5kW高頻通信電源整流及監(jiān)控系統(tǒng)
智能化高頻開(kāi)關(guān)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(diǎn)。目前應(yīng)用十分廣泛，尤其在通信領(lǐng)域，因其具有體積小、噪音低、維護(hù)方便又可被納入通信系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，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(jí)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)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(gè)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(dú)立的監(jiān)控功能，可完成對(duì)所監(jiān)控模塊的管理。本文將主要討論高頻開(kāi)關(guān)整流模塊和主監(jiān)控模塊。
1.1 高頻開(kāi)關(guān)整流模塊
整流模塊是一種智能化高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓模塊，其原理框圖見(jiàn)圖2。它采用無(wú)工頻變壓器的整流結(jié)構(gòu)，主要由PWM控制器、逆變器、信號(hào)取樣、單片機(jī)控制器及負(fù)載均流等部分組成。其中逆變器采用IGBT構(gòu)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(jī)80C196KC的控制下，根據(jù)反饋的電壓電流值與設(shè)定值的差，輸出相移變化的PWM脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)、放大及整形后，控制逆變橋中IGBT的關(guān)斷或?qū)ǎ愿淖冚敵鲭妷旱拇笮 ?nbsp;
為了實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的目的，本系統(tǒng)采用了負(fù)載自動(dòng)均流電路，其核心是Unitrode公司的UC3907負(fù)載均流控制器。當(dāng)多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，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(dāng)本模塊的電流小于CSB電流時(shí)，3907的輸出就會(huì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流的目的。
為使整個(gè)電源系統(tǒng)具有自診斷和人機(jī)交互的控制功能，每個(gè)整流模塊都具有本身的監(jiān)控部分，以擔(dān)負(fù)本地監(jiān)控以及與主監(jiān)控模塊通信的任務(wù)。整流模塊的單片機(jī)所承擔(dān)的任務(wù)是檢測(cè)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(fù)責(zé)開(kāi)啟冷卻風(fēng)扇、告警等，并允許各模塊退出或投入系統(tǒng)。
單片機(jī)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(shí)也接收來(lái)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(zhuǎn)換器，具有良好的抗干擾能力，適合應(yīng)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(gè)獨(dú)立的模塊，可監(jiān)控整個(gè)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(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)與外部PC或遠(yuǎn)端主機(jī)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(zhuǎn)換后與各模塊通信，又通過(guò)外接8250擴(kuò)展出RS-232接口與PC或遠(yuǎn)端主機(jī)通信。為實(shí)現(xiàn)本地的人機(jī)交互操作，系統(tǒng)采用了大屏幕的LCD界面和24鍵的鍵盤(pán)，并可直接外掛EPSON1600K打印機(jī)。為了滿足自動(dòng)監(jiān)控的需要，監(jiān)控模塊設(shè)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(cè)直流母線電壓、電流，當(dāng)電壓或電流大于上限設(shè)定值時(shí)，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(gè)模塊的退出和投入，從而使整個(gè)電源系統(tǒng)工作在穩(wěn)定的狀態(tài)下。
此外，為了整個(gè)電源系統(tǒng)的安全，主監(jiān)控系統(tǒng)還對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)網(wǎng)壓異常時(shí)，主監(jiān)控模塊將切除電網(wǎng)輸入，同時(shí)發(fā)出告警信號(hào)，并記錄故障信息。
２ 系統(tǒng)軟件
本系統(tǒng)采用集中管理、獨(dú)立控制的模式，各模塊都有自己獨(dú)立的監(jiān)控程序，當(dāng)個(gè)別模塊出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響整機(jī)運(yùn)行。由于篇幅限制，本文只給出監(jiān)控模塊的軟件結(jié)構(gòu)。
主監(jiān)控模塊軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各種功能都由相應(yīng)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(nèi)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(guò)后開(kāi)放中斷及PTS，并調(diào)用顯示初始化子程序，顯示系統(tǒng)主菜單可用鍵盤(pán)選擇各子菜單，包括運(yùn)行參數(shù)菜單、狀態(tài)菜單、故障記錄菜單及參數(shù)設(shè)置菜單。其中參數(shù)設(shè)置菜單僅供具有權(quán)限的維護(hù)人員使用，須輸入密碼才可進(jìn)行操作。通信握手通過(guò)發(fā)送特征碼55H及接收回彈的AAH來(lái)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(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，可接收鍵盤(pán)中斷，同時(shí)保持串口接收中斷有效。鍵盤(pán)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(diào)用完成，接收由中斷實(shí)現(xiàn)，按數(shù)據(jù)的不同類(lèi)型進(jìn)行相應(yīng)的處理。串口接收子程序如圖6所示。
