護作用。輔助電源為控制電路、驅動電路等提供直流電源。
3. 開關電源主電路設計
開關電源主電路是用來完成DC-AC-DC 的轉換，系統(tǒng)主電路采用全橋型DC-DC 變換器，如圖2 所示。本系統(tǒng)采用的功率開關器件是EUPEC 公司的BSM 50GB120DN2 系列的IGBT 模塊，每個模塊是一個半橋結構，故在全橋系統(tǒng)中，需要兩個模塊。每個模塊內嵌入一個快速續(xù)流二極管。
圖2 功率直流電源主電路圖
4. 控制電路硬件設計
4.1 控制電路結構框圖
功率直流電源的控制電路采用ST 公司的μpsd3354 單片機為核心?？刂齐娐分饕瓿扇缦鹿δ埽弘妷翰杉?、A/D 轉換、閉環(huán)調節(jié)、PWM 信號產生，IGBT 驅動與保護、鍵盤輸入和輸出電壓顯示等功能?？刂齐娐分饕ǎ簡纹瑱C系統(tǒng)、電壓采集電路、IGBT驅動電路和鍵盤、顯示電路等。結構框圖如圖3 所示。系統(tǒng)通過PWM 輸出控制功率轉換開關的導通與關斷時間，完成對輸出電壓的穩(wěn)定控制，通過A/ D 轉換完成對開關電源輸出電壓的采樣，同時采用電壓閉環(huán)控制，開關電源工作時，根據(jù)期望值與電壓反饋值的偏差，由單片機實現(xiàn)對PWM 占空比進行PID 調節(jié)。
圖3 控制電路結構圖[!--empirenews.page--]
4.2 IGBT 驅動電路設計
為了精確控制開關電路的電壓輸出，本系統(tǒng)采用脈寬調制方式調節(jié)開關管的工作狀態(tài)。根據(jù)電壓控制算法(可采用改進的PID 控制算法)設置單片機產生不同占空比的方波信號，經(jīng)過光電耦合器控制開關器件，調整電路輸出設定的電壓值。要使IGBT 正常工作，合適的驅動是至關重要的。驅動電路的任務是將控制電路發(fā)出的信號轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間、可以使其開通或關斷的信號。同時驅動電路通常還具有電氣隔離及電力電子器件的保護等功能。本系統(tǒng)采用富士電機公司的EXB系列的EXB841 型集成驅動器對IGBT 進行驅動[4]。
4.3 傳感器輸入通道與A/D 轉換
系統(tǒng)通過電壓傳感器采集電壓信號，經(jīng)過A/D 轉換被單片機接收。本系統(tǒng)采用CHV 系列霍爾電壓傳感器采集電壓，采用μpsd3354 單片機內部的A/D轉換器進行模數(shù)轉換，線路連接簡單，精度最大為5mV。基本能滿足控制要求。
4.4 鍵盤和顯示電路
功率直流電源的鍵盤和顯示電路部分都裝在操作面板上，由單片機控制。本系統(tǒng)采用自制4×4 矩陣鍵盤，以單片機的PB4～PB7 做輸出線，PB0～PB3 做輸入線。顯示部分采用動態(tài)數(shù)碼顯示，以專用的數(shù)碼管顯示驅動芯片MAX7219進行驅動。
4.5 其他輔助電路
為了使功率直流電源能夠可靠、安全的工作。電源系統(tǒng)中還有一些輔助電路，過熱、過流和短路保護等。另外，還設有輔助電源部分，提供系統(tǒng)所需電源。
5. 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件主要由主程序和中斷服務程序組成，主要用來實現(xiàn)以下功能：鍵盤掃描、數(shù)碼顯示、A/D 轉換、數(shù)字PID 調節(jié)和PWM 波形產生等。鍵盤掃描和數(shù)碼顯示這里不作介紹，本設計主要是采用軟件方式來實現(xiàn)功率直流電源的數(shù)字控制。
5.1 主程序設計
本系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。主流程在完成各種變量和I/O初始化后，可以輸入期望電壓值并存入寄存器，當按下啟動按鈕后，啟動電源系統(tǒng)，這里設定啟動時，使PWM輸出占空比為最小值，即0.1％。啟動后，調用A/D轉換子程序并讀入鍵值，將反饋電壓值與給定電壓值相比較后，調用PID調節(jié)運算，更新驅動波形的占空比，然后調用PWM產生子程序輸出PWM信號，并通過顯示子程序顯示輸出電壓。
圖4 主程序流程圖 圖5 PID調節(jié)子程序流程圖
5.2 A/D轉換部分子程序
直接利用單片機10位ADC口，A/D轉換部分程序比較簡單，程序只要完成如下功能：選擇模擬輸入通道，并預制分頻數(shù)；配置控制寄存器ACON；讀取A/D轉換后的數(shù)值，返還ADTA0、ADTA1中的數(shù)據(jù)。
5.3 PID調節(jié)子程序
PID調節(jié)由單片機來實現(xiàn)，單片機對給定信號與反饋信號相減得到的誤差來計算調整量，用以控制開關的占空比。算法中，做了一點修正，當偏差與積分符號相反時，積分清零。因為若符號相反，說明積分項起了反作用，故把積分項清零[5]。PID控制流程圖如圖5所示，參數(shù)KP、KI、KD在調試過程中設定。
6. 結束語
本系統(tǒng)將開關電源與單片機系統(tǒng)結合起來，設計了一種輸出電壓連續(xù)可調的功率開關電源。該電源精度高，電路簡單，操作靈活，具有良好的應用前景。單片機控制直流電源符合電力電子新技術產品向“四化”方向發(fā)展的要求，即應用技術的高頻化、硬件結構的模塊化、軟件控制的數(shù)字化、產品性能的綠色化。
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