中心議題：
- 大功率直流電源控制系統(tǒng)工作原理
- 大功率直流電源控制系統(tǒng)工作原理圖
- 通用觸發(fā)板簡介
摘 要：本文介紹了以8098單片機作主控單元的大功率直流電源，該系統(tǒng)中采用WATCHDOG的抗干擾技術和鎖相環(huán)（PLL）控制原理，文章闡述了電力系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場情況要求下，如以電力系統(tǒng)對電池充電為例的7種工作方式，并詳細討論了利用軟件實現(xiàn)的PI調節(jié)方法。
0 引言
在大功率直流電源中，主電路一般采用晶閘管三相全控橋式整流電路，其關鍵在于如何準確、可靠、穩(wěn)定地控制晶閘管的導通角。
目前，大功率直流電源現(xiàn)場應用中最為普遍的控制方式大都采用KC或KJ系列小規(guī)模集成電路，即采用三相鋸齒波信號和直流控制信號相比較獲得的移相信號。然而，三相鋸齒波信號的斜率、占空比、幅度等與每相的器件參數(shù)密切相關，并且比較信號中小的干擾可能造成較大的相移誤差，因而電路的可靠性和自動平衡能力較差。
利用單片機作為控制電路，根據(jù)三相全控橋觸發(fā)脈沖之間的邏輯關系，直接產(chǎn)生六相高度均衡的觸發(fā)脈沖，可以克服KC、KJ系列電路均衡性差的缺點。但是，由于現(xiàn)場系統(tǒng)工作在強電干擾比較嚴重的場合，為了減小干擾可能引起程序運行紊亂，造成系統(tǒng)失控而引起主電路器件的損壞；另外，為了增強系統(tǒng)的功能，加強人機對話能力，實現(xiàn)顯示、打印、命令輸入、循環(huán)檢測、過壓過流保護以及軟件PI調節(jié)器等功能，必須采用雙CPU并行工作。但雙CPU并行工作既增加了系統(tǒng)的復雜性，又降低了系統(tǒng)的可靠性和實用性。
為了克服上述局限性，利用8098單片機作主控單元， 并充分利用WATCHDOG的抗干擾性能，采用以鎖相環(huán)（PLL）為基本控制原理的通用觸發(fā)板作中間界面，構成一種智能化的電廠大功率直流后備電源。圖1示出控制系統(tǒng)框圖。
圖1 控制系統(tǒng)框圖
1 系統(tǒng)工作原理
現(xiàn)以電力系統(tǒng)對電池進行強充、浮充為例，說明系統(tǒng)的工作原理。根據(jù)現(xiàn)場要求，系統(tǒng)共設有7種工作方式，見圖1。
1）手動方式（M）
系統(tǒng)工作在開環(huán)狀態(tài)，利用8098的PWM口，經(jīng)濾波后輸出一個0~5V的控制電壓信號給觸發(fā)板，使整流橋相應輸出電壓為0~300V.該方式主要用于系統(tǒng)主電路的檢修和維護。
2）穩(wěn)壓方式（V）
穩(wěn)壓方式（V）又稱浮充方式，系統(tǒng)作穩(wěn)壓源閉環(huán)運行。
為增強系統(tǒng)的靈活性和通用性，利用軟件實現(xiàn)PI調節(jié)。
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（1）標準數(shù)字PI算法
圖2示出帶數(shù)字PI調節(jié)器的計算機控制系統(tǒng)方框圖。
圖2 典型計算機控制系統(tǒng)方框圖
該數(shù)字PI調節(jié)器的Z傳遞函數(shù)為：