由于本系統(tǒng)檢測(cè)的模擬量較多，對(duì)于A/D轉(zhuǎn)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(yùn)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(duì)多個(gè)A/D處理更為方便。表1是用于實(shí)現(xiàn)A/D的PTS中斷的命令塊。
首先在主程序中啟動(dòng)ACH4的A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)該轉(zhuǎn)換完成時(shí)，便引發(fā)一次A/D結(jié)束中斷，進(jìn)而產(chǎn)生一次PTS中斷。當(dāng)PTS中斷執(zhí)行時(shí)，它首先讀取PTS控制塊的內(nèi)容，如表2所示，依次為命令計(jì)數(shù)器，命令寄存器，源／目的寄存器和結(jié)果寄存器。根據(jù)源／目的寄存器的內(nèi)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(zhuǎn)換結(jié)果送入該寄存器，同時(shí)計(jì)數(shù)器減一，這樣完成一個(gè)PTS周期。直到計(jì)數(shù)器為零，PTS中斷結(jié)束。
３ 可靠性設(shè)計(jì)及抗干擾措施
·主電路中主開(kāi)關(guān)采用帶保護(hù)的IGBT模塊，并外加snnbber電路。
·加入冗余整流模塊，個(gè)別模塊出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響整機(jī)運(yùn)行。
·所有的保護(hù)及安全電路都設(shè)有全硬件繼電保護(hù)，各模塊入口設(shè)熔斷保護(hù)。
·為減少電磁輻射干擾的影響，對(duì)控制板進(jìn)行了屏蔽。
·采用單點(diǎn)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(hào)源地線和負(fù)載地線分開(kāi)設(shè)置。數(shù)字電路、模擬電路和負(fù)載電路分別單獨(dú)供電，獨(dú)自構(gòu)成回路且單點(diǎn)接地。
·加強(qiáng)電源退耦，電源線與地線之間加退耦電容。
·A/D轉(zhuǎn)換采用軟件濾波，以減小干擾的影響，提高測(cè)量和計(jì)算的準(zhǔn)確性。
·為防止微機(jī)控制器程序執(zhí)行出錯(cuò)或進(jìn)入死循環(huán)，設(shè)WATCHDOG，超出定時(shí)時(shí)間后能自動(dòng)使系統(tǒng)復(fù)位。
總之，本系統(tǒng)采用分級(jí)控制結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試、運(yùn)行穩(wěn)定，下一步將進(jìn)行產(chǎn)品化的研究。
１ 系統(tǒng)硬件原理
圖１示出整個(gè)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(dú)立的監(jiān)控功能，可完成對(duì)所監(jiān)控模塊的管理。本文將主要討論高頻開(kāi)關(guān)整流模塊和主監(jiān)控模塊。
1.1 高頻開(kāi)關(guān)整流模塊
整流模塊是一種智能化高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓模塊，其原理框圖見(jiàn)圖2。它采用無(wú)工頻變壓器的整流結(jié)構(gòu)，主要由PWM控制器、逆變器、信號(hào)取樣、單片機(jī)控制器及負(fù)載均流等部分組成。其中逆變器采用IGBT構(gòu)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(jī)80C196KC的控制下，根據(jù)反饋的電壓電流值與設(shè)定值的差，輸出相移變化的PWM脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)、放大及整形后，控制逆變橋中IGBT的關(guān)斷或?qū)ǎ愿淖冚敵鲭妷旱拇笮 ?nbsp;
為了實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的目的，本系統(tǒng)采用了負(fù)載自動(dòng)均流電路，其核心是Unitrode公司的UC3907負(fù)載均流控制器。當(dāng)多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，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(dāng)本模塊的電流小于CSB電流時(shí)，3907的輸出就會(huì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流的目的。
為使整個(gè)電源系統(tǒng)具有自診斷和人機(jī)交互的控制功能，每個(gè)整流模塊都具有本身的監(jiān)控部分，以擔(dān)負(fù)本地監(jiān)控以及與主監(jiān)控模塊通信的任務(wù)。整流模塊的單片機(jī)所承擔(dān)的任務(wù)是檢測(cè)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(fù)責(zé)開(kāi)啟冷卻風(fēng)扇、告警等，并允許各模塊退出或投入系統(tǒng)。
