摘 要： 為了獲得穩(wěn)定的大電流,，設計了基于單片機控制的智能軟啟動大功率恒流源,，電流范圍0~8 A,最大峰值可達10 A。采用大功率運放OPA549構成大電流恒流源,利用PID控制算法實現(xiàn)了大功率電源的軟啟動和控制,。該方法設計的電源在軟啟動過程中超調量很小,，具有很好的穩(wěn)定性;在恒流源工作時,穩(wěn)定性也很好。
關鍵詞： 軟啟動,；PID,；大功率；恒流源
電源啟動過程中瞬時電流沖擊很大,，對電源和器件的使用壽命有很嚴重的影響,，采用良好的控制方法對啟動電流進行控制以減小其危害，使啟動過程中無瞬間沖擊且能連續(xù)變化,是電源啟動控制中關鍵的一步[1]。電源軟啟動方式就是控制輸出電壓和電流,，使負載的電壓和電流漸增,。對于線性時不變模型的被控對象適當整定PID參數(shù)可獲得較滿意的控制效果，可以很好地解決電流過大的問題[2],。PID控制能很好地解決啟動過程中震蕩和超調的問題,，可以更好地保護電源，且啟動可靠,、穩(wěn)定性強,。采用單片機作為控制器，編程靈活,、性價比較高,，易實現(xiàn)人機界面管理[3]。利用軟件調整系統(tǒng)的非線性,，以降低實測值與設定值之間的偏差,。電源電壓或電流的波動、電路元件的老化,、環(huán)境溫度等因素都將影響電源的穩(wěn)定性,。為了穩(wěn)定地控制電源功率，該方案采用基于單片機的高速AD,、DA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，并采用PID算法實現(xiàn)大功率電源的軟啟動，系統(tǒng)采用PID電壓采樣反饋控制輸出電流的恒定不變,，精度較高,、響應速度較快、靈活性較好,、穩(wěn)定性較高[4],。
1 大功率精密恒流源的實現(xiàn)
1.1 電源系統(tǒng)設計
以單片機為核心，完成以下功能：處理鍵盤輸入數(shù)值,，包括電路預定值和 “+”,、“-”步進；控制數(shù)LCD顯示預定值和實際值,；控制ADC和DAC,；根據(jù)得到的反饋信號通過程序控制算法進行偏差值補償。由于運放OPA549一路受D/A轉換器控制,，調整運放OPA549輸入端電壓 ,，一路為比例放大電路。當DAC輸出預定值或步進值后,電流源的輸出在 0 ~8 A范圍內變化,。輸出電壓經(jīng)與負載串聯(lián)的小電阻采樣后,，送入ADC，采樣值與預定值在單片機內部進行計算、比較輸出控制信號,，對偏差值進行補償,。利用軟件調整系統(tǒng)的非線性,，以降低實測值與設定值之間的偏差,。
1.2 電源電路設計
(1)數(shù)控部分核心采用單C8051F ，控制數(shù)控直流源的鍵盤和顯示,，與D/A轉換器和A/D轉換器控制輸出電流,。A/D轉換器的基準電壓由專門±9 V電源供電，D/A轉換器的基準電壓由+20 V電源供電,由單片機送出數(shù)據(jù)經(jīng)DAC轉換輸出控制電壓,。
(2)運放OPA549放大電路電流源,。OPA549是BB公司新推出的一種高電壓大電流功率運算放大器。它能夠提供極好的低電平信號,、輸出高電壓,、大電流，可驅動各種負載,。該器件的主要特點：輸出電流大,，連續(xù)輸出電流可達8 A，峰值電流可達10 A,；工作電壓范圍寬,，單電源為+8 V~+60 V，雙電源為±4 V~±60 V,；輸出電壓擺動大,；有過熱關閉功能，電流極限可調,；有使能及禁止功能,；有過熱關閉指示；轉換效率（壓擺率）最高為9 V/μs,；工作溫度范圍為-40℃~+85℃,。該器件主要應用于驅動工業(yè)設備、測試設備,、電源,、音頻功率放大器等大電流負載。在該電源系統(tǒng)中,，主要為負載提供大電流,，采用PID控制算法控制負載的發(fā)光強度[5]。輸入為單片機經(jīng) DAC輸出的控制電壓,，一路為比例放大電路,，如圖1所示增益G=1+R3/R2。電流型DAC通過R1轉換成電壓，控制OPA549,。輸出電流經(jīng)采樣電阻轉換為采樣電壓,， 送入A/D轉換器反饋至單片機進行偏差值補償[9]。
(3) 散熱及抗干擾
OPA549大功率管工作時產(chǎn)生恒定的大電流,，功耗較大,，產(chǎn)生的熱量較多，散熱成為該電源急需處理的問題,。一般的軸流風扇內部電機置有脈沖驅動電路,，驅動時，脈沖成分很容易直接順電機電源線“外溢”,，干擾其他電器設備,。視頻設備上干擾表現(xiàn)為橫通斜線 ，音響設備上產(chǎn)生噪音,。為此,，安裝大面積的銅散熱片，同時用風扇對設備中的電子元器件強制散熱,。安裝風扇時,，需要在風扇電機電源線上串繞一只高頻磁環(huán)以抗干擾。串繞磁環(huán)有效濾除這些干擾成分,一般只需繞上1～3匝即可,。
2 PID控制算法
系統(tǒng)軟啟動的控制功能通過比例積分微分控制器實現(xiàn),。通過比較給定信號與反饋信號的偏差, 并進行比例、積分,、微分等運算進行控制, 是技術較成熟,、應用、廣泛的一種控制方式,。其結構簡單,、靈活性強、系統(tǒng)參數(shù)調整方便,不需要求出模型 [6],。
