基于單片機的高隔離度高壓電容儲能調壓系統設計

楊家志,鐘亞洲,蔣存波,易勝利

(桂林理工大學 信息科學與工程學院,廣西 桂林　541004)

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基于單片機的高隔離度高壓電容儲能調壓系統設計

楊家志,鐘亞洲,蔣存波,易勝利

(桂林理工大學 信息科學與工程學院,廣西 桂林541004)

摘要：為了使電感儲能系統中高壓電容器充電過程更加準確、安全、高效,設計了一種基于單片機的高隔離度高壓電容器充電調壓系統。該系統使用C8051F020單片機來采集電壓、控制調壓器、控制充放電以及顯示數據,通過使用光纖通信的隔離手段保證了實驗操作人員的安全。實驗結果表明,提出的一種根據電容器充電原理設計的電容充電延時算法能夠使電容器充電電壓達到99%的精確度。

關鍵詞：C8051F020;電容器充電;光纖隔離

在電感儲能型脈沖功率系統中,電感儲能系統是進行能量壓縮、產生高能脈沖的最重要裝置,而高壓電容器組又是電感儲能系統中初級能量存儲容器[1-2]。因此,設計一套能安全、高效、有較高精確度的電容器充電調壓系統對于整個電感儲能型脈沖功率系統的研制至關重要。在電容器充電調壓系統設計過程中主要有兩個問題亟需解決:首先,由于電容器電壓采集調壓電路跟電容器通過高壓變壓器和分壓電阻間接相連,電容器電壓最高可達20 kV,若調壓顯示操作電路與其直接相連,則可能帶來一定的人身安全隱患[3-4]。為此,采用光纖通信隔離技術,采集調壓端單片機和操作顯示端單片機直接通過光纖串口來傳輸數據,達到完全的隔離;其次,電容器通過電阻的充電過程需要一定的時間才能接近直流充電電源電壓值,具有一定的時間滯后性,因此,需要使用一定的預延時法來進行調壓,使得電容器最終充電電壓和目標電壓值達到比較高的精準度。

1系統整體設計

電容充電主回路由220 V交流電提供電源, 由

0～220 V電動調壓器及最高20 kV輸出的高壓變壓器組成升壓系統, 升壓電流再經過高壓硅堆整流, 通過100 kΩ的高壓電阻給4個1.04 μF/40 kV的脈沖電容器組進行充電。電容器正極還接有放電電阻和單片機控制的放電繼電器組成的放電回路來給電容器進行放電[5]，充放電回路原理如圖1所示。

整個調壓儲能系統由調壓控制采集端和按鍵操作顯示端組成,整體設計框圖如圖2所示。其中左邊部分為電壓采集調壓控制端,右邊為按鍵操作顯示端。在操作端進行目標電壓值選取,調壓確認后,相關調壓信息通過光纖串口傳送到采集調壓端進行調壓,調壓過程通過驅動調壓器中的直流電機來對調壓器輸出電壓進行調整,同時通過安裝在電容器上10 000∶0.667的分壓電阻對電容器端電壓進行測量采集, 從而形成一個采集電壓到調節調壓器輸出的反饋回路[6],且采集端采集處理的相關電壓信息也會通過串口傳送到操作端進行顯示。操作端還可發送指令來控制高壓繼電器，從而對電容器進行放電操作。

圖1　高壓電容器充放電原理圖Fig.1　Scheme of capacitor charge and discharge

圖2　高隔離度、高壓電容儲能系統整體設計框圖Fig.2　Design diagram of high-isolation and high-voltage capacitor charging system

2采集調壓電路和操作顯示電路的設計

調壓相關電路由兩部分組成:一部分是電壓采集以及對調壓器電機進行控制來對電容器電壓進行調整,與高壓部分相連,為高壓端;另一部分是對采集電壓以及調壓相關信息的顯示和調壓操作的按鍵檢測。這兩部分通過一對光纖收發器(安捷倫公司的HFBR1521/2521)組成串口進行通信,電路原理如圖3所示。

采集調壓端單片機使用C8051F020芯片自帶AD模塊來對電壓進行采集,采集使用12位AD,保證了足夠的電壓采集精確度, 代碼中電壓采樣每50 ms一個周期,取30次電壓采集的平均值作為一個采樣周期的電壓采樣值,采集電壓值來自于并聯到電容器組的分壓電阻組,因為C8051F020電壓采集內部基準電壓VREF=2.43 V,因此采用分壓比為10 000∶0.667。當調壓達最大值20 kV時,采集電壓為1.334 V,在基準電壓范圍內,可以正常測量。調壓器電機驅動使用H橋的LMD18200芯片作為直流電機驅動器,由采集調壓板IO端口直接控制,通過IO端口控制PWM波占空比來對電機轉速進行調整。調壓器上下限檢測由單片機輸入端口來監測。電容器放電繼電器的開合也由采集調壓端輸出端口來進行控制。

