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斩波式智能双电源控制系统 说明书 前 言 现代电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用,是现代电力电子技术的具体应用。 当前,电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。 1. 课题来源 目前我国矿山矿用电机车的电源还大量采用可控硅直流电源变换器，其存在的主要问题是可靠性差，性能指标低。在电子技术飞速发展尤其是大规模集成电路广泛应用的今天。可控硅直流电源变换器面临着被淘汰的局面，都要被采用场效应管和IGBT管作功率控制器件的开关电源所取代。为发展我国的矿用直流电源变换器事业，我们必须开发研制采用场效应管和IGBT管作功率控制器件的矿用直流电源变换器产品。 在机车上，当启动直流牵引电机时，需要低电压、大电流，这样使电机得到大的启动转矩，而在工作的时候我们需要大的运行电压，小的电流。这就要求我们有一个这样的电源提供装置，过去一直采用的是人工改变两个DC电源的串并联来实现电压、电流的改变，这样就很难把握时间，需要一定的经验。还有就是在串并联的转换中，需要均压和均流，这些通过人工是很难实现的。还有在启动电机时，我们过去常采用启动电阻的方法来启动电机，这样浪费了大量的电能。 2、解决方法 基于以上问题，我们采用单片机设计了一套智能电源对机车进行供电。该智能电源由单片机控制，通过闭环控制，自动的实现串并联的转换，以及通过控制PWM的波形来控制IGBT的通断，来实现均压和均流。 3、优势 本文提出采用IGBT的斩控式调压器，用单片机控制IGBT的通断，电压电流的检测采用霍尔元件。使该调压器具有调节方便、迅速实现电压的串并联、动态响应快。由于采用的是PWM波，所以在启动电机时，就不采用常规的串启动电阻这种浪费电能的方法，节约了大量的电能。 一、系统工作原理 1、斩波调压的基本原理 斩波调压主电路如图2-1所示：主电路由功率开关V、储能电感L、续流二极管VD、滤波电容C和负载R组成。斩波调压开关电源的工作原理是：V导通时，电源一方面通过储能电感L向负载R供电，另一方面向储能电感L储存能量。V关断时，电感中的能量通过L、R、C和续流二极管VD将储存的电能放到电阻中去。储能电感L很小时，电感中的能量有可能在放完后V还没有开通，导致负载电流断续，一般情况下，将会造成输出电压纹波大、电源调整率变差等不良影响，因此这种情况是不希望出现的。 如图 2-2，电流连续时，负载电压平均值为： 其中，ton—V处于通态的时间；toff—V处于断态的时间；T —开关周期；???占空比。 理想斩波控制方式下，每个开关周期中斩波开关和续流开关互补工作，输出电压为： E 斩波开关导通 UO = 0 续流开关导通 式中 E——输入电源电压 图2—2 斩波原理图 2、系统工作原理 根据设计的要求和斩波调压的原理，采用IGBT管作为主电路的调压器件。采用单片机作为IGBT的主控器件，通过它产生PWM波来控制IGBT的开通和关断，从而达到调压和稳压的目的。通过单片机的I/O输出信号来控制继电器的通断，实现电源自动迅速串并联以及主机的启动，使电压和电流达到应用的要求。我们在软件上采用PID算法，闭环控制，通过对给定电压和输出电压的比较，实现外环稳压，通过两支路串联时进行电压比较，并联时进行电流比较，从而实现内环的均压和均流。 二、总体设计 本设计的对象是根据给定控制电压和电流。在给定较小时，两套DC电流支路并联给负载提供较大的启动电流，同时实现均流；在给定较大时，两套DC电流支路串联给负载提供较大的工作电压，同时实现均压。其中串并联的转换、均压、均流等由单片机控制完成。 1、硬件模块图 根据分析，其硬件原理框图如下。其中虚框内为主电路。输入的三相电压经变压器后分成两路支电流，分电流经过晶闸管整流桥和LC整流后，把交流变成可控的直流分量。直流电通过IGBT调压后，根据给定判断此时两条支路是并联还是串联对负载供电。 2、软件模块图 根据系统设计的要求，设计该系统软件模块图如下。通过主程序对各个子模块的调用即可实现对PWM波的生成、继电器的通断、AD的转换、数据的处理等工作。 各个模块的作用说明如下： 主程序模块：设置堆栈，清除各个内存单元，系统中断初始化等，以及完成对各个子模块的调用等作用。 数据采样模块：完成对7个通道的数据采样以及数据处理。 中断模块：控制PWM波的宽度，以实现对IGBT的通断控制。 串并转换控制模块：通过对KM2和KM3