PID控制原理如圖2 所示,。PID 控制是一種線性調節(jié)器, 它把設定值W與實際輸出值相減, 得到控制偏差e。偏差值e 經(jīng)比例,、積分,、微分后通過線性組合構成控制量U, 對對象進行控制。其中比例調節(jié)器起到基礎調節(jié)作用,主要對控制系統(tǒng)的靈敏度和控制速度有影響,。積分調節(jié)器可以自動調節(jié)控制量, 消除穩(wěn)態(tài)誤差, 使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定,。微分調節(jié)器可以減小超調, 克服振蕩, 同時加快系統(tǒng)的穩(wěn)定速度, 縮短調整時間, 從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能[6]。
式中: Ti為積分時間常數(shù); Td為微分時間常數(shù); Kp為比例系數(shù); Ki為積分常數(shù), Ki=Kp/Ti; Kd為微分常數(shù),Kd=Kp/Td,。
系統(tǒng)啟動時間較短, 啟動電壓,、電流較大, 負載所承受的沖擊也較大, 致使啟動階段負載的動負荷峰值遠遠大于正常運行時的負荷, 容易造成負載的損壞,。為解決此問題, 設計了一種新型的PID控制軟啟動電源系統(tǒng), 主要由電源、大電流恒流源,、輸出大電流端采樣和控制系統(tǒng)組成,，并完成了實驗室內的試驗。當電源啟動時, 首先由單片機系統(tǒng)給定設定電壓,、電流或功率,。PID軟啟動是按負載線性上升的規(guī)律控制輸出。在負載電壓線性增加的過程中, 如果電流超出了所限定的范圍, 則馬上投入電壓閉環(huán), 使電流值限定在所設定的范圍內后, 再線性逐漸增加電壓至額定值,系統(tǒng)的光強也由零逐漸增大,，完成啟動過程[7],。
PID控制系統(tǒng)軟啟動效果圖如圖3所示,。通過串行通信端口com1通信,，電壓單位mV、電流單位mA,，功率單位mW,，時間單位s。
從圖3的軟啟動效果圖可以看出,，在恒定電壓,、電流、功率的模式下工作時,，系統(tǒng)開機過程超調量很小,，有效地控制了啟動過程，防止了啟動過程產(chǎn)生過大的擾動電壓,，產(chǎn)生過大的功率,，有效地保護了負載。
3 實驗結果
由于輸出電流達到8 A,，對電源的功率要求較高,，易產(chǎn)生噪聲，這種隨機噪聲也會對輸出電流產(chǎn)生一定的影響,。為減弱這種噪聲 ,，各個模塊分別供電，以減少交叉干擾,，同時在電路板上多加裝去耦濾波電容,，減小干擾的影響，同時OPA549能有效地抑制紋波,。影響電源穩(wěn)定性的因素很多,如負載的變化,、取樣電阻的變化、A/D,、D/A的影響等[5],。如圖4所示,，不同負載的情況下，電源誤差不同,。10 W的負載,，由于功率較低，在電壓,、電流增加時,，誤差變化也較小。35 W的負載,，由于功率較大,，工作電流的變化范圍比較大，功耗較大,，電源的誤差變化相應地也比較大,。如圖5，在10 W,、20 W和35 W的負載時,，工作狀態(tài)穩(wěn)定，能夠滿足大電流,、大功率的需要,。
該系統(tǒng)利用PID 算法進行控制,采用大功率運放OPA549輸出電流在0~8 A范圍內可調，最大峰值可達到10 A,，能夠有效抑制紋波電流,，克服了傳統(tǒng)電流源輸出電流范圍小的缺點?？稍O置并能實時顯示輸出電壓,、電流、功率實測值,，具有 “+”,，“-”步進調整功能，輸出可在LCD12864顯示,同時通過RS232與上位機同步通信,，直接顯示,，保存實驗數(shù)據(jù)。通過對測試結果的分析,，系統(tǒng)在軟啟動的過程中,，超調量很小，啟動效果很好,，避免了對負載的沖擊,。由于大功率調整管的電流大范圍變化時，經(jīng)過軟件補償,、放大電路調整等方法解決線性度較差,，實測值和設定值存在偏差的問題 ,。該電源適用于大功率的場合，本電源具有很好的實用性,。
參考文獻
[1] Wang Yifeng,， Xu Dianguo， Guo Desheng,，et al. The new soft starting methods for electronics ballasts of UV lamps based on microcontroller[C]. Industrial Electronics and Applications, 2006 1ST IEEE Conference on.2006(5)：1-6, 24-26.
[2] Feng Zhuang, Liu Shu. Electric motor soft-start control based on fuzzy theory. Intelligent Networks and Intelligent Systems (ICINIS), 2010 3rd International Conference on, 2010:430-433.
[3] 陳忠華,郭鳳儀,石兆元.異步電動機軟啟動控制方法的研究與仿真[J].工礦自動化,2008(2):5-7.
[4] 王蓉,李偉民.基于80C196的數(shù)控直流電流源設計[J].九江職業(yè)技術學院學報,2009(4):27-29.
[5] 方佩敏.高電壓大電流功率運算放大器[J]. 電子世界,2000,9(252):44-45.
[6] 吳宏志,侯友夫,張偉,等.帶式輸送機可控啟動系統(tǒng)的試驗研究[J].工礦自動化,，2003(4)：4-6.
[7] 李婷婷,李洪波.數(shù)控大功率精密恒流源設計[J].通信電源技術，2006,，23(5)：35-37.