5kW高頻通信電源整流及監(jiān)控系統(tǒng)
智能化高頻開關電源是一代新型直流電源裝置，它具有高度靈活組合、自主監(jiān)控的特點。目前應用十分廣泛，尤其在通信領域，因其具有體積小、噪音低、維護方便又可被納入通信系統(tǒng)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)等優(yōu)點，從而基本上取代了相控穩(wěn)壓電源。本文闡述了一種5kW通信電源整流模塊及其二級監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，并給出了部分軟件的流程圖。
１ 系統(tǒng)硬件原理
圖１示出整個電源系統(tǒng)的原理框圖。系統(tǒng)中各功能模塊都具有自己獨立的監(jiān)控功能，可完成對所監(jiān)控模塊的管理。本文將主要討論高頻開關整流模塊和主監(jiān)控模塊。
1.1 高頻開關整流模塊
整流模塊是一種智能化高頻開關穩(wěn)壓模塊，其原理框圖見圖2。它采用無工頻變壓器的整流結構，主要由PWM控制器、逆變器、信號取樣、單片機控制器及負載均流等部分組成。其中逆變器采用IGBT構成的全橋逆變器。PWM控制器采用移相式PWM控制器UC3875，它在單片機80C196KC的控制下，根據(jù)反饋的電壓電流值與設定值的差，輸出相移變化的PWM脈沖，經(jīng)驅動、放大及整形后，控制逆變橋中IGBT的關斷或導通，以改變輸出電壓的大小。
為了實現(xiàn)多機并聯(lián)運行的目的，本系統(tǒng)采用了負載自動均流電路，其核心是Unitrode公司的UC3907負載均流控制器。當多機并聯(lián)運行時，整流模塊中3907的CSB腳并聯(lián)于均流母線CSB上，由于3907采用的是最大電流均流法，所以在均流母線上反映的是輸出電流最大的模塊的電流，當本模塊的電流小于CSB電流時，3907的輸出就會改變3875的反饋電壓值，從而改變PWM控制器移相脈沖的相移，進而改變輸出電壓和電流，使得該模塊電流與最大電流一致，實現(xiàn)自動均流的目的。
為使整個電源系統(tǒng)具有自診斷和人機交互的控制功能，每個整流模塊都具有本身的監(jiān)控部分，以擔負本地監(jiān)控以及與主監(jiān)控模塊通信的任務。整流模塊的單片機所承擔的任務是檢測輸出電壓、電流及溫度，向ＰＷＭ控制器發(fā)送輸出電壓值及最大限流值指令，負責開啟冷卻風扇、告警等，并允許各模塊退出或投入系統(tǒng)。
單片機還定期將本模塊的電壓、電流值及故障情況傳送給主監(jiān)控模塊，同時也接收來自主監(jiān)控模塊的命令。模塊間的通信采用RS-485總線方式，接口芯片為MAXIM公司的MAX1480B，該芯片是完整的電氣隔離的RS-485轉換器，具有良好的抗干擾能力，適合應用于惡劣的電磁環(huán)境中。
1.2 主監(jiān)控模塊
系統(tǒng)主監(jiān)控模塊作為一個獨立的模塊，可監(jiān)控整個電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)，控制各模塊的投入和退出，完成人機對話，實現(xiàn)與外部PC或遠端主機的通信。
圖3是該模塊的原理框圖。系統(tǒng)采用Intel公司的80C196KC作主控制器，用本身的TXD、RXD經(jīng)RS-485轉換后與各模塊通信，又通過外接8250擴展出RS-232接口與PC或遠端主機通信。為實現(xiàn)本地的人機交互操作，系統(tǒng)采用了大屏幕的LCD界面和24鍵的鍵盤，并可直接外掛EPSON1600K打印機。為了滿足自動監(jiān)控的需要，監(jiān)控模塊設有8路數(shù)字量輸入口，6路繼電器輸出口，5路A/D輸入，3路D/A輸出及兩路告警輸出。