式中：Ki -- 積分系數(shù)，Ki= KoT/Ti;T--采樣周期； Ti-- 積分時間常數(shù)；Kp-- 比例因子；U（Z）--控制量輸出的z傳遞函數(shù)；E（z）- -偏差量的z傳遞函數(shù)。
將式（1）展開，可得以下位置式算法：
式中Uo-- 初始值；Uk - - 第k次采樣點獲得的控制量；Ek--第k次采樣點獲得的偏差量；Ej--第j次采樣點的偏差值；k一第k次采樣點。
整理成遞推公式形式：
根據(jù)上述遞推公式，可以非常方便地用軟件實現(xiàn)PI調節(jié)器。
（2）改進的數(shù)字PI算法
標準PI算法一般不能滿足現(xiàn)場要求，比如在開機、停機或大幅度改變設定值時，短時間內(nèi)系統(tǒng)偏差變化劇烈，容易造成較大的積分積累∑（Ek），使得控制輸出急劇變化，系統(tǒng)超調嚴重，動態(tài)性能惡化。
為防止這一現(xiàn)象發(fā)生，常用積分分離法、超限削弱積分法和有效偏差法對標準PI算法進行改進，這在隨動系統(tǒng)設計中較為常見。
由于本系統(tǒng)屬于恒值控制系統(tǒng)，要求有軟起和軟停功能，利用上述改進算法已不能滿足要求。為此，采用一種新的恒偏差算法。
恒偏差法和有效偏差法相類似。有效偏差法又叫逆算法。即當控制量Uk越限時，Uk取邊界值Umax或Umin.由該邊界值逆算出偏差值Ek''代替原來的偏差值Ek.然而，在恒偏差法中，是用經(jīng)過衰減后的Ek''去代替Ek.系統(tǒng)在階躍響應時，實際工作在過阻尼狀態(tài)，從而減緩了在起、停時對主電路器件的沖擊。圖3示出兩種算法的階躍輸入響應曲線。其中曲線（a）標準PI算法響應曲線、曲線（b）恒偏差法響應曲線。
圖3 系統(tǒng)階躍響應曲線[page]
（3）PI參數(shù)的整定
①采樣周期T
由于主電路輸出濾波網(wǎng)絡決定了系統(tǒng)輸出紋波的最大截止頻率f,所以根據(jù)香農(nóng)（Snon）定理可以決定采樣頻率的上限f1 =2f 工程上一般取f1=10f.
由于主電路參數(shù)已知，可求得：
其下限T2由8098軟件執(zhí)行時間決定。若采用12M晶振，平均每條語句執(zhí)行時間為2us,程序運行大概需要500條語句，那么T2=1ms.所以：
1ms≤ T≤6ms
最終可通過現(xiàn)場調試來選擇了1的大小。
② 比例因子Kp及積分時間常數(shù)Ti工程上常用臨界比例度法，對常數(shù)Kp和Ti進行整定。即在閉環(huán)條件下，先暫時去掉積分作用，逐漸增大比例增益，直到閉環(huán)系統(tǒng)達到臨界穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生持續(xù)振蕩為止。記下此時的臨界增益Ku和振蕩周期Tu ,通過查表得到Kp=和Ti的近似值，然后由整機調試進行修正。
本系統(tǒng)穩(wěn)壓閉環(huán)實驗測定結果為：Ku =6,Tu=12.0ms.
查表可得：Kp=0.45 x Ku=2.7、Ti=Tu÷1.2=10ms.
通過整機調試，可得出遞推公式中參數(shù)A 、B的值為：A=3、B=2.
（4）算法
為簡化程序設計，在進行8098軟件編程時，采用無符號數(shù)算法。
3）穩(wěn)流方式（I）
穩(wěn)流方式又稱強充方式，系統(tǒng)作電流源閉環(huán)運行，原理同上，不同的是積分時間常數(shù)要小一些，調節(jié)速度較快。
實驗數(shù)據(jù)如下：Tu=6.0ms,Ti=5ms、A=4,B=2.
