基于PIC單片機的交流凈化穩(wěn)壓電源設計

任 賢

（山西電力職業(yè)技術學院，太原 030021）

目前，現(xiàn)有的各類民用穩(wěn)壓電源均普遍針對一般民用電網的特點而設計，不適合航天發(fā)射計量測試的需求。一般說來，民用電網由于負荷大，電源電壓通常偏低，而航天計量測試設備所用的電網由于采用了逆變不間斷供電技術，供電容量相對較小，易受負荷變動的影響，為適應多種負荷的工作需要，電源電壓通常偏高。普通的交流穩(wěn)壓電源，由于供電波形失真大，過零檢測不準確，易造成輸出電壓不穩(wěn)，另外，由于某些交流穩(wěn)壓電源的一些固有的特點，當驅動非線性負載時易產生振蕩。這樣就造成的問題主要是現(xiàn)有穩(wěn)壓電源不適用于航天計量測試的條件，故障率高，使用壽命短，一般不超過兩年，給計量測試工作帶來很大的麻煩。

1 交流凈化穩(wěn)壓電源設計方案

通過對國內外交流穩(wěn)壓電源技術現(xiàn)狀了解和發(fā)展動態(tài)的分析，以及對發(fā)射基地供用電特點的調查，計量測試用精密交流凈化穩(wěn)壓電源的設計方案主要考慮2個方面的內容，一是主調整回路采用正弦能量分配器，在設計上主要考慮輸入電壓普遍偏高，且變動幅度大，諧波含量豐富的基地供電特點，需要對正弦能量分配器各元件進行參數(shù)的設計；二是由于計量測試用電對穩(wěn)壓精度的要求較高，控制電路的設計成為研制的關鍵。

交流凈化穩(wěn)壓電源的基本設計思路是，在設計正弦能量分配器、采用數(shù)字控制技術的基礎上，充分借鑒目前交流穩(wěn)壓電源設計技術，根據對交流凈化穩(wěn)壓電源自身特性的理解，著重克服基地實際使用中面臨的問題，以達到預先的設計目標。根據上述思路，設計如圖1所示的交流凈化穩(wěn)壓電源原理框圖。該方案設計以含有功率濾波功能的正弦能量分配器為主回路，控制電路以PIC微處理器為核心，由過零檢測電路、電壓采樣電路、波形采樣電路、電平變化電路組成。當市電電壓或負載波動引起輸出電壓變化時，通過采樣電路和數(shù)字化處理之后，通過控制電路控制雙向可控硅SCR的導通角，從而改變流過電感的電流的大小，進而改變補償電壓的大小及其相位，最后達到穩(wěn)壓的目的。

圖1 計量測試用精密交流凈化穩(wěn)壓電源原理框圖

電源控制電路要解決的主要問題：精密過零檢測技術，誤差放大技術，振蕩抑制技術，可控硅導通角精密控制技術，極速穩(wěn)壓技術，以克服正弦能量分配器主調整回路易產生低頻振蕩的缺陷，使長期穩(wěn)壓精度優(yōu)于±1%，穩(wěn)定時間減小到10ms。

2 控制電路硬件設計與仿真

傳統(tǒng)精密交流凈化穩(wěn)壓電源的改進，即數(shù)字監(jiān)控精密交流凈化穩(wěn)壓電源的開發(fā)方案根據當前技術發(fā)展、數(shù)字化趨勢，通過對數(shù)字信號處理器DSP和可編程邏輯控制器 PLD、單片機 MPU三者組成數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)缺點的比較，綜合經濟和功能實現(xiàn)的要求，精密交流凈化穩(wěn)壓電源監(jiān)控系統(tǒng)的改進任務由單片機實現(xiàn)。

2.1 控制電路中各功能電路設計

控制電路設計應遵循下列設計原則∶

（1）選擇典型電路和微處理器的常規(guī)用法，便于實現(xiàn)硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化。

（2）系統(tǒng)中模塊設計盡可能做到性能匹配，例如選用晶振頻率較高時，存儲器存取時間有限，應該選擇允許存取速度較高的芯片。

（3）微處理器外接電路較多時，必須考慮其驅動能力和電平配合。

（4）系統(tǒng)硬件配置與應用軟件方案統(tǒng)籌考慮，軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件來實現(xiàn)，以簡化硬件結構。

（5）可靠性和抗干擾設計是硬件系統(tǒng)設計不可缺少的一部分，它包括芯片、器件選擇、電氣隔離等。

1）市電同步正弦波電路

該部分電路的作用是獲得與市電同步的正弦波。因為與市電同步的正弦波是以后產生與市電同步脈沖波的基礎，而整個數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的工作都是按照與市電同步的脈沖波的時序來進行的，系統(tǒng)監(jiān)控核心PIC單片機處于中斷工作方式，與市電同步的脈沖波是它的中斷觸發(fā)信號，可見這部分電路的作用十分重要。