主監(jiān)控系統(tǒng)檢測直流母線電壓、電流，當電壓或電流大于上限設定值時，便命令整流模塊降壓限流，并根據(jù)各整流模塊的工作狀況，決定每個模塊的退出和投入，從而使整個電源系統(tǒng)工作在穩(wěn)定的狀態(tài)下。
此外，為了整個電源系統(tǒng)的安全，主監(jiān)控系統(tǒng)還對電網(wǎng)電壓的波動進行檢測。當網(wǎng)壓異常時，主監(jiān)控模塊將切除電網(wǎng)輸入，同時發(fā)出告警信號，并記錄故障信息。
２ 系統(tǒng)軟件
本系統(tǒng)采用集中管理、獨立控制的模式，各模塊都有自己獨立的監(jiān)控程序，當個別模塊出現(xiàn)故障時，不會影響整機運行。由于篇幅限制，本文只給出監(jiān)控模塊的軟件結構。
主監(jiān)控模塊軟件采用模塊化結構設計，各種功能都由相應的中斷子程序完成。圖４是主程序流程圖。
系統(tǒng)的初始化包括MCU內部控制寄存器的初始化，寄存器區(qū)及數(shù)據(jù)區(qū)的初始化等。自檢包括RAM自檢及控制系統(tǒng)各傳感器自檢，自檢通過后開放中斷及PTS，并調用顯示初始化子程序，顯示系統(tǒng)主菜單可用鍵盤選擇各子菜單，包括運行參數(shù)菜單、狀態(tài)菜單、故障記錄菜單及參數(shù)設置菜單。其中參數(shù)設置菜單僅供具有權限的維護人員使用，須輸入密碼才可進行操作。通信握手通過發(fā)送特征碼55H及接收回彈的AAH來確定通信系統(tǒng)的正常與否。
執(zhí)行完初始化及自檢后，系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)，可接收鍵盤中斷，同時保持串口接收中斷有效。鍵盤中斷子程序如圖5所示。串口數(shù)據(jù)的發(fā)送由子程序調用完成，接收由中斷實現(xiàn)，按數(shù)據(jù)的不同類型進行相應的處理。串口接收子程序如圖6所示。
由于本系統(tǒng)檢測的模擬量較多，對于A/D轉換，系統(tǒng)采用了80C196KC所提供的新功能PTS中斷。它以微代碼方式運行中斷子程序，此普通中斷速度快，而且由于PTS提供了一種A/D掃描模式，使得對多個A/D處理更為方便。表1是用于實現(xiàn)A/D的PTS中斷的命令塊。
首先在主程序中啟動ACH4的A/D轉換，當該轉換完成時，便引發(fā)一次A/D結束中斷，進而產(chǎn)生一次PTS中斷。當PTS中斷執(zhí)行時，它首先讀取PTS控制塊的內容，如表2所示，依次為命令計數(shù)器，命令寄存器，源／目的寄存器和結果寄存器。根據(jù)源／目的寄存器的內容，讀取該地址的A/D命令并執(zhí)行，然后根據(jù)命令寄存器的UPDT位的值，將源／目的寄存器的地址加二，把上一通道的轉換結果送入該寄存器，同時計數(shù)器減一，這樣完成一個PTS周期。直到計數(shù)器為零，PTS中斷結束。
３ 可靠性設計及抗干擾措施
·主電路中主開關采用帶保護的IGBT模塊，并外加snnbber電路。
·加入冗余整流模塊，個別模塊出現(xiàn)故障時，不會影響整機運行。
·所有的保護及安全電路都設有全硬件繼電保護，各模塊入口設熔斷保護。
·為減少電磁輻射干擾的影響，對控制板進行了屏蔽。
·采用單點接地和隔離電源供電，消除共阻抗回路。數(shù)字地線、模擬地線、信號源地線和負載地線分開設置。數(shù)字電路、模擬電路和負載電路分別單獨供電，獨自構成回路且單點接地。
·加強電源退耦，電源線與地線之間加退耦電容。
·A/D轉換采用軟件濾波，以減小干擾的影響，提高測量和計算的準確性。
·為防止微機控制器程序執(zhí)行出錯或進入死循環(huán)，設WATCHDOG，超出定時時間后能自動使系統(tǒng)復位。
