中心議題：

• 大功率直流電源控製係統工作原理
• 大功率直流電源控製係統工作原理圖
• 通用觸發板簡介

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，該係統中采用WATCHDOG的抗幹擾技術和鎖相環（PLL）控製原理
，文章闡述了電力係統根據現場情況要求下，如以電力係統對電池充電為例的7種工作方式，並詳細討論了利用軟件實現的PI調節方法。

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
，其關鍵在於如何準確
、可靠、穩定地控製晶閘管的導通角。

目前
，大功率直流電源現場應用中最為普遍的控製方式大都采用KC或KJ係列小規模集成電路，即采用三相鋸齒波信號和直流控製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密切相關

，並且比較信號中小的幹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。

利用單片機作為控製電路，根據三相全控橋觸發脈衝之間的邏輯關係，直接產生六相高度均衡的觸發脈衝，可以克服KC、KJ係xi列lie電dian路lu均jun衡heng性xing差cha的de缺que點dian。但dan是shi，由you於yu現xian場chang係xi統tong工gong作zuo在zai強qiang電dian幹gan擾rao比bi較jiao嚴yan重zhong的de場chang合he

，為wei了le減jian小xiao幹gan擾rao可ke能neng引yin起qi程cheng序xu運yun行xing紊wen亂luan，造zao成cheng係xi統tong失shi控kong而er引yin起qi主zhu電dian路lu器qi件jian的de損sun壞huai；另外
，為了增強係統的功能
，加強人機對話能力
，實現顯示、打印
、命令輸入、循環檢測

、過壓過流保護以及軟件PI調節器等功能，必須采用雙CPU並行工作。但雙CPU並行工作既增加了係統的複雜性，又降低了係統的可靠性和實用性。

為了克服上述局限性

，利用8098單片機作主控單元， 並充分利用WATCHDOG的抗幹擾性能，采用以鎖相環（PLL）為基本控製原理的通用觸發板作中間界麵
，構成一種智能化的電廠大功率直流後備電源。圖1示出控製係統框圖。

圖1 控製係統框圖

1 係統工作原理

現以電力係統對電池進行強充、浮充為例，說明係統的工作原理。根據現場要求，係統共設有7種工作方式，見圖1。

1）手動方式（M）
係統工作在開環狀態，利用8098的PWM口，經濾波後輸出一個0~5V的控製電壓信號給觸發板
，使整流橋相應輸出電壓為0~300V.該方式主要用於係統主電路的檢修和維護。

2）穩壓方式（V）
穩壓方式（V）又稱浮充方式


，係統作穩壓源閉環運行。

為增強係統的靈活性和通用性，利用軟件實現PI調節。
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（1）標準數字PI算法
圖2示出帶數字PI調節器的計算機控製係統方框圖。

圖2 典型計算機控製係統方框圖

該數字PI調節器的Z傳遞函數為：

式中：Ki -- 積分係數，Ki= KoT/Ti;T--采樣周期； Ti-- 積分時間常數；Kp-- 比例因子

；U（Z）--控製量輸出的z傳遞函數；E（z）- -偏差量的z傳遞函數。

將式（1）展開
，可得以下位置式算法：

式中Uo-- 初始值；Uk - - 第k次采樣點獲得的控製量
；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：

根據上述遞推公式，可以非常方便地用軟件實現PI調節器。

（2）改進的數字PI算法
標準PI算法一般不能滿足現場要求
，比如在開機
、停機或大幅度改變設定值時，短時間內係統偏差變化劇烈
，容易造成較大的積分積累∑（Ek），使得控製輸出急劇變化
，係統超調嚴重
，動態性能惡化。

為防止這一現象發生，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
，這在隨動係統設計中較為常見。

由於本係統屬於恒值控製係統
，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。即當控製量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，是用經過衰減後的Ek''去代替Ek.係統在階躍響應時
，實際工作在過阻尼狀態，從而減緩了在起
、停時對主電路器件的衝擊。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 係統階躍響應曲線[page]

（3）PI參數的整定
①采樣周期T
由於主電路輸出濾波網絡決定了係統輸出紋波的最大截止頻率f,所以根據香農（Snon）定理可以決定采樣頻率的上限f1 =2f 工程上一般取f1=10f.

