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基于单片机的智能防腐电源的设计和实现

The Design and Realization of Intelligent Anticorrosive Power Based on MCU

武汉理工大学自动化学院 袁佑新 刘 洋 秦岭


摘 要:本文介绍了一种运用电力开关变换技术和高频开关技术并以单片机系统为控制核心的智能防腐电源。该设计以VMOSFET作为功率开关器件,采用脉宽调制(PWM)技术。通过使用先进的传感器采样输出电压和输出电流,然后和给定的信号进行比较,经过A/D转换,由单片机结合改进的PID控制算法,产生连续的脉冲控制信号,调节输出电压的变化。

关键词:防腐电源; 单片机; PID;A/D

目前国内使用的防腐电源主要是磁放大式和晶闸管式的防腐电源,其缺点是空载电流大,功率因数低,能耗高,可靠性差,而且工作电流过大时,主变压器便会出现较大的震动噪音,这些缺点是普通防腐电源所共有的。以单片机控制系统为基础而设计的新一代智能防腐电源不但电路简单、结构紧凑、价格低廉、性能卓越,而且由于单片机具有计算和控制能力,利用它对采样数据进行各种计算,从而可排除和减少干扰信号和模块电路引起的误差,大大提高电源系统输出电压和输出电流的精度,降低了对模拟电路的要求,克服了传统防腐电源的缺点。


设计原理

防腐电源现有的设计方法大多数是采用TL 494或SG3525A等专用PWM控制芯片,该设计方法不易调整,随着负载的变化,输出直流电压变化范围大,当过负载时,切断输出、短路保护和过热保护的时间不易控制,当短时间出现过载时,即使系统恢复正常,也不能重新启动,而且电路比较复杂。将单片机技术、自动控制中的反馈技术及电力电子技术应用于开关电源的设计中,用软件控制产生高频的PWM信号,实现了电源的智能化,取代了TL 494或SG 3525A等专用PWM控制芯片,很好地解决了上述问题,同时大大提高了电源的可靠性和控制精度。

本智能防腐电源系统以传统的防腐电源为基础,以高性能单片机系统为控制核心,组成数据处理电路;通过对开关电源的输出电压和输出电流进行数据采样,再与给定的电压、电流数据比较,结合检测和控制软件,不断的更新控制脉冲,从而调整防腐电源的工作状态,其工作原理框图如图1所示。

图1 电源工作原理框图(略)

市电经整流、滤波变成直流电送入开关调整电路,开关调整电路在单片机输出的脉冲信号的控制下输出稳定的直流电。用户可根据需要通过键盘给定稳压电源输出的电压值及最大输出电流值,单片机系统自动对电源输出电压和电流进行数据采样,并与用户给定数据进行比较,根据设置的调整算法控制开关调整电路,使电源输出电压符合给定值,单片机在调整电源输出电压的同时还要检测电路的输出电流,若超过给定值,就启动保护电路。


硬件设计

功率单元的设计

智能防腐电源系统主要包括功率单元和控制单元两部分,功率单元由输入回路、功率转换电路和输出回路三部分构成,设计中采用开关器件较少的半桥结构,功率单元电路结构简图如图2所示。

图2 功率单元电路简图(略)


控制单元的设计

单片机系统的组成和工作原理

智能防腐电源的单片机系统是以80C51为CPU,包括6K ROM(27128程序存储器) 以及1K EEPROM。EEPROM是用来保存最后一次从键盘输入的电压、电流数据以及脉宽调整数据等,每次开机时单片机从EEROM中读出数据控制电源输出。另外还采用一片8155来扩展8051的I/O口,其中8155的A口作输出,提供开关调整电路激励脉冲信号;B口作键盘输入口。此外还可以通过RS-485与电源的监控系统进行通讯,具体系统框图如图3所示。

图3 单片机控制系统的框图(略)

单片机系统通过电流、电压传感器检测电流和电压,获得两路模拟信号,先通过各自放大器放大成与A/D转换器相匹配的信号,经多路模拟开关CD4052送给A/D转换器。A/D转换器在进行A/D转换期间,通常要求输入的模拟量应保持不变,以保证A/D转换器准确工作,因此采样信号应送至采样保持电路(亦称采样保持器)进行保持。由单片机CPU控制选择有关通道进行分时切换,实现二选一,依次将两路模拟信号送至AD 574转换器,进行A/D转换后变成数字信号,送入8031单片机。在智能型防腐电源的设计中,A/D转换电路和脉宽调制信号输出电路是保证电源良好性能的最关键部件。

PWM控制信号发生原理

为了精确控制开关电路的电压输出,本系统采用脉宽调制的控制方式调节开关管的工作状态。单片机把给定值与传感器采集的信号进行比较产生误差信号,结合改进的PID控制算法,设置8155,从而产生不同占空比(0~99%)的方波信号,通过光电耦合器控制开关调整电路输出设定的电压。采用改进的PID控制算法,它使得输出电压调整快、超调量小、性能稳定。


软件设计

系统软件主要用来实现以下功能:主要完成对信号的采集,对各种数据的处理,以及对功率转换部分的相应控制,本系统软件控制着智能防腐电源有条不紊的工作。主程序流程图如图4所示。

在系统软件中,首先将80C51各个口复位,然后从EEPROM中读出上次关机前存入的数据,控制开关电路。初始化完成后,开中断。若有中断请求则响应,否则进行数据采样并读给定值,将反馈电压值与给定电压值相比较后,进行数据处理,按照电压控制算法(PID算法)重新设置脉宽,得出驱动波形所应有的占空比,然后输出合适的波形,以此来控制输出电压,使电源输出稳定在所要求的电压,从而激励开关电路。

图4 主程序流程图(略)


调试结果

根据以上设计已经研制出样机,经过实际调试:当输入220V、50Hz的交流电源电压时,可以输出0-24V的连续可调的直流电压,完全达到技术要求,并且运行稳定,安全可靠,噪音低,维护方便。当电源系统输出为12V的电压时,脉宽调制信号波形如图5(a)所示,经过整流、滤波,最后输出的直流波形如图5(b)所示。由输出电压波形可以看到,输出电压稳定可靠,而且波形比较平滑,纹波较小。在防腐电源外加电流阴极保护系统中,该防腐电源能提供一个稳定可靠的直流电流以供给阴极保护用,具有实际应用价值,效果良好。

图5(a)系统的脉宽调制信号波形50us/DIV,0.5V/DIV(略)

图6(b)电源系统的直流输出50us/DIV,0.5V/DIV(略)


结论

利用软件的方法实现对电源主电路的控制,切实可行,而且简化了硬件电路,同时便于参数调整,提高了开关电源使用的灵活性。目前我国防腐电源的设计、研制和应用仍处于初期阶段,但是应用前景广阔,有待进一步深入的研究,从而更好地为防腐电源的设计与应用提供理论指导和研究参考。文中所设计的智能防腐电源不仅能作为常规的防腐电源使用,而且可以通过软件编程控制的方法,使稳压电源产生连续变化的输出电压。

         
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