摘 要： 為了獲得穩(wěn)定的大電流，設(shè)計了基于單片機控制的智能軟啟動大功率恒流源，電流范圍0~8 A,最大峰值可達(dá)10 A。采用大功率運放OPA549構(gòu)成大電流恒流源,利用PID控制算法實現(xiàn)了大功率電源的軟啟動和控制。該方法設(shè)計的電源在軟啟動過程中超調(diào)量很小，具有很好的穩(wěn)定性;在恒流源工作時,穩(wěn)定性也很好。
關(guān)鍵詞： 軟啟動；PID；大功率；恒流源

　電源啟動過程中瞬時電流沖擊很大，對電源和器件的使用壽命有很嚴(yán)重的影響，采用良好的控制方法對啟動電流進(jìn)行控制以減小其危害，使啟動過程中無瞬間沖擊且能連續(xù)變化,是電源啟動控制中關(guān)鍵的一步[1]。電源軟啟動方式就是控制輸出電壓和電流，使負(fù)載的電壓和電流漸增。對于線性時不變模型的被控對象適當(dāng)整定PID參數(shù)可獲得較滿意的控制效果，可以很好地解決電流過大的問題[2]。PID控制能很好地解決啟動過程中震蕩和超調(diào)的問題，可以更好地保護(hù)電源，且啟動可靠、穩(wěn)定性強。采用單片機作為控制器，編程靈活、性價比較高，易實現(xiàn)人機界面管理[3]。利用軟件調(diào)整系統(tǒng)的非線性，以降低實測值與設(shè)定值之間的偏差。電源電壓或電流的波動、電路元件的老化、環(huán)境溫度等因素都將影響電源的穩(wěn)定性。為了穩(wěn)定地控制電源功率，該方案采用基于單片機的高速AD、DA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并采用PID算法實現(xiàn)大功率電源的軟啟動，系統(tǒng)采用PID電壓采樣反饋控制輸出電流的恒定不變，精度較高、響應(yīng)速度較快、靈活性較好、穩(wěn)定性較高[4]。
1 大功率精密恒流源的實現(xiàn)
1.1 電源系統(tǒng)設(shè)計
　以單片機為核心，完成以下功能：處理鍵盤輸入數(shù)值，包括電路預(yù)定值和 “+”、“-”步進(jìn)；控制數(shù)LCD顯示預(yù)定值和實際值；控制ADC和DAC；根據(jù)得到的反饋信號通過程序控制算法進(jìn)行偏差值補償。由于運放OPA549一路受D/A轉(zhuǎn)換器控制，調(diào)整運放OPA549輸入端電壓 ，一路為比例放大電路。當(dāng)DAC輸出預(yù)定值或步進(jìn)值后,電流源的輸出在 0 ~8 A范圍內(nèi)變化。輸出電壓經(jīng)與負(fù)載串聯(lián)的小電阻采樣后，送入ADC，采樣值與預(yù)定值在單片機內(nèi)部進(jìn)行計算、比較輸出控制信號，對偏差值進(jìn)行補償。利用軟件調(diào)整系統(tǒng)的非線性，以降低實測值與設(shè)定值之間的偏差。
1.2 電源電路設(shè)計
    (1)數(shù)控部分核心采用單C8051F ，控制數(shù)控直流源的鍵盤和顯示，與D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器控制輸出電流。A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓由專門±9 V電源供電，D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓由+20 V電源供電,由單片機送出數(shù)據(jù)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換輸出控制電壓。 
　(2)運放OPA549放大電路電流源。OPA549是BB公司新推出的一種高電壓大電流功率運算放大器。它能夠提供極好的低電平信號、輸出高電壓、大電流，可驅(qū)動各種負(fù)載。該器件的主要特點：輸出電流大，連續(xù)輸出電流可達(dá)8 A，峰值電流可達(dá)10 A；工作電壓范圍寬，單電源為+8 V~+60 V，雙電源為±4 V~±60 V；輸出電壓擺動大；有過熱關(guān)閉功能，電流極限可調(diào)；有使能及禁止功能；有過熱關(guān)閉指示；轉(zhuǎn)換效率（壓擺率）最高為9 V/μs；工作溫度范圍為-40℃~+85℃。該器件主要應(yīng)用于驅(qū)動工業(yè)設(shè)備、測試設(shè)備、電源、音頻功率放大器等大電流負(fù)載。在該電源系統(tǒng)中，主要為負(fù)載提供大電流，采用PID控制算法控制負(fù)載的發(fā)光強度[5]。輸入為單片機經(jīng) DAC輸出的控制電壓，一路為比例放大電路，如圖1所示增益G=1+R3/R2。電流型DAC通過R1轉(zhuǎn)換成電壓，控制OPA549。輸出電流經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換為采樣電壓， 送入A/D轉(zhuǎn)換器反饋至單片機進(jìn)行偏差值補償[9]。