2）同步脈沖波電路

交流凈化穩(wěn)壓電源是根據輸出電壓的大小改變晶閘管導通的相位角來穩(wěn)定電壓的，這個相位角由眾多因素來決定,同時晶閘管觸發(fā)脈沖必須與交流信號同步,而交流過零點脈沖的提取是確定相位角的基礎，只有準確無誤的捕獲它,才能準確確定相位角。 當為整流濾波型負載時,使其交流輸入電流為嚴重的非正弦波,使輸出電壓波形平頂化,并最終影響到過零采樣點處的電壓幅值和波形，這是造成普通控制電路控制的凈化型交流穩(wěn)壓電源振蕩的主要原因，波形示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 市電同步正弦波電路波形示意圖

圖3 市電同步脈沖示意圖

這里選取的方案是與市電同步的正弦波先通過一片 LM339組成的比較器得到方波，然后通過一片LM339組成的電平轉換電路進行電平轉換，最后通過一片線性光耦TIL117進行光電隔離，得到與市電同步的脈沖波。脈沖波的上升沿十分陡峭，而且使用了線性光耦TIL117進行光電隔離，保證數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)免受其他外來噪聲的干擾，實現(xiàn)強弱電的隔離。光電隔離器傳輸信號采用光電轉換原理，使信號輸入端與信號接受并輸出端實現(xiàn)電絕緣。因此，可以消除輸入回路中噪聲信號、共地雜波等對輸出回路的信號干擾，實現(xiàn)直流信號到交流或脈沖信號間的傳送，如圖4所示。

圖4 市電同步脈沖電路原理圖

3）電壓采樣電路

任何一個含有智能處理單元的電路系統(tǒng)中，采樣信號處理的好壞，對整個電路系統(tǒng)的性能都起著至關重要的作用。這是因為，一方面采樣電路的好壞，關系到能否為智能處理單元提供正確、穩(wěn)定的采樣信號，如實地反應電路系統(tǒng)的狀態(tài)；另一方面，質量優(yōu)異的采樣信號為相應的電路提高轉換質量和穩(wěn)定性提供了保障。電源實際控制電路的設計中，為提高整個交流穩(wěn)壓系統(tǒng)的穩(wěn)壓精度和系統(tǒng)故障檢測功能，在穩(wěn)壓電源的輸入電壓和輸出電壓都設置了采樣電路。

輸出電壓采樣值的精確與否對本數(shù)字監(jiān)控式精密凈化穩(wěn)壓電源技術指標的提高的影響是十分關鍵的，因為根據輸出電壓采樣值來計算可控硅觸發(fā)脈沖的起始時間，以達到監(jiān)控的目的。輸出電壓進行采樣的同時，加上了電壓限幅電路和高頻濾波電路。先把輸出電壓通過全波整流，轉換為紋波較小的脈動直流，然后通過兩個二極管組成的限幅電路，最后通過RC電路進行高頻濾波，送入PIC單片機A/D轉換口，如圖5所示。

圖5 電壓采樣電路原理圖

另外，為了實時的相對準確的顯示輸入電壓和輸出電壓的波形，還設計了波形采樣電路及信號處理電路,晶閘管觸發(fā)電路,報警電路,控制電路供電電源等等這里不一一敘述。

2.2 電源主回路仿真

在確定電路主回路參數(shù)的基礎上，利用PSPICE的電路仿真能力，對于主回路中各參數(shù)的作用做了較為詳細的研究，仿真圖如圖6所示。

圖6 凈化穩(wěn)壓電源主回路仿真示意圖

在電源主回路的仿真研究中，為了清晰的、直觀的顯示主回路參數(shù)對輸出電壓的影響，假設電源主回路其他元件參數(shù)固定不變。單獨分析可變電感L在（38.7～200mH）變化時，輸出電壓呈現(xiàn)了逐漸下降的趨勢。這種主回路元件參數(shù)的組合，在沒有控制電路穩(wěn)壓控制的時候，最大電壓輸出值達到280V，最小電壓輸出值可以達到160V，如圖7所示，如顯然難以滿足穩(wěn)定輸出電壓的要求，但只要通過控制電路實現(xiàn)晶閘管控制角的相應改變，可變電感值必然發(fā)生相應變化，輸出電壓的變化趨勢一定會發(fā)生相應的變化，可以達到電源穩(wěn)壓的目的。

圖7 輸出電壓與可變電感曲線關系圖

在交流穩(wěn)壓電源的實際使用中，影響電源穩(wěn)壓特性的因素很多，而電源負載阻抗的復雜特性和大小變化也是其中的重要影響元素。那么電源負載阻抗的變化，對于穩(wěn)壓電源輸出電壓的影響到底怎么樣呢？假設電源負載阻抗從空載阻抗一直變化到滿載阻抗，穩(wěn)壓電源的輸出電壓變化規(guī)律怎么樣呢？這里，設交流穩(wěn)壓電源空載時，負載阻抗值為1k?；滿載時，設定其負載值為50?。如圖8 所示，在主回路其他元件參數(shù)固定的情況下，負載阻抗的變化，確實可以引起輸出電壓的相應變化。當負載阻抗從滿載阻抗增大時，輸出電壓相應的呈增大趨勢。

