5于ATmega16的智能数控高压直流电源的设计

第34卷第4期・734・2008年4月
电压技术
HighVoltageEngineering
V01.34NO.4
Apr.2008
基于ATmegal6的智能数控高压直流电源的设计
廖平,陈峰,马洪秋
(中南大学机电工程学院,长沙410083)
摘要:为满足高压电源小型化、智能化的要求,介绍了以ATmegal6单片机为核心的智能数控高压直流电源的软硬件实现方法。采用软件仿真和硬件电路调试相结合的方法,对模拟电路部分的主要功能模块进行了详细说明,重点讨论了控制电路中高频PWM方波产生的原理、驱动方案以及输出电压/电流信号的采样反馈,并简要叙述了其他控制电路的设计思路。试验证明:该电源完全可以于核辐射探
测仪器等领域,且具有密码保护、集成度高、数字控制、人机界面友好、输出电压持续可调、自动过压过流保护等优点。
关键词:ATmegal6;智能数控;高压直流;高频PWM方波;PWM驱动;过压过流保护
中图分类号:TM86文献标志码:A文章编号:1003-6520(2008)04-0734-05
DesignofIntelligentDigitalControlHVDCPowerSupplywithATmegal6
LIAOPing,CHENFeng,MAHong—qiu
(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:Thispapermainlyintroducestherealizationmethodofhardwareandsoftwareofintelligentdigitalcontrolhigh-voltagedirectcurrentpowersupplybytakingATmegal6asthecore.Boththesof
twareemulationandhard—warecircuitdebuggingareadoptedtoachievethosefunctionsofthepowersupply.Theworkprincipleofthesystem
isgenerallyintroduced.thentheanalogue
part
andthedigitalpartofthewholehardwarecircuitarealsointroduced,respectively.Thefunctionofthewholebridgeathwartconvertingcircuitandthedoublevoltagecommutingcircuitandtheselectionprincipleofthoserelatedcomponentsareexplained.Thegenerationprincipleofhigh—frequencyPWM(PulseWidthModulation)squarewaveanditsdrivingtechniqueaswellasthesamplingfeedbackoftheout—putvoltage/currentsignalarefocusedon.Thesoftwaredesignadoptsthemethodfordividingthemainta
skintoseveralmodules。takingtWOflowchartsofPWMcontrolandsteadyvoltageadjustmentforexamples.Thesystema—doptskeyboardandLCDtoimplementman-machineconversationandgetsfriendlyman—machineinterface.Testsshowthatthispowersupplycancompletelybeusedinthedomainsuchasnucleusradiationdetectioninstruments.Thispowersupplyhasmanyadvantagessuchaspasswordprotection。highly-integration。digitalcontrol,durativeoutputvoltageadjustingandautomaticallyover.v01tage/over-currentprotection.
Keywords:Atmegal6;intelligentdigitalcontrol;HVDC;high—frequency
PWMsquarewave;PWMdriving;over-voltage/over—currentprotection
0引言1系统基本工作原理