　 (3) 散熱及抗干擾
　 OPA549大功率管工作時產(chǎn)生恒定的大電流，功耗較大，產(chǎn)生的熱量較多，散熱成為該電源急需處理的問題。一般的軸流風(fēng)扇內(nèi)部電機置有脈沖驅(qū)動電路，驅(qū)動時，脈沖成分很容易直接順電機電源線“外溢”，干擾其他電器設(shè)備。視頻設(shè)備上干擾表現(xiàn)為橫通斜線 ，音響設(shè)備上產(chǎn)生噪音。為此，安裝大面積的銅散熱片，同時用風(fēng)扇對設(shè)備中的電子元器件強制散熱。安裝風(fēng)扇時，需要在風(fēng)扇電機電源線上串繞一只高頻磁環(huán)以抗干擾。串繞磁環(huán)有效濾除這些干擾成分,一般只需繞上1～3匝即可。
2 PID控制算法
　系統(tǒng)軟啟動的控制功能通過比例積分微分控制器實現(xiàn)。通過比較給定信號與反饋信號的偏差, 并進(jìn)行比例、積分、微分等運算進(jìn)行控制, 是技術(shù)較成熟、應(yīng)用、廣泛的一種控制方式。其結(jié)構(gòu)簡單、靈活性強、系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整方便,不需要求出模型 [6]。
　PID控制原理如圖2 所示。PID 控制是一種線性調(diào)節(jié)器, 它把設(shè)定值W與實際輸出值相減, 得到控制偏差e。偏差值e 經(jīng)比例、積分、微分后通過線性組合構(gòu)成控制量U, 對對象進(jìn)行控制。其中比例調(diào)節(jié)器起到基礎(chǔ)調(diào)節(jié)作用,主要對控制系統(tǒng)的靈敏度和控制速度有影響。積分調(diào)節(jié)器可以自動調(diào)節(jié)控制量, 消除穩(wěn)態(tài)誤差, 使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。微分調(diào)節(jié)器可以減小超調(diào), 克服振蕩, 同時加快系統(tǒng)的穩(wěn)定速度, 縮短調(diào)整時間, 從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能[6]。
 

式中: Ti為積分時間常數(shù); Td為微分時間常數(shù); Kp為比例系數(shù); Ki為積分常數(shù), Ki=Kp/Ti; Kd為微分常數(shù),Kd=Kp/Td。
　系統(tǒng)啟動時間較短, 啟動電壓、電流較大, 負(fù)載所承受的沖擊也較大, 致使啟動階段負(fù)載的動負(fù)荷峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常運行時的負(fù)荷, 容易造成負(fù)載的損壞。為解決此問題, 設(shè)計了一種新型的PID控制軟啟動電源系統(tǒng), 主要由電源、大電流恒流源、輸出大電流端采樣和控制系統(tǒng)組成，并完成了實驗室內(nèi)的試驗。當(dāng)電源啟動時, 首先由單片機系統(tǒng)給定設(shè)定電壓、電流或功率。PID軟啟動是按負(fù)載線性上升的規(guī)律控制輸出。在負(fù)載電壓線性增加的過程中, 如果電流超出了所限定的范圍, 則馬上投入電壓閉環(huán), 使電流值限定在所設(shè)定的范圍內(nèi)后, 再線性逐漸增加電壓至額定值,系統(tǒng)的光強也由零逐漸增大，完成啟動過程[7]。
    PID控制系統(tǒng)軟啟動效果圖如圖3所示。通過串行通信端口com1通信，電壓單位mV、電流單位mA，功率單位mW，時間單位s。

    從圖3的軟啟動效果圖可以看出，在恒定電壓、電流、功率的模式下工作時，系統(tǒng)開機過程超調(diào)量很小，有效地控制了啟動過程，防止了啟動過程產(chǎn)生過大的擾動電壓，產(chǎn)生過大的功率，有效地保護(hù)了負(fù)載。
3 實驗結(jié)果
　由于輸出電流達(dá)到8 A，對電源的功率要求較高，易產(chǎn)生噪聲，這種隨機噪聲也會對輸出電流產(chǎn)生一定的影響。為減弱這種噪聲 ，各個模塊分別供電，以減少交叉干擾，同時在電路板上多加裝去耦濾波電容，減小干擾的影響，同時OPA549能有效地抑制紋波。影響電源穩(wěn)定性的因素很多,如負(fù)載的變化、取樣電阻的變化、A/D、D/A的影響等[5]。如圖4所示，不同負(fù)載的情況下，電源誤差不同。10 W的負(fù)載，由于功率較低，在電壓、電流增加時，誤差變化也較小。35 W的負(fù)載，由于功率較大，工作電流的變化范圍比較大，功耗較大，電源的誤差變化相應(yīng)地也比較大。如圖5，在10 W、20 W和35 W的負(fù)載時，工作狀態(tài)穩(wěn)定，能夠滿足大電流、大功率的需要。

    該系統(tǒng)利用PID 算法進(jìn)行控制,采用大功率運放OPA549輸出電流在0~8 A范圍內(nèi)可調(diào)，最大峰值可達(dá)到10 A，能夠有效抑制紋波電流，克服了傳統(tǒng)電流源輸出電流范圍小的缺點。可設(shè)置并能實時顯示輸出電壓、電流、功率實測值，具有 “+”，“-”步進(jìn)調(diào)整功能，輸出可在LCD12864顯示,同時通過RS232與上位機同步通信，直接顯示，保存實驗數(shù)據(jù)。通過對測試結(jié)果的分析，系統(tǒng)在軟啟動的過程中，超調(diào)量很小，啟動效果很好，避免了對負(fù)載的沖擊。由于大功率調(diào)整管的電流大范圍變化時，經(jīng)過軟件補償、放大電路調(diào)整等方法解決線性度較差，實測值和設(shè)定值存在偏差的問題 。該電源適用于大功率的場合，本電源具有很好的實用性。
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