圖8 輸出電壓與負載阻抗曲線關系圖

交流穩(wěn)壓電源的實際應用中，負載阻抗的表現(xiàn)為感性的情況較多。當負載阻抗存在感性阻抗時，交流輸出電壓值相應的產生變化。在交流穩(wěn)壓電源主回路其他元件參數(shù)不發(fā)生變化時，輸出電壓隨感性負載的增大，呈現(xiàn)減小的趨勢，如圖9所示。圖10中所示的這種變化關系，是一種理想的變化狀況，在實際的電源使用中負載的變化規(guī)律復雜，但是這樣的關系直觀的表達了感性負載變化時輸出電壓的變化規(guī)律。

交流穩(wěn)壓電源的實際應用中，電源負載的特性復雜，容性阻抗作為阻抗類型的一種，到底對于交流穩(wěn)壓電源的輸出電壓影響作用如何，本文在規(guī)定其他主回路元件參數(shù)不變的基礎上做了仿真分析。圖10中顯示，容性阻抗在一定的范圍內，當容性阻抗逐漸增大時，輸出電壓呈上升趨勢。但是當容性阻抗超出這個范圍后，輸出電壓隨著容性阻抗逐漸增大而逐漸減小。這種固定其他因素不變，單獨反映容性阻抗的影響作用的曲線圖，從一個側面直觀的反映了電源負載阻抗對于輸出電壓影響的復雜性。

圖9 輸出電壓與感性阻抗曲線關系圖

圖10 輸出電壓與容性阻抗曲線關系圖

交流凈化穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓原理是通過改變晶閘管導通角的大小，來改變可變電感的大小，進而改變可變電感與并聯(lián)電容組成的電抗屬性和大小，通過控制電路從而實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出。所以，并聯(lián)電容的選取很關鍵。圖11中顯示，一定范圍內增大并聯(lián)電容，減小可變電感與并聯(lián)電容組成的電抗值，輸出電壓呈下降趨勢。但是，當并聯(lián)電容增大超過一定范圍后，對輸出電壓的影響作用變化不定，這樣會影響電源工作的穩(wěn)定性，這也為主回路并聯(lián)電容大小的選取提供了必要的指導。

圖11 輸出電壓與可變電感并聯(lián)電容曲線關系圖

在交流凈化穩(wěn)壓電源主回路的設計中，有專門諧振于市電3倍頻和5倍頻的濾波電容和電感的設計，除此之外，在交流凈化穩(wěn)壓電源的設計中，與電源負載并聯(lián)的濾波的電感的設計也很重要，它在一定意義上將極大的影響交流凈化穩(wěn)壓電源的低通濾波特性。從圖12中可以清晰看出，濾波電容的選取不宜太大，太大會對電源的工作穩(wěn)定性產生不良影響。

圖12 輸出電壓與濾波電容曲線關系圖

3 樣機穩(wěn)壓性能測試

交流穩(wěn)壓電源中，負載變化、主回路參數(shù)、輸入電壓等因素會引起輸出電壓的變化。在實際交流穩(wěn)壓電源的應用中，各種相關因素是不斷變化的，而輸出電壓最大限度保持恒定的能力是用戶最關心的事情。樣機經性能測試，其指標完全符合設計要求，后在計量站進行了實際試用，效果良好。圖 13是實驗樣機的實物圖片，為說明其主要性能表現(xiàn)，給出了穩(wěn)壓電源在 5kW 輸出負載時，通過調壓器對輸入電壓進行突變調節(jié)時，圖14所示實測的輸入輸出比對波形, 圖15所示外場實測的輸入輸出比對波形。

圖13 高穩(wěn)定度精密供電電源樣機實物圖

圖14 實測輸入輸出比對波形（上波形為輸入，下波形為輸出）

圖15 外場實測輸入輸出比對波形（上波形為輸出，下波形為輸入）

從圖14中明顯看出，穩(wěn)壓精度優(yōu)于±1%，穩(wěn)壓輸出的調整速度不大于10ms，表明研制的穩(wěn)壓電源具有優(yōu)良的性能。從圖15中可以看出，外場實際的輸入電壓波形得到了很好的改善，輸出電壓可以滿足實際需求。

4 結論

通過交流凈化穩(wěn)壓電源仿真模型的建立，實現(xiàn)了電源主回路的仿真，進一步明確了主回路各元件參數(shù)對電源輸出電壓的影響，為主回路參數(shù)的斟酌選取提供了理論指導，并且克服了實際設計中器件更換繁瑣的缺點，對于各元件參數(shù)的影響有了直觀的認識。通過對樣機穩(wěn)壓性能的實際測試證明，樣機的穩(wěn)壓性能可以很好的滿足基地對輸出電壓的穩(wěn)定要求，并且在實際試用中，效果良好。

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