4）穩(wěn)壓穩(wěn)流自動轉換（V/I）
當電池虧電時，系統(tǒng)以強充方式工作，電池電壓逐漸升高。當超過設定值時，改為浮充方式。
即系統(tǒng)能根據(jù)負載情況自動選擇充電模式。圖4示出典型的二階段充電曲線。
圖4 蓄電池二階段充電曲線[page]
5）工作方式記憶（M1.M2）
系統(tǒng)可存儲兩組常用數(shù)據(jù)，即工作方式、電壓電流給定值、穩(wěn)壓穩(wěn)流轉換值、過壓過流值。
掉電時還能保護當前的工作記錄。
6）軟起、軟停方式（SS）
按下該鍵，系統(tǒng)工作在軟停方式。觸發(fā)板將控制脈沖相位拉至最大，然后封鎖脈沖輸出。該鍵彈起，為軟起方式。控制輸出由最小慢慢升至給定值。
7）電池檢測方式（TEST）
系統(tǒng)能循環(huán)檢測電池電壓，由數(shù)碼管進行顯示，也可通過串行口打印輸出，并有報警提示。
2 系統(tǒng)工作流程圖
系統(tǒng)上電后，首先對單片機的外圍接口進行檢查，以確保人機對話通道暢通。然后發(fā)出開機信號，對LED、給定寄存器等進行復位，隨后產(chǎn)生頻率為2Hz的方波信號，作為系統(tǒng)的給定輸入。
為進入上述7種工作方式，系統(tǒng)共設有三種途徑。
途徑I為掉電重起方式。即系統(tǒng)在掉電后，能記錄當前工作方式，來電后直接返回到原狀態(tài)。
該途徑為系統(tǒng)正常工作時的進入通道。
途徑II、III一般作調試用。途徑II是通過M 、M,進入相應的工作方式，而用戶在設置給定值、轉換值和保護值時要用到途徑III.
系統(tǒng)進入相應工作方式后，可通過中斷方式接受用戶命令，更換當前工作狀態(tài)（中斷程序框圖省略）。圖5示出系統(tǒng)工作流程圖。
圖5 系統(tǒng)工作流程圖[page]
3 通用觸發(fā)板簡介
晶閘管通用觸發(fā)板是以40芯CMOS大規(guī)模集成電路為核心，利用鎖相環(huán)控制技術（PLL），根據(jù)壓控振蕩器（VCO）鎖定的三相同步信號間的邏輯關系設計出的一種晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)。給定0~5V的直流控制信號，便能產(chǎn)生0°~180°移相范圍的三相、六相或十二相強觸發(fā)脈沖。由于采用上述新技術，克服了KC、KJ系列同類產(chǎn)品的諸多缺點，使該觸發(fā)板輸出的控制脈沖具有高對稱性、高均衡性。另外，該板的抗干擾能力和多種附加功能也大大強化了該板的實用性， 因而具有極高的性能價格比，適用于各種整流、逆變、交流側原邊控制等大功率晶閘管控制電路。
該觸發(fā)板無需同步變壓器，具有相序自動測控核對能力，并具備缺相保護功能和脈沖禁止接口；通過撥碼開關可提供雙30°、120°寬的高頻調制觸發(fā)脈沖。實驗證明，該脈沖可直接驅動1000A以上的晶閘管，是現(xiàn)場應用中晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)的理想產(chǎn)品。
4 結束語
該系統(tǒng)的特點在于軟件PI調節(jié)器的靈活應用。一方面，可就多種PI算法進行綜合比較，并驗證一些新的算法。另一方面，基于系統(tǒng)的通用性，可就不同的被控對象給出不同的控制模式和參數(shù)。例如100A和500A時的蓄電池，就要有不同的PI調節(jié)參數(shù)；既使容量相同而生產(chǎn)廠家不同，所要求的參數(shù)也不一致，這是由電池內(nèi)部化學反應速度決定的。
系統(tǒng)的另一個特點是通用觸發(fā)板的使用。它介于計算機PI調節(jié)器與晶閘管主電路之間，作為一個很好的緩沖界面，能保證調節(jié)失控時系統(tǒng)的安全可靠。另一方面，8098單片機的WATCHDOG也強化了系統(tǒng)的抗干擾能力，使得該系統(tǒng)非常適用于現(xiàn)場控制。