總之，本系統(tǒng)采用分級控制結構，便于系統(tǒng)的升級和維護，同時也提高了系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)在實驗室調試、運行穩(wěn)定，下一步將進行產(chǎn)品化的研究。
１ 系統(tǒng)硬件原理
圖１示出整個電源系統(tǒng)的原理框圖。系統(tǒng)中各功能模塊都具有自己獨立的監(jiān)控功能，可完成對所監(jiān)控模塊的管理。本文將主要討論高頻開關整流模塊和主監(jiān)控模塊。
1.1 高頻開關整流模塊
整流模塊是一種智能化高頻開關穩(wěn)壓模塊，其原理框圖見圖2。它采用無工頻變壓器的整流結構，主要由PWM控制器、逆變器、信號取樣、單片機控制器及負載均流等部分組成。其中逆變器采用IGBT構成的全橋逆變器。PWM控制器采用移相式PWM控制器UC3875，它在單片機80C196KC的控制下，根據(jù)反饋的電壓電流值與設定值的差，輸出相移變化的PWM脈沖，經(jīng)驅動、放大及整形后，控制逆變橋中IGBT的關斷或導通，以改變輸出電壓的大小。
為了實現(xiàn)多機并聯(lián)運行的目的，本系統(tǒng)采用了負載自動均流電路，其核心是Unitrode公司的UC3907負載均流控制器。當多機并聯(lián)運行時，整流模塊中3907的CSB腳并聯(lián)于均流母線CSB上，由于3907采用的是最大電流均流法，所以在均流母線上反映的是輸出電流最大的模塊的電流，當本模塊的電流小于CSB電流時，3907的輸出就會改變3875的反饋電壓值，從而改變PWM控制器移相脈沖的相移，進而改變輸出電壓和電流，使得該模塊電流與最大電流一致，實現(xiàn)自動均流的目的。
為使整個電源系統(tǒng)具有自診斷和人機交互的控制功能，每個整流模塊都具有本身的監(jiān)控部分，以擔負本地監(jiān)控以及與主監(jiān)控模塊通信的任務。整流模塊的單片機所承擔的任務是檢測輸出電壓、電流及溫度，向ＰＷＭ控制器發(fā)送輸出電壓值及最大限流值指令，負責開啟冷卻風扇、告警等，并允許各模塊退出或投入系統(tǒng)。
單片機還定期將本模塊的電壓、電流值及故障情況傳送給主監(jiān)控模塊，同時也接收來自主監(jiān)控模塊的命令。模塊間的通信采用RS-485總線方式，接口芯片為MAXIM公司的MAX1480B，該芯片是完整的電氣隔離的RS-485轉換器，具有良好的抗干擾能力，適合應用于惡劣的電磁環(huán)境中。
1.2 主監(jiān)控模塊
系統(tǒng)主監(jiān)控模塊作為一個獨立的模塊，可監(jiān)控整個電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)，控制各模塊的投入和退出，完成人機對話，實現(xiàn)與外部PC或遠端主機的通信。
圖3是該模塊的原理框圖。系統(tǒng)采用Intel公司的80C196KC作主控制器，用本身的TXD、RXD經(jīng)RS-485轉換后與各模塊通信，又通過外接8250擴展出RS-232接口與PC或遠端主機通信。為實現(xiàn)本地的人機交互操作，系統(tǒng)采用了大屏幕的LCD界面和24鍵的鍵盤，并可直接外掛EPSON1600K打印機。為了滿足自動監(jiān)控的需要，監(jiān)控模塊設有8路數(shù)字量輸入口，6路繼電器輸出口，5路A/D輸入，3路D/A輸出及兩路告警輸出。
主監(jiān)控系統(tǒng)檢測直流母線電壓、電流，當電壓或電流大于上限設定值時，便命令整流模塊降壓限流，并根據(jù)各整流模塊的工作狀況，決定每個模塊的退出和投入，從而使整個電源系統(tǒng)工作在穩(wěn)定的狀態(tài)下。
