智能大功率軟啟動恒流源的設計

王 銳,付慶波,王 彪,王金明,林冠男

（1.吉林大學 電子科學與工程學院 集成光電子國家級重點實驗室，吉林 長春 130012；2.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033）

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，易實現人機界面管理[3]。利用軟件調整系統的非線性，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、環境溫度等因素都將影響電源的穩定性。為了穩定地控制電源功率，該方案采用基于單片機的高速AD、DA數據采集系統，并采用PID算法實現大功率電源的軟啟動，系統采用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、穩定性較高[4]。

1 大功率精密恒流源的實現

1.1 電源系統設計

以單片機為核心，完成以下功能：處理鍵盤輸入數值，包括電路預定值和 “+”、“-”步進；控制數 LCD顯示預定值和實際值；控制ADC和DAC；根據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。輸出電壓經與負載串聯的小電阻采樣后，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)數控部分核心采用單C8051F，控制數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,由單片機送出數據經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。在該電源系統中，主要為負載提供大電流，采用PID控制算法控制負載的發光強度[5]。輸入為單片機經 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]。

圖1 OPA549構成可調大電流恒流源

(3)散熱及抗干擾

OPA549大功率管工作時產生恒定的大電流，功耗較大，產生的熱量較多，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為橫通斜線 ，音響設備上產生噪音。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以抗干擾。串繞磁環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

系統軟啟動的控制功能通過比例積分微分控制器實現。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、系統參數調整方便,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。其中比例調節器起到基礎調節作用,主要對控制系統的靈敏度和控制速度有影響。積分調節器可以自動調節控制量,消除穩態誤差,使系統趨于穩定。微分調節器可以減小超調,克服振蕩,同時加快系統的穩定速度,縮短調整時間,從而改善系統的動態性能[6]。

圖2 PID控制原理圖

PID控制器的輸出與輸入之間的關系可表達為:

式中:Ti為積分時間常數;Td為微分時間常數;Kp為比例系數;Ki為積分常數,Ki=Kp/Ti;Kd為微分常數,Kd=Kp/Td。

系統啟動時間較短,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,主要由電源、大電流恒流源、輸出大電流端采樣和控制系統組成，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,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,系統的光強也由零逐漸增大，完成啟動過程[7]。

PID控制系統軟啟動效果圖如圖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，防止了啟動過程產生過大的擾動電壓，產生過大的功率，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，易產生噪聲，這種隨機噪聲也會對輸出電流產生一定的影響。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，工作狀態穩定，能夠滿足大電流、大功率的需要。

該系統利用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，保存實驗數據。通過對測試結果的分析，系統在軟啟動的過程中，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。

[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的數控直流電流源設計[J].九江職業技術學院學報,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的試驗研究[J].工礦自動化，2003(4)：4-6.

[7]李婷婷,李洪波.數控大功率精密恒流源設計[J].通信電源技術，2006，23(5)：35-37.