基于數字觸發器的電源設計

曹立杰 ，王新屏 ，牛悅苓

(1.大連海洋大學 信息工程學院，遼寧 大連116023；2.大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連116028；3.大連工業大學 信息科學與工程學院，遼寧 大連116034)

電源技術發展到今天，已融匯了電子、功率集成、自動控制、計算機等多領域的技術[1-3]。早期的線性電源輸出可調范圍窄，應用范圍受到很大的限制，自從20世紀80年代以來，開關電源以其體積小、重量輕、效率高等優點，在郵電通信、軍事裝備、交通設施等領域得到廣泛應用[4]。本文介紹一種以單片機為核心，設計數字觸發器以觸發晶閘管，通過晶閘管的開通與關斷實現電源電壓的變化[5]，最終實現輸出電壓連續可調的直流電源。該電源充分利用了單片機的強大功能，順應了目前國外直流電源朝著數字化發展的趨勢，滿足輸出電壓寬范圍、可調的要求，并且該電源在軟件和硬件上都有很大的擴展空間，在本電源的基礎上稍做變動，就可以應用在許多領域中。

1 可調直流電源的硬件設計

可調直流電源的硬件原理框圖如圖1所示。系統硬件部分包括單片機模塊、按鍵設定電壓模塊、三項半控橋、數字觸發模塊、數據采集模塊、報警模塊和顯示模塊。

圖1 可調直流電源的硬件原理框圖

1.1 單片機模塊

從經濟、實用角度考慮，系統采用AT89S51單片機，它是整個系統的控制核心，對所采集的數據進行處理，并且針對不同的需求向其他模塊發出控制信號和指示信號。應用AT89S51實現數字觸發器的設計，實現對三相半控橋中三個晶閘管的輪流觸發。

1.2 三相半控橋

由于系統變壓器采用Δ/Y接法，所以本設計采用由晶閘管和二極管組成的三相半控橋。為了保證電路的可靠運轉，對晶閘管的選擇留有充分合理的裕量。電路中均考慮了過電壓、過電流情況下電路的保護問題。由于電容兩端電壓不能突變，所以在晶閘管兩端加阻容元件，進行過電壓保護。在三相中通過接快速熔斷器實現過電流保護。三相半控橋電路如圖2所示。

圖2 三相半控橋電路

1.3 數字觸發模塊

數字觸發模塊對于三相半控橋能否正常、有序地工作起到非常重要的作用。為了將本系統中強電和弱電分離開，采用光電耦合器進行隔離，隔離電路如圖3所示。通過單片機輸出的控制信號，實現對三個晶閘管的有序觸發，如圖4所示。

圖3 隔離電路

圖4 三個晶閘管的觸發

1.4 數據采集模塊

數據采集模塊將采集到的電壓信號送入單片機，與單片機的設定電壓進行比較，構成一個如圖5所示的閉環。若輸出電壓與設定電壓不符，可通過軟件進行輸出電壓調節。

1.5 報警模塊

報警模塊分為聲音報警和光報警。電路正常工作情況下，無聲音提示，系統綠燈亮。若電路出現不正常工作情況，紅燈閃爍，發出“滴滴”警示音。

1.6 顯示模塊

本系統采用液晶顯示，包括設定電壓值、當前電流值。此外，可根據不同的系統要求，在此顯示模塊上顯示相應的提示信息，較以往的LED顯示有了較大的改善。

1.7 按鍵設定電壓模塊

通過按鍵模塊可以實現對本系統輸出電壓的設定。采用常規的44鍵盤即可。

2 可調直流電源的軟件設計

電源在開始工作時，首先人為給定一個電壓值，此電壓值可從顯示模塊顯示。電壓經過模數轉換后送入AT89S51單片機，通過該電壓值，單片機可讀出滿足要求的觸發角度，由輸出觸發模塊發出觸發脈沖觸發三相晶閘管，數據采集模塊采樣輸出電壓，并經過模數轉換送回單片機與給定值進行比較。若給定電壓與輸出電壓不相同，則采用模糊PID進行參數調節，最終將輸出電壓穩定在給定電壓值。在電源正常工作的情況下，如果給定電壓發生變化，則輸出電壓也隨著給定電壓變化，實現一個隨動系統。

本系統一共用了4個中斷，分別為定時器0中斷、定時器1中斷、外部中斷 0、外部中斷 1。由外部中斷 1得到同步過零點，由外部中斷0采樣到的給定電壓值確定觸發角度，通過定時器1和定時器0在每個周期根據計算出來的觸發時刻分別觸發三相晶閘管。本系統中還采用了模糊自整定PID參數子程序、數據轉換子程序、數字濾波子程序以及延時程序等。在模糊自整定PID參數子程序中完成對PID參數的整定，在數字濾波子程序中通過算法得到與實際情況最符合的當前采樣值。系統主要流程圖如圖6、圖7所示。

圖6 T1中斷程序流程

圖7 T0中斷程序流程

本文所設計的輸出在0～250 V連續可調的直流電源，較其他的晶閘管裝置，本電源觸發電路簡單、可靠，輸出穩定，有效地將強電與弱電部分隔離開。目前該電源已應用在某高校的船舶電站模擬實驗室，將電壓調至180～220 V之間時，可通過接通啟動電路帶動電動機負載，并給電動機提供穩定不變的直流電壓；當電動機帶動發電機時，調壓系統能夠保持發電機帶動負載時系統輸出直流電壓不變。此外，該直流電源可同時給兩臺電動機供電并保持電壓不變，通過分別調節各臺電動機的勵磁，能夠達到粗同步并車的條件(即待并機組的電壓與運行機組的電壓大小相等、待并機組的頻率與運行機組的頻率數值相等)，將兩臺發電機并車，從而達了到船舶電站實驗教學的各項要求。

[1]孫麗賢，梁新福.三相線路中大功率單相負載的一種有效平衡方法[J].大連水產學院學報，1999，14(3)：36.

[2]陳念軍，胡容強，柏俊杰.基于單片機控制的輸出連續可調開關電源的設計[J].電氣應用，2006，25(4)：116-118.

[3]王喜蓮，王旭東.高精度晶閘管電壓線性數字觸發[J].電力電子技術，2000，34(3)：40-42.

[4]黃俊.電力電子變流技術[M].北京：機械工業出版社，1995.

[5]PILLAY P， KRISHNAN R.Modeling， simulation and analysis of permanent-motor drives， part I： the permanentmagnet synchronous motor drive[J].IEEE Transactions on Industry Applications， 1989，25(2)：265-273.