單片機(jī)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(shí)也接收來(lái)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(zhuǎn)換器，具有良好的抗干擾能力，適合應(yīng)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(gè)獨(dú)立的模塊，可監(jiān)控整個(gè)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(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)與外部PC或遠(yuǎn)端主機(jī)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(zhuǎn)換后與各模塊通信，又通過(guò)外接8250擴(kuò)展出RS-232接口與PC或遠(yuǎn)端主機(jī)通信。為實(shí)現(xiàn)本地的人機(jī)交互操作，系統(tǒng)采用了大屏幕的LCD界面和24鍵的鍵盤(pán)，并可直接外掛EPSON1600K打印機(jī)。為了滿足自動(dòng)監(jiān)控的需要，監(jiān)控模塊設(shè)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(cè)直流母線電壓、電流，當(dāng)電壓或電流大于上限設(shè)定值時(shí)，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(gè)模塊的退出和投入，從而使整個(gè)電源系統(tǒng)工作在穩(wěn)定的狀態(tài)下。
此外，為了整個(gè)電源系統(tǒng)的安全，主監(jiān)控系統(tǒng)還對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)網(wǎng)壓異常時(shí)，主監(jiān)控模塊將切除電網(wǎng)輸入，同時(shí)發(fā)出告警信號(hào)，并記錄故障信息。
２ 系統(tǒng)軟件
本系統(tǒng)采用集中管理、獨(dú)立控制的模式，各模塊都有自己獨(dú)立的監(jiān)控程序，當(dāng)個(gè)別模塊出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響整機(jī)運(yùn)行。由于篇幅限制，本文只給出監(jiān)控模塊的軟件結(jié)構(gòu)。
主監(jiān)控模塊軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各種功能都由相應(yīng)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(nèi)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(guò)后開(kāi)放中斷及PTS，并調(diào)用顯示初始化子程序，顯示系統(tǒng)主菜單可用鍵盤(pán)選擇各子菜單，包括運(yùn)行參數(shù)菜單、狀態(tài)菜單、故障記錄菜單及參數(shù)設(shè)置菜單。其中參數(shù)設(shè)置菜單僅供具有權(quán)限的維護(hù)人員使用，須輸入密碼才可進(jìn)行操作。通信握手通過(guò)發(fā)送特征碼55H及接收回彈的AAH來(lái)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(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，可接收鍵盤(pán)中斷，同時(shí)保持串口接收中斷有效。鍵盤(pán)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(diào)用完成，接收由中斷實(shí)現(xiàn)，按數(shù)據(jù)的不同類(lèi)型進(jìn)行相應(yīng)的處理。串口接收子程序如圖6所示。
由于本系統(tǒng)檢測(cè)的模擬量較多，對(duì)于A/D轉(zhuǎn)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(yùn)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(duì)多個(gè)A/D處理更為方便。表1是用于實(shí)現(xiàn)A/D的PTS中斷的命令塊。
首先在主程序中啟動(dòng)ACH4的A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)該轉(zhuǎn)換完成時(shí)，便引發(fā)一次A/D結(jié)束中斷，進(jìn)而產(chǎn)生一次PTS中斷。當(dāng)PTS中斷執(zhí)行時(shí)，它首先讀取PTS控制塊的內(nèi)容，如表2所示，依次為命令計(jì)數(shù)器，命令寄存器，源／目的寄存器和結(jié)果寄存器。根據(jù)源／目的寄存器的內(nèi)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(zhuǎn)換結(jié)果送入該寄存器，同時(shí)計(jì)數(shù)器減一，這樣完成一個(gè)PTS周期。直到計(jì)數(shù)器為零，PTS中斷結(jié)束。
３ 可靠性設(shè)計(jì)及抗干擾措施
·主電路中主開(kāi)關(guān)采用帶保護(hù)的IGBT模塊，并外加snnbber電路。
·加入冗余整流模塊，個(gè)別模塊出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響整機(jī)運(yùn)行。
·所有的保護(hù)及安全電路都設(shè)有全硬件繼電保護(hù)，各模塊入口設(shè)熔斷保護(hù)。
·為減少電磁輻射干擾的影響，對(duì)控制板進(jìn)行了屏蔽。
·采用單點(diǎn)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(hào)源地線和負(fù)載地線分開(kāi)設(shè)置。數(shù)字電路、模擬電路和負(fù)載電路分別單獨(dú)供電，獨(dú)自構(gòu)成回路且單點(diǎn)接地。
·加強(qiáng)電源退耦，電源線與地線之間加退耦電容。
·A/D轉(zhuǎn)換采用軟件濾波，以減小干擾的影響，提高測(cè)量和計(jì)算的準(zhǔn)確性。
·為防止微機(jī)控制器程序執(zhí)行出錯(cuò)或進(jìn)入死循環(huán)，設(shè)WATCHDOG，超出定時(shí)時(shí)間后能自動(dòng)使系統(tǒng)復(fù)位。
總之，本系統(tǒng)采用分級(jí)控制結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試、運(yùn)行穩(wěn)定，下一步將進(jìn)行產(chǎn)品化的研究。
| 【上一個(gè)】 基于DS80C320通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) | 【下一個(gè)】 通信電源在整體通信機(jī)房中的作用 |
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