基于高性能單片機(jī)的功率直流開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

摘 要：本文基于高性能單片機(jī)設(shè)計(jì)了數(shù)字控制的功率直流開(kāi)關(guān)電源。首先介紹了該電源的原理及整體設(shè)計(jì)方案，其次介紹了部分關(guān)鍵電路的硬件設(shè)計(jì)，采用軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)功率直流電源的數(shù)字控制，給出了主程序及部分關(guān)鍵部分的程序流程圖。該電源具有輸出電壓連續(xù)可調(diào)、精度高、電路簡(jiǎn)單、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源;數(shù)字控制

Abstract：Based on the design of a number of high-performance MCU control of the power of DC switching power supply. First introduced the power of principle and the overall design scheme, introduced the Second Circuit key part of the hardware design, software methods used to achieve power direct current power of digital control, given the main program and some key part of the process flow chartThe continuous power supply with adjustable output voltage, high precision, simple circuit, the advantages of flexible operation.

Keyword：Switching Power SupplyDigital Control

1 引言

　　直流穩(wěn)壓電源已廣泛地應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中（如電焊、電鍍或直流電機(jī)的調(diào)速等），需要用到大量的電壓可調(diào)的直流電源，他們一般都要求有可以方便的調(diào)節(jié)電壓輸出的直流供電電源。目前，由于開(kāi)關(guān)電源[1]效率高，小型化等優(yōu)點(diǎn)，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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源所取代。開(kāi)關(guān)電源主要的控制方式是采用脈寬調(diào)制集成電路輸出PWM 脈沖，采用模擬PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行脈寬調(diào)制，這種控制方式，存在一定的誤差，而且電路比較復(fù)雜[2]。本文設(shè)計(jì)了一種以ST 公司的高性能單片機(jī)μpsd3354 為控制核心的輸出電壓大范圍連續(xù)可調(diào)的功率開(kāi)關(guān)電源，由單片機(jī)直接產(chǎn)生 PWM 波，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的主電路執(zhí)行數(shù)字控制，電路簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大[3]。

2 功率直流電源系統(tǒng)原理與整體設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)原理

　　本功率直流電源系統(tǒng)由開(kāi)關(guān)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(hào)，采用負(fù)反饋構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)電源采用PWM 控制方式，通過(guò)給定量和反饋量的比較得到偏差，并通過(guò)數(shù)字PID 調(diào)節(jié)器控制PWM 輸出，從而控制開(kāi)關(guān)電源的輸出。其中，PID調(diào)節(jié)和 PWM 輸出都由單片機(jī)系統(tǒng)采用軟件控制。

　　2.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　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(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)系統(tǒng)和輔助電路等幾部分組成。圖1為單片機(jī)控制功率直流電源結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 單片機(jī)控制功率電源結(jié)構(gòu)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(lái)自電網(wǎng)的干擾，然后進(jìn)入到輸入整流濾波器進(jìn)行整流濾波，變換成直流電壓信號(hào)。該直流信號(hào)通過(guò)功率變換電路轉(zhuǎn)化成高頻交流信號(hào)，高頻交流信號(hào)再經(jīng)輸出整流濾波電路轉(zhuǎn)化成直流電壓輸出[1]。控制電路采用PWM脈寬調(diào)制方式，由單片機(jī)產(chǎn)生的脈寬可調(diào)的PWM控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路處理后，驅(qū)動(dòng)功率變換電路工作。利用單片機(jī)高速ADC轉(zhuǎn)換通道定時(shí)采集輸出電壓，并與期望值比較，根據(jù)其誤差進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)。電壓采集電路實(shí)現(xiàn)了直流電壓V0的采集，并使其與A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入電壓范圍匹配，在開(kāi)關(guān)電源發(fā)生過(guò)壓、過(guò)流和短路故障時(shí)，保護(hù)電路對(duì)電源和負(fù)載起保護(hù)作用。輔助電源為控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等提供直流電源。

3. 開(kāi)關(guān)電源主電路設(shè)計(jì)

　　開(kāi)關(guān)電源主電路是用來(lái)完成DC-AC-DC 的轉(zhuǎn)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(kāi)關(guān)器件是 EUPEC 公司的BSM 50GB120DN2 系列的IGBT 模塊，每個(gè)模塊是一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，故在全橋系統(tǒng)中，需要兩個(gè)模塊。每個(gè)模塊內(nèi)嵌入一個(gè)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(shè)計(jì)