直流高压发生器广泛应用于高压电气设备的直流耐压试验、核辐射探测仪器等领域中。但早期的直流高压发生器多为模拟式控制,电压值由电压表头指示。这种控制方式调整麻烦、响应速度慢、精度低,更不能在大负载和其他异常情况下自动监测和自我保护。在升压方面采用低频或中频技术,电源体积大、电路复杂[1矗]。而高压电源的小型化、智能化是当今电源技术发展的重要方向之一[3]。本文设计中以ATmegal6单片机作为控制核心,采用IG—BT作为开关功率管,使用高频PWM技术(逆变频率选常用的20kHz),减小了升压器体积,实现了数字控制和自动监测和保护,很好地满足了上述要求。
系统工作原理框图见图1,工频交流电(220v/50Hz)经过全桥整流、滤波后得到约310V的直流电压,在ATmegal6单片机产生的PWM信号控制下,经过全桥逆变电路转换为占空比可调的高频方波交流电压,再送至高频变压器进行升压。升压后经过倍压整流即得到所需的直流高压输出供给负载使用。在高压输出端用霍尔传感器进行电压电流采样反馈给单片机处理。控制系统的核心器件AT—megal6单片机通过键盘输入和液晶显示实现人机对话,根据所输入的电压参数经计算后输出所需占空比的PWM信号,PWM信号经隔离和驱动后供全桥逆变电路工作;单片机对反馈的电压电流信号进行A/D转换和计算,将结果实时地显示在液晶屏
 万方数据
2008年4月高电压技术第34卷第4期・735・
考罄篆谶萎喜淼誓器50H肼珥犀
的占空比使输出电压稳定;或在电压过高时关闭电:’l滤波厂]逆变厂一I升压压输出,实现过压过流保护。f
2电源主电路设计
电源主电路中的整流滤波电路和高频升压电路
原理简单,且技术已相当成熟,在此不再赘述。本文
就全桥逆变电路和倍压整流电路设计进行阐述。
2.1全桥逆变电路
全桥逆变电路见图2,由H桥电路、电容C。和
升压器T。的原边组成。功率开关管选用日本富士
公司生产的绝缘栅极晶体管(IGBT)1MBH50D-060
(600V/50A),此IGBT管能连续监控电流,实现
鞋帮
高效的过流保护和短路保护;管内集成有过热保护
和欠压锁定保护电路,还集成有快速恢复二极管作
为缓冲保护,进一步提高了系统的可靠性。图2中
互为对角的两个IGBT管在PWM信号控制下轮流
导通和截止,这样就在升压器T,的原边产生了高频
矩形交流方波电压,供升压器升压[4。6]。图中电容
C1选取耐压>350V,容值0.1“F即可,既起到隔直
作用,还能有效滤除高频方波中的尖峰电压。
主轴加工
2.2倍压整流电路
倍压整流电路适用于输出直流高电压、小电流
的场所。采用倍压整流电路不仅可以使整机缩小体
积、减轻重量,而且还具有输出电压稳定、脉冲幅度
低、自动适应负载变化,即具有软的负载特性的优
点U,s3。设计中采用4倍压整流电路输出直流高压,
电路由4个倍压电容器和高压整流硅堆(4个二极
管)组成(见图3)。
分析可知,待电路稳定后,除电容C。上的充电
电压为U(变压器副边输出电压)外,其余电容上的
电压均为2U。负载R,上得到Cz、C4上的电压之和当铺网
即为4U,达到了4倍压的目的。倍压电容的选取与
电源的最大输出电流和电路开关频率有关,一般先
用经验公式计算再经实验调试后确定[9]。本设计中
容值取为750pF,电容耐压值和整流硅堆的反向耐
压值均为2U=25kV,考虑留有一定的余量,最大耐
压值取为30kV。
3控制电路设计
数控高压电源控制电路的核心是ATmegal6
单片机,要求单片机系统能进行电压设定,实现对电
压的实时闭环控制,实时采样并显示当前输出的电
流电压参数,以下分别叙述。
3.1PWM发生电路设计
以往高压发生器中PWM方波的产生是借助于霪舞伴
PWM驱动器I
PWM信号l
厂—A—T—m翮egal6.皇垦皇堕垦堡堡兰
L!竺!竺竺竺.!里!
键盘lI显示
图1智能数控高压直流电源工作原理框图
Fig.1Workingprinciplechartofintelligentdigital
controlHVDCpowersupply
DC310V
图2全桥逆变电路图
Fig.2Circuitdiagram
ofwholebridgeathwartconverting
图3倍压整流电路图
Fig.3Circuitdiagram
ofdoublevoltagecommutation
专用的PWM发生芯片,如SG3525、TL494等,通
过调节给定比较电压值来输出不同占空比的PWM
方波。如要实现数字输入控制,还要给单片机外接
D/A转换芯片将数字控制信号转换为模拟电压控
制信号。外部电路复杂且精度不高,如PWM信号
的死区时间通过外接R、C元件来决定,不方便调节