此外，為了整個電源系統(tǒng)的安全，主監(jiān)控系統(tǒng)還對電網(wǎng)電壓的波動進行檢測。當網(wǎng)壓異常時，主監(jiān)控模塊將切除電網(wǎng)輸入，同時發(fā)出告警信號，并記錄故障信息。
２ 系統(tǒng)軟件
本系統(tǒng)采用集中管理、獨立控制的模式，各模塊都有自己獨立的監(jiān)控程序，當個別模塊出現(xiàn)故障時，不會影響整機運行。由于篇幅限制，本文只給出監(jiān)控模塊的軟件結構。
主監(jiān)控模塊軟件采用模塊化結構設計，各種功能都由相應的中斷子程序完成。圖４是主程序流程圖。
系統(tǒng)的初始化包括MCU內部控制寄存器的初始化，寄存器區(qū)及數(shù)據(jù)區(qū)的初始化等。自檢包括RAM自檢及控制系統(tǒng)各傳感器自檢，自檢通過后開放中斷及PTS，并調用顯示初始化子程序，顯示系統(tǒng)主菜單可用鍵盤選擇各子菜單，包括運行參數(shù)菜單、狀態(tài)菜單、故障記錄菜單及參數(shù)設置菜單。其中參數(shù)設置菜單僅供具有權限的維護人員使用，須輸入密碼才可進行操作。通信握手通過發(fā)送特征碼55H及接收回彈的AAH來確定通信系統(tǒng)的正常與否。
執(zhí)行完初始化及自檢后，系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)，可接收鍵盤中斷，同時保持串口接收中斷有效。鍵盤中斷子程序如圖5所示。串口數(shù)據(jù)的發(fā)送由子程序調用完成，接收由中斷實現(xiàn)，按數(shù)據(jù)的不同類型進行相應的處理。串口接收子程序如圖6所示。
由于本系統(tǒng)檢測的模擬量較多，對于A/D轉換，系統(tǒng)采用了80C196KC所提供的新功能PTS中斷。它以微代碼方式運行中斷子程序，此普通中斷速度快，而且由于PTS提供了一種A/D掃描模式，使得對多個A/D處理更為方便。表1是用于實現(xiàn)A/D的PTS中斷的命令塊。
首先在主程序中啟動ACH4的A/D轉換，當該轉換完成時，便引發(fā)一次A/D結束中斷，進而產(chǎn)生一次PTS中斷。當PTS中斷執(zhí)行時，它首先讀取PTS控制塊的內容，如表2所示，依次為命令計數(shù)器，命令寄存器，源／目的寄存器和結果寄存器。根據(jù)源／目的寄存器的內容，讀取該地址的A/D命令并執(zhí)行，然后根據(jù)命令寄存器的UPDT位的值，將源／目的寄存器的地址加二，把上一通道的轉換結果送入該寄存器，同時計數(shù)器減一，這樣完成一個PTS周期。直到計數(shù)器為零，PTS中斷結束。
３ 可靠性設計及抗干擾措施
·主電路中主開關采用帶保護的IGBT模塊，并外加snnbber電路。
·加入冗余整流模塊，個別模塊出現(xiàn)故障時，不會影響整機運行。
·所有的保護及安全電路都設有全硬件繼電保護，各模塊入口設熔斷保護。
·為減少電磁輻射干擾的影響，對控制板進行了屏蔽。
·采用單點接地和隔離電源供電，消除共阻抗回路。數(shù)字地線、模擬地線、信號源地線和負載地線分開設置。數(shù)字電路、模擬電路和負載電路分別單獨供電，獨自構成回路且單點接地。
·加強電源退耦，電源線與地線之間加退耦電容。
·A/D轉換采用軟件濾波，以減小干擾的影響，提高測量和計算的準確性。
·為防止微機控制器程序執(zhí)行出錯或進入死循環(huán)，設WATCHDOG，超出定時時間后能自動使系統(tǒng)復位。
總之，本系統(tǒng)采用分級控制結構，便于系統(tǒng)的升級和維護，同時也提高了系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)在實驗室調試、運行穩(wěn)定，下一步將進行產(chǎn)品化的研究。
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