一種應用于輸電桿塔地網探測裝置的程控恒功率輸出電源

宋寧寧 賀樹平 韓鐵雷 朱連勇 劉富文 劉居輝

【摘 要】該程控恒功率輸出電源的關鍵在于輸出電壓的快速準確調整。主控芯片實時監測輸出功率的變化，通過PID控制算法，實現對輸出電壓快速而平穩的調節，該電源系統電路結構簡單，在實際應用中運行穩定，很好的實現恒定功率輸出功能。本文主要介紹了一種應用于輸電桿塔地網探測裝置的恒功率程控電源，重點介紹該系統的實現原理與設計方法。

【關鍵詞】輸電桿塔 程控 恒定功率 電源

【Abstract】The key to the constant power output programmable power supply that quickly and accurately adjust the output voltage. Master chip real-time monitoring variations in output power， through the PID control algorithm to achieve fast and stable output voltage regulation of the power system circuit is simple， stable operation in practical applications， to achieve a good constant power output.This paper describes a transmission tower is applied to network detection means constant power programmable power supply， focusing on principle and design method of the system.

【Key words】Transmission Tower；Programmable ；Constant Power ；Power Supply

1 技術背景

輸電桿塔的地網探測目前主要采用電磁感應的原理實現，由發射機與接收機兩部分構成。發射機向地網射線施加一定功率的交變電場，使地網射線向外輻射電磁信號并被接收機接收，接收機通過計算分析感應磁場的變化，得出地網射線敷設的路徑與埋藏深度信息。

傳統的穩壓電源只能輸出固定的電壓值，而在輸電桿塔地網探測的系統中，為保證在不同的接地環境下設備的輸出功率保持恒定，需要設計一種可以根據現場環境情況自動調節輸出功率的電源。為了滿足該需求，設計了這種恒功率輸出電源。

2 恒功率電源基本工作原理

電源的輸出功率 Pout=Uout*Iout ，實現恒定的輸出功率即要對電源的輸出電壓Uout與Iout進行調節。由于輸電桿塔的地網與大地構成的回路可以簡化的看成電阻，電感，電容構成的無源系統，保證輸出功率的恒定，只需改變輸出電壓或者輸出電流即可。考慮到輸出的是交變信號，同時調壓電源的技術更為普及，易于實現，所以該電源使用調節輸出電壓同時監測輸出電流的方法實現恒定功率的輸出。

該電源主要由電壓調節模塊，電流檢測模塊，電壓檢測模塊，主控模塊，顯示模塊與按鍵輸入模塊構成。總體控制流程圖如圖1所示

系統以主控模塊為控制中心實現整體運行，主控模塊選用型號為STM32F103的32位ARM微控制器作為控制核心，最高72MHZ工作頻率。電壓調節模塊實現對輸出電壓的調節，輸出電壓范圍0-30V，電流檢測模塊與電壓檢測模塊實現對輸出電流電壓值的測量，按鍵輸入模塊用于獲取用戶的按鍵操作，顯示模塊反應設備的整體運行情況，將電壓，電流，功率等信息顯示出來。主控模塊實時獲取輸出電壓與輸出電流的值，計算出系統的輸出功率，使用PID控制算法調節輸出電壓，實現恒定功率的輸出。

3 電壓調節模塊的實現

3.1電源芯片介紹

電壓調節模塊使用凌特公司（Linear Technology Corporation）推出高性能降壓-升壓開關穩壓控制器 LTC3780，該器件的輸入電壓可高于、低于或等于輸出電壓.。？LTC3780 采用單電感器工作，可提供高達 75W 的輸出功率，四開關同步整流可實現高達 97% 的效率.其恒定頻率電流模式架構允許高達 400kHz 的可鎖相頻率.LTC3780 具有 4V 至 30V （最高 36V）的寬輸入范圍和 0.8V 至 30V 的輸出范圍。它的典型應用電路如圖2所示。

圖2 LTC3780的典型應用電路

3.2電壓調節原理

LTC3780的V_FB端口，為電壓調節端口，通常由R1，R2兩個電阻構成電壓負反饋，達到穩定輸出電壓的要求。輸出電壓

Vout=0.8（1+R1/R2）。

要改變系統的輸出電壓，即改變改變該電路電壓負反饋的平衡狀態。通過添加調節電阻R3，并通過控制電壓V_Con實現輸出電壓輸出的可編程連續調節。電壓調節端口的電路如圖3所示。

電阻的R3的確定：

在控制電壓V_Con等于0V的時候，模塊輸出最高電壓Vmax=0.8（1+R1/（R2//R3））。R1=200k，R2=200k，Vmax=30V時，R3的值=5.63k。

為了保證系統的最終輸出在0.8V以下時也能穩定輸出.，電源的最終輸出端使用一個壓降1V左右的二級管進行降壓，因此LTC3780的輸出電壓要略高于30V，R3的電阻選擇需要保留一定余量，此處選擇了5.1k的電阻。

4 電流采樣模塊的實現

電流采樣模塊的電路圖如圖4所示，OutPut-為發射機信號輸出端負端口，模塊使用2.5Ω的電阻作為采樣電阻，該電阻將輸出的交流電流值轉換為電壓值，并使用運算放大器構成的電壓跟隨器做為緩沖級。電壓跟隨器的輸出端I_sensor連接到主控模塊的模擬信號采樣端口，主控芯片采用數字信號處理技術，計算出輸出交流電流有效值。

5 PID控制參數的設計

主控模塊使用PID控制算法實現輸出功率的快速穩定。PID是一個以比例（P）、積分（I）、微分（D）算法組成的閉環控制算法。它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制主要技術之一。

PID控制簡化方程：

△ Uk=A*e（k）+B*e（k-1）+C*e（k-2）

PID控制算法的程序實現部分并不難，重點在于ABC三個參數的選定，為了減少需要整定的參數，首先可以采用PI控制器進行調節，系統可以穩定實現功率調節后再加入微分控制算法。為了保證系統的安全，在調試開始時應設置比較保守的參數，例如比例系數不要太大，積分時間不要太小，以避免出現系統不穩定或超調量過大的異常情況。

6 結語

該程控恒功率輸出電源的關鍵在于輸出電壓的快速準確調整。主控芯片實時監測輸出功率的變化，通過PID控制算法，實現對輸出電壓快速而平穩的調節，該電源系統電路結構簡單，在實際應用中運行穩定，很好的實現恒定功率輸出功能。