且特定值的元件选取也比较麻烦;输入比较电压值
容易受外界的干扰而导致输出PWM波占空比发生
意外变化。本设计中利用ATmegal6单片机相频
修正PWM功能来产生高精度的、相位与频率都准
确的PWM波形,仅用一片单片机便实现了数字控
制输出所需占空比PWM方波的功能,集成度高且
相频稳定。工作原理简述如下:相频修正模式
PWM波形的控制和输出是在ATmegal6单片机的
16位计数器/定时器T/C,基础上实现的(见图4),
相频修正PWM模式基于双斜坡操作,计时器重复 万方数据
・736・Apr.2008HighVoltageEngineeringV01.34No.4地从BOTTOM计数到TOP,然后又从TOP倒退
回到BOTTOM。在一般比较输出模式下,当计时器往TOP计数时若数据寄存器TCNTl与输出比较寄存器OCRIA/OCRIB匹配,输出引脚OClA/OClB将清0为低电平;而当计
时器往BOTTOM计数时TCNTl与OCRlA/OCRlB匹配,OClA/OClB将置位为高电平。工作于反向输出比较时则正好相反。由于OCRlA/OCRlB中的比较匹配值在BOTTOM处得到更新,上升与下降斜坡长度始终相等,因此输出脉冲在所有的周期中均为对称信号,确保了频率的正确口“12]。
本设计中采用固定的PWM频率,故使用ICRl寄存器定义固定TOP值,这样OCRlA和OCRIB就可以输出两路PWM方波。为使输出的两路PWM波相位相差180。,设置T/C。的TCCRlA(控制寄存器A)一OxbO,TCCRlB(控制寄存器B)一Oxll,即OCRlA升序计数时匹配清0,降序计数时匹配置位;OCRlB升序计数时匹配置位,降序计数时匹配清0。采用相频修正PWM模式8,输入捕捉寄存器ICRl用来寄存固定的TOP值。电源逆变频率为当前最常用的20kHz,单片机系统晶振为8MHz的无源晶振,直接用作计数器的工作时钟,即分频因子N=1,由图4可知,ICRl中的TOP—Fcru/2Nf=200。为使输出的两路PWM波幅度相等、相位相反,输出比较寄存器中的值应满足如下关系:若当前OCRlA中的比较值为C,则OCRlB中的比较值应为TOP—C。设当前的占空比为N,则:N=2C/200=C%。此占空比为输出的总占空比,输出的两路PWM方波占空比各为N/2。为防止上下两桥臂同时导通,规定系统最大占空比为90%,则两路PWM方波之间的死区时间t。。与1MBH50n060最大导通时间和最大截止时间(由数据手册查得)之和两者的关系如下式,toff-一-
1X90%I(20x103Ⅻ)=2.5弘s>O.6+0.35----0.95弘s,可知预留的死区时间足以保证系统的安全。
3.2PWM驱动电路设计
从单片机中输出的PWM方波最高电压值只有5V,而选用的IGBT管导通工作所需的门射极电压范围为10~20V,故需要经过驱动才能提供IGBT管正常工作。本设计中采用两片IR2113分别驱动同侧的两路桥臂,高压侧驱动采用悬浮自举电源电路,其自举原理简述如下:IR2113驱动半桥的电路见图5,图中C-、D。分别为自举电容和二极管、c2为Ucc的滤波电容。假定在S,关断期间C,已充到足够的电压(【,ct≈-Ucc)。当HIN为高电平时UM。开通,UM2关断,Ucl加到S,的门极和发射极之间,C,通过
OCRlB-一
OCRlA.一・
80裟j曲封』曲ioc。B
r]r]r]广1厂
图4相频修正PWM产生原理图
Fig.4Principlechartofphaseandfrequency
modificationPWMgeneration
图5IR2113自举驱动半桥电路原理图
Fig.5CircuitdiagramofIR2113Self-raise
todrivehalfbridge
【,M-、R。和S。门极栅极电容Cgcl放电,C。,被充电,此时Uc。可等效为一个电压源。当HIN为低电平时UM:开通,UM。关断,S。栅电荷经开关二极管D。、【,№迅速释放,S。关断。经短暂的死区时间之后,LIN为高电平,S:开通,己厂cc经D。、S:给C,充电,迅速为C。补充能量。如此循环反复[13’14|。
自举电路中最重要的是自举电容和自举二极管的选取,选取原则如下:假定在器件导通后,自举电容两端电压比器件充分导通所需要的电压(最小值为8.5V)要高,再假定在自举电容充电路径上有4.3V的压降(快恢复二极管FRl04最大正向压降1.3V,IGBT导通时饱和压降最大为3.0V),最后假定有1/2的栅电压(栅极门槛电压UTH通常为3~5V)因泄漏电流引起电压降。1MBH50D-060充分导通时所需要的栅电荷Q约为250nC,泄露电流J。=20