圖3　采集調壓電路和操作顯示電路原理Fig.3　Scheme of voltage regulator circuit and display circuit

操作顯示端單片機采用C8051F020芯片,顯示屏使用16塊16×16的點陣LED屏,使用操作顯示端的8個OUT端口進行顯示控制。按鍵狀態監測使用操作顯示端單片機的7個IN輸入端口。

采集調壓端和操作顯示端通過光纖串口連接通信,顯示的采集電壓值、調壓目標值、調壓幅度以及一些狀態參數通過采集調壓端的TX口，經過光纖傳輸到操作顯示端RX口進行接收處理顯示。按鍵狀態監測的操作信息通過操作顯示端的TX口傳輸到采集調壓端的RX口進行對應按鍵的操作。這樣高壓部分與操作顯示部分就完全隔離開來,保證了操作人員的安全。

3線性迫近調壓算法和改進算法

3.1線性迫近PWM調整算法

設調壓前一刻采集電壓值為VC0,目標電壓值為VD,當前采集電壓值為VC,那么PWM波占空比可以由下面公式得出:

(1)

PWM波由單片機內部的8位PWM發生器產生。最大占空比為PWM=0xFF,最小占空比為PWM=0x00,因此給調壓器電機設定一個較小的初始PWM占空比值,并且在調壓過程中使得越接近目標電壓值,調壓電機轉速越慢,最后停止而達到目標電壓值。取初始PWM值為0xAE,可以得到8位PWM占空比定時器調整公式:

(2)

經過測試,該PWM波占空比調整算法能夠在比較符合目標調壓值情況下進行調壓,精確度在85%左右。對高壓電容器充電測試選用5、7、10、12、15、17、20 kV這7個覆蓋試驗中常用的充電電壓值。每個電壓點測試10次取平均值,測試數據以及采集電壓見表1。其中:VD為調壓目標值;VC為測量實際調壓值;VC/VD為實際數據和目標數據的比例關系,可知目標調壓值越高,總體誤差的比例是逐漸縮小的,|VC-VD|這一偏差的絕對值為衡量調壓精確度的標準。目標值跟實際調壓值的情況如圖4所示。

可以看出，調壓實際值總體上是超過目標電壓值一定數量的,從數據結果上來看精確度也不夠理想。通過對電容器充電原理的研究, 可以確定是電容器充電電壓與充電電源電壓之間的延時所造成的，對于充電階段的研究就能得出更有效的一種電容器充電預測算法。

表1　調壓測試結果Table 1　Regulator test results

圖4　目標值和實際調壓值對比Fig.4　Comparision between target value and actual value of regulator

3.2改進的電容器充電算法

電容器充電系統通過控制調壓器電機進行調壓，升壓過程是線性的,電容器充電電壓是指數增長的,而所采集的電壓值(電容器端充電的電壓值)跟施加在電容器兩端的值(調壓器調壓達到的電壓值)并不是同步的。當調壓器已經調壓升壓達到目標值時,電容器端還沒有充電達到目標值,而采集的電壓值是電容器端充電的電壓值,沒有達到目標值,此時調壓器會繼續調壓,所以等采集到目標值時再停止調壓,電容器就會過充,從而影響調壓的精確度。通過計算可以得出有大約2 s的延時。因此,可以考慮在算法1的基礎上,在調壓達到目標電壓值60%、80%、90%和95%時分別停止調壓2 s左右,來進一步提高調壓的精確度。

根據電容器充電計算公式,設Vi為電容器初始電壓值;Vu為電容器充滿極限值,相當于目標電壓值;Vt為t時刻電容器上電壓值,則有下述關系:

(3)

又因為電源是通過電阻R來給電容器組C來充電,電容器初始電壓值近似為0,因此Vi=0,對于任意時刻t,電容器上電壓可以近似表示為

(4)

(5)

若已知某個時刻電容上電壓為Vt,根據常數可以計算出時間t。可知，當完全充滿時,Vt接近Vu,t是無窮大的。當t=RC時,電容電壓=0.63Vu;當t=5RC時,電容電壓=0.99Vu,已經接近充滿狀態。又因為所使用充電電阻的阻值為100 kΩ,電容器組電容值為4.16 μF,可以得出當t=RC≈0.416 s,電容充電電壓可達0.63Vu;當t=5RC≈2.08 s,電容充電電壓達到0.99Vu。在大約2 s之后電容器電壓可近似達目標電壓值。

采用經改進的電容器充電算法后,再次進行電容器充電調壓測試,測試電壓值點以及測試流程同3.1節。測試數據和采集電壓見表2。

表2　調壓測試結果Table 2　Regulator test results

從絕對誤差|VC-VD|可以看出,改進電容器充電算法后,這7個測試點絕對誤差的值大幅降低,調壓精確度有明顯的提高,最終調壓精確度穩定在99%以上。

4結論

根據高壓電容器充電的原理,設計了一套安全且高精確度的調壓系統,操作端和調壓端通過光纖隔離,達到了設計需求,改進了PWM迫近調壓算法,提出了一種準確度較高的電容器充電調壓算法,使得充電準確率達到99%以上。

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文章編號:1674-9057(2016)02-0368-04

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.030

收稿日期：2014-11-