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摘要：本文基于高性能單片機設計了數(shù)字控制的功率直流開關電源。首先介紹了該電源的原理及整體設計方案，其次介紹了部分關鍵電路的硬件設計，采用軟件方式來實現(xiàn)功率直流電源的數(shù)字控制，給出了主程序及部分關鍵部分的程序流程圖。該電源具有輸出電壓連續(xù)可調、精度高、電路簡單、操作靈活等優(yōu)點。
直流穩(wěn)壓電源已廣泛地應用于許多工業(yè)領域中。在工業(yè)生產(chǎn)中(如電焊、電鍍或直流電機的調速等)，需要用到大量的電壓可調的直流電源，他們一般都要求有可以方便的調節(jié)電壓輸出的直流供電電源。目前，由于開關電源[1]效率高，小型化等優(yōu)點，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源、晶閘管穩(wěn)壓電源逐步被直流開關穩(wěn)壓電源所取代。開關電源主要的控制方式是采用脈寬調制集成電路輸出PWM 脈沖，采用模擬PID調節(jié)器進行脈寬調制，這種控制方式，存在一定的誤差，而且電路比較復雜[2]。本文設計了一種以ST 公司的高性能單片機μpsd3354 為控制核心的輸出電壓大范圍連續(xù)可調的功率開關電源，由單片機直接產(chǎn)生PWM 波，對開關電源的主電路執(zhí)行數(shù)字控制，電路簡單，功能強大[3]。
系統(tǒng)硬件部分由輸入輸出整流濾波電路、功率變換部分、驅動電路、單片機系統(tǒng)和輔助電路等幾部分組成。圖1為單片機控制功率直流電源結構框圖。 
圖1 單片機控制功率電源結構框圖
從圖1中可以看到，50Hz、220V的交流電經(jīng)電網(wǎng)濾波器消除來自電網(wǎng)的干擾，然后進入到輸入整流濾波器進行整流濾波，變換成直流電壓信號。該直流信號通過功率變換電路轉化成高頻交流信號，高頻交流信號再經(jīng)輸出整流濾波電路轉化成直流電壓輸出[1]�？刂齐娐凡捎肞WM脈寬調制方式，由單片機產(chǎn)生的脈寬可調的PWM控制信號經(jīng)驅動電路處理后，驅動功率變換電路工作。利用單片機高速ADC轉換通道定時采集輸出電壓，并與期望值比較，根據(jù)其誤差進行PID調節(jié)。電壓采集電路實現(xiàn)了直流電壓V0的采集，并使其與A/D轉換器的模擬輸入電壓范圍匹配，在開關電源發(fā)生過壓、過流和短路故障時，保護電路對電源和負載起保護作用。輔助電源為控制電路、驅動電路等提供直流電源。
3. 開關電源主電路設計
開關電源主電路是用來完成DC-AC-DC 的轉換，系統(tǒng)主電路采用全橋型DC-DC 變換器，如圖2 所示。本系統(tǒng)采用的功率開關器件是EUPEC 公司的BSM 50GB120DN2 系列的IGBT 模塊，每個模塊是一個半橋結構，故在全橋系統(tǒng)中，需要兩個模塊。每個模塊內嵌入一個快速續(xù)流二極管。 
圖2 功率直流電源主電路圖
4. 控制電路硬件設計
4.1 控制電路結構框圖
為了精確控制開關電路的電壓輸出，本系統(tǒng)采用脈寬調制方式調節(jié)開關管的工作狀態(tài)。根據(jù)電壓控制算法(可采用改進的PID 控制算法)設置單片機產(chǎn)生不同占空比的方波信號，經(jīng)過光電耦合器控制開關器件，調整電路輸出設定的電壓值。要使IGBT 正常工作，合適的驅動是至關重要的。驅動電路的任務是將控制電路發(fā)出的信號轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間、可以使其開通或關斷的信號。同時驅動電路通常還具有電氣隔離及電力電子器件的保護等功能。本系統(tǒng)采用富士電機公司的EXB系列的EXB841 型集成驅動器對IGBT 進行驅動[4]。
4.3 傳感器輸入通道與A/D 轉換
系統(tǒng)通過電壓傳感器采集電壓信號，經(jīng)過A/D 轉換被單片機接收。本系統(tǒng)采用CHV 系列霍爾電壓傳感器采集電壓，采用μpsd3354 單片機內部的A/D轉換器進行模數(shù)轉換，線路連接簡單，精度最大為5mV。基本能滿足控制要求。
5.3 PID調節(jié)子程序
PID調節(jié)由單片機來實現(xiàn)，單片機對給定信號與反饋信號相減得到的誤差來計算調整量，用以控制開關的占空比。算法中，做了一點修正，當偏差與積分符號相反時，積分清零。因為若符號相反，說明積分項起了反作用，故把積分項清零[5]。PID控制流程圖如圖5所示，參數(shù)KP、KI、KD在調試過程中設定。
6. 結束語
本系統(tǒng)將開關電源與單片機系統(tǒng)結合起來，設計了一種輸出電壓連續(xù)可調的功率開關電源。該電源精度高，電路簡單，操作靈活，具有良好的應用前景。單片機控制直流電源符合電力電子新技術產(chǎn)品向“四化”方向發(fā)展的要求，即應用技術的高頻化、硬件結構的模塊化、軟件控制的數(shù)字化、產(chǎn)品性能的綠色化。
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