mA(由特性曲线查得),Ucc=15V。综合上述条件,此时选用的自举电容应满足下式:C-=(21。Q。)/(Ucc—L厂f—ULs)≈0.27弘F。理论上自举电容C应选取较大的容值以存储更多的电荷保证IGBT管的充分导通;但从低压侧最窄导通时间考虑,下管的最窄导通时间应保证自举电容能够充足够的电荷,以满足C。。所需要的电荷量再加上功率器件稳态导通时因漏电流所损失的电荷量,所以自举电容应足够小以满足快速充电口引。设计中经过计算和调试,最终选取容值为0.47弘F、耐压值为50V的钽电容。自举二极管阻断直流干线上的高压,所承受的电流是栅极电荷与开关频率之积,设计中选择FRl04(最高反压为400V,最大反向漏电流为5
 万方数据
2008年4月高电压技术第34卷第4期・737・
图6电压信号采样电路
Fig.6Samplingcircuitofvoltagesignal
图7电流信号采样电路
Fig.7Samplingcircuitofcurrentsignal
弘A)的快恢复二极管作为自举二极管。
3.3电压电流反馈信号采样电路
ATmegal6单片机内集成了8通道10位的A/D转换器,故采样得到的电压电流信号经过前置电路处理后直接送入单片机中进行A/D转换。设计如布:反馈电压的采样见图6,为使采样系统与高压电路隔离,先用分压比为100:1高精度温度敏感系数低的高压电阻分压器取样0~500V的电压输出,再经霍尔电压传感器转换为0~5V的输出。为防止反馈电压对A/D转换器件的冲击,输出电压经过LM741同相跟随器(作缓冲用)后,一路经电容去耦接到单片机的A/D转换ADO口;另一路输出电压通过电压比较器LM311,与设定的电压(电压值由稳压二极管决定)进行比较,一旦输出电压高于设定电压,LM311输出便翻转为高电平,接到IR2113的SD端关断IR2113的输出,同时单片机内部通过软件关闭PWM输出,实现系统的两级过压保护。
电流反馈的采样见图7,用变比为1:10的电流互感器从母线上直接互感得到10倍的电流值,经过精密I/V转换芯片MAX471转换成电压信号,再通过LM741进行增益放大,放大后的电压信号再接入到单片机的A/D转换ADl口供单片机处理。3.4其他控制电路设计
因系统需要进行电压参数输入、电压电流反馈值的实时显示等,设计了矩阵键盘和液晶显示作为人机对话的媒介。针对ATmegal6集成的512字节的EEPROM,系统还设计了密码保护功能。开机时CPU从EEPROM中读出预设的密码,与用户输入的密码比较,输入正确方可启动电
源;用户还可以修改密码,修改后的密码送入EEPRoM中覆盖原来的预存密码。密码保护的设计能有效地阻止非技术人员开机可能造成的意外。
4系统软件设计
整个系统软件设计采用了模块化的程序设计思想,将每个具体的功能分别集成在独立的子程序模块内,这样可以使程序结构清晰,功能调用简单方便[1引。编程语言选择结构清晰、可读性强、移植性高的C语言,利用单片机本身的JTAG接口,结合相关的软件开发平台,提高了软件开发的效率。整个系统软件包括键盘扫描模块、液晶显示模块、密码修改模块、脉宽调制控制模块、A/D转换模块、稳压调节模块和过压过流保护模块等。本文仅给出PWM控制模块和稳压调节模块流程图(见图8、9)。5结语
与以往的高压发生器相比,本文电源最大的优点是集成度高、功能齐全。许多由外围硬件电路实现的功能都集中到单片机中由单片机来完成;尤其是可调占空比PWM方波的产生,不依赖于PWM
离心制丸机
 万方数据
FOSY・738・Apr.2008HighVoltageEngineeringV01.34No.4
中断程序入口
I电压参数输入
弋≯/念.
计算得PWM占空比
透平式压缩机
计算得T/C。比较匹配值
更新比较寄存器ocRlA/ocRlB值
中断返回
图8PWM控制流程图
Fig.8Flowchartof
PWMcontrol
图9稳压调节流程图
Fig.9Flowchartofsteadyvoltageadjustment
发生芯片,采用单片机硬件加软件的方法来实现,控制简单,相频稳定且精度很高。且由于电源可以在o~50kV内输出电压持续可调,具有通用性,故可适用于多种高压电源的应用场所。
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廖平1964一,男。博士,教授,主要从
事计算机监控、机电一体化技术
研究。电话:(0731)8830245;E—
mail:liaopin90@163.corn
廖平
Ph.D.LIAOPing
收稿日期2007—06—06
编辑任明
 万方数据

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