由於主電路參數已知，可求得：

其下限T2由8098軟件執行時間決定。若采用12M晶振，平均每條語句執行時間為2us,程序運行大概需要500條語句
，那麼T2=1ms.所以：
1ms≤ T≤6ms

最終可通過現場調試來選擇了1的大小。

② 比例因子Kp及積分時間常數Ti工程上常用臨界比例度法

，對常數Kp和Ti進(jin)行(xing)整(zheng)定(ding)。即(ji)在(zai)閉(bi)環(huan)條(tiao)件(jian)下(xia)，先(xian)暫(zan)時(shi)去(qu)掉(diao)積(ji)分(fen)作(zuo)用(yong)，逐(zhu)漸(jian)增(zeng)大(da)比(bi)例(li)增(zeng)益(yi)，直(zhi)到(dao)閉(bi)環(huan)係(xi)統(tong)達(da)到(dao)臨(lin)界(jie)穩(wen)定(ding)狀(zhuang)態(tai)


，發(fa)生(sheng)持(chi)續(xu)振(zhen)蕩(dang)為(wei)止(zhi)。記(ji)下(xia)此(ci)時(shi)的(de)臨(lin)界(jie)增(zeng)益(yi)Ku和振蕩周期Tu ,通過查表得到Kp=和Ti的近似值
，然後由整機調試進行修正。

本係統穩壓閉環實驗測定結果為：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
，采用無符號數算法。

3）穩流方式（I）
穩流方式又稱強充方式

，係統作電流源閉環運行，原理同上，不同的是積分時間常數要小一些，調節速度較快。

實驗數據如下：Tu=6.0ms,Ti=5ms、A=4,B=2.

4）穩壓穩流自動轉換（V/I）
當電池虧電時，係統以強充方式工作
，電池電壓逐漸升高。當超過設定值時

，改為浮充方式。

即係統能根據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）
係統可存儲兩組常用數據，即工作方式、電壓電流給定值、穩壓穩流轉換值、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an下xia該gai鍵jian
，係xi統tong工gong作zuo在zai軟ruan停ting方fang式shi。觸chu發fa板ban將jiang控kong製zhi脈mai衝chong相xiang位wei拉la至zhi最zui大da，然ran後hou封feng鎖suo脈mai衝chong輸shu出chu。該gai鍵jian彈dan起qi，為wei軟ruan起qi方fang式shi。控kong製zhi輸shu出chu由you最zui小xiao慢man慢man升sheng至zhi給gei定ding值zhi。

7）電池檢測方式（TEST）
係統能循環檢測電池電壓，由數碼管進行顯示，也可通過串行口打印輸出，並有報警提示。

2 係統工作流程圖

係統上電後，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。然後發出開機信號，對LED、給定寄存器等進行複位，隨後產生頻率為2Hz的方波信號，作為係統的給定輸入。

為進入上述7種工作方式，係統共設有三種途徑。

途徑I為掉電重起方式。即係統在掉電後
，能記錄當前工作方式，來電後直接返回到原狀態。

該途徑為係統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.

係統進入相應工作方式後，可通過中斷方式接受用戶命令，更換當前工作狀態（中斷程序框圖省略）。圖5示出係統工作流程圖。

圖5 係統工作流程圖[page]

3 通用觸發板簡介

晶閘管通用觸發板是以40芯CMOS大規模集成電路為核心
，利用鎖相環控製技術（PLL）
，根據壓控振蕩器（VCO）鎖定的三相同步信號間的邏輯關係設計出的一種晶閘管觸發係統。給定0~5V的直流控製信號，便能產生0°~180°移相範圍的三相、六相或十二相強觸發脈衝。由於采用上述新技術

，克服了KC、KJ係列同類產品的諸多缺點
，使該觸發板輸出的控製脈衝具有高對稱性、高均衡性。另外，該板的抗幹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
，適用於各種整流、逆變、交流側原邊控製等大功率晶閘管控製電路。

該觸發板無需同步變壓器，具有相序自動測控核對能力，並具備缺相保護功能和脈衝禁止接口；通過撥碼開關可提供雙30°
、120°寬的高頻調製觸發脈衝。實驗證明，該脈衝可直接驅動1000A以上的晶閘管，是現場應用中晶閘管觸發係統的理想產品。

4 結束語

該係統的特點在於軟件PI調節器的靈活應用。一方麵，可就多種PI算法進行綜合比較
，並驗證一些新的算法。另一方麵
，基於係統的通用性，可就不同的被控對象給出不同的控製模式和參數。例如100A和500A時的蓄電池，就要有不同的PI調節參數；既使容量相同而生產廠家不同，所要求的參數也不一致，這是由電池內部化學反應速度決定的。

係統的另一個特點是通用觸發板的使用。它介於計算機PI調節器與晶閘管主電路之間，作為一個很好的緩衝界麵，能保證調節失控時係統的安全可靠。另一方麵
，8098單片機的WATCHDOG也強化了係統的抗幹擾能力，使得該係統非常適用於現場控製。