　　4.1 控制電路結(jié)構(gòu)框圖

　　功率直流電源的控制電路采用ST 公司的μpsd3354 單片機(jī)為核心?？刂齐娐分饕瓿扇缦鹿δ埽弘妷翰杉/D 轉(zhuǎn)換、閉環(huán)調(diào)節(jié)、PWM 信號(hào)產(chǎn)生，IGBT 驅(qū)動(dòng)與保護(hù)、鍵盤(pán)輸入和輸出電壓顯示等功能?？刂齐娐分饕ǎ?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)、電壓采集電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路和鍵盤(pán)、顯示電路等。結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。系統(tǒng)通過(guò)PWM 輸出控制功率轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，完成對(duì)輸出電壓的穩(wěn)定控制，通過(guò)A/ D 轉(zhuǎn)換完成對(duì)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的采樣，同時(shí)采用電壓閉環(huán)控制，開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，根據(jù)期望值與電壓反饋值的偏差，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM 占空比進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)。

圖3 控制電路結(jié)構(gòu)圖

　　4.2 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　為了精確控制開(kāi)關(guān)電路的電壓輸出，本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)。根據(jù)電壓控制算法（可采用改進(jìn)的PID 控制算法）設(shè)置單片機(jī)產(chǎn)生不同占空比的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電耦合器控制開(kāi)關(guān)器件，調(diào)整電路輸出設(shè)定的電壓值。要使IGBT 正常工作，合適的驅(qū)動(dòng)是至關(guān)重要的。驅(qū)動(dòng)電路的任務(wù)是將控制電路發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間、可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路通常還具有電氣隔離及電力電子器件的保護(hù)等功能。本系統(tǒng)采用富士電機(jī)公司的EXB系列的EXB841 型集成驅(qū)動(dòng)器對(duì)IGBT 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[4]。

　　4.3 傳感器輸入通道與A/D 轉(zhuǎn)換

　　系統(tǒng)通過(guò)電壓傳感器采集電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換被單片機(jī)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(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，線路連接簡(jiǎn)單，精度最大為5mV。基本能滿(mǎn)足控制要求。

　　4.4 鍵盤(pán)和顯示電路

　　功率直流電源的鍵盤(pán)和顯示電路部分都裝在操作面板上，由單片機(jī)控制。本系統(tǒng)采用自制4?4 矩陣鍵盤(pán)，以單片機(jī)的PB4～PB7 做輸出線，PB0～PB3 做輸入線。顯示部分采用動(dòng)態(tài)數(shù)碼顯示，以專(zhuān)用的數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

　　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(guò)熱、過(guò)流和短路保護(hù)等。另外，還設(shè)有輔助電源部分，提供系統(tǒng)所需電源。

5. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件主要由主程序和中斷服務(wù)程序組成，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)以下功能：鍵盤(pán)掃描、數(shù)碼顯示、A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字PID 調(diào)節(jié)和PWM 波形產(chǎn)生等。鍵盤(pán)掃描和數(shù)碼顯示這里不作介紹，本設(shè)計(jì)主要是采用軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)功率直流電源的數(shù)字控制。

　　5.1 主程序設(shè)計(jì)

　　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(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，啟動(dòng)電源系統(tǒng)，這里設(shè)定啟動(dòng)時(shí)，使PWM輸出占空比為最小值，即0.1%。啟動(dòng)后，調(diào)用A/D轉(zhuǎn)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(diào)用PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，更新驅(qū)動(dòng)波形的占空比，然后調(diào)用PWM產(chǎn)生子程序輸出PWM信號(hào)，并通過(guò)顯示子程序顯示輸出電壓。

圖4 主程序流程圖 圖5 PID調(diào)節(jié)子程序流程圖

　　5.2 A/D轉(zhuǎn)換部分子程序

　　直接利用單片機(jī)10位ADC口，A/D轉(zhuǎn)換部分程序比較簡(jiǎn)單，程序只要完成如下功能：選擇模擬輸入通道，并預(yù)制分頻數(shù);配置控制寄存器ACON;讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，返還ADTA0、ADTA1中的數(shù)據(jù)。

　　5.3 PID調(diào)節(jié)子程序

　　PID調(diào)節(jié)由單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)對(duì)給定信號(hào)與反饋信號(hào)相減得到的誤差來(lái)計(jì)算調(diào)整量，用以控制開(kāi)關(guān)的占空比。算法中，做了一點(diǎn)修正，當(dāng)偏差與積分符號(hào)相反時(shí)，積分清零。因?yàn)槿舴?hào)相反，說(shuō)明積分項(xiàng)起了反作用，故把積分項(xiàng)清零[5]。PID控制流程圖如圖5所示，參數(shù)KP、KI、KD在調(diào)試過(guò)程中設(shè)定。

6. 結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)將開(kāi)關(guān)電源與單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一種輸出電壓連續(xù)可調(diào)的功率開(kāi)關(guān)電源。該電源精度高，電路簡(jiǎn)單，操作靈活，具有良好的應(yīng)用前景。單片機(jī)控制直流電源符合電力電子新技術(shù)產(chǎn)品向“四化”方向發(fā)展的要求，即應(yīng)用技術(shù)的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、軟件控制的數(shù)字化、產(chǎn)品性能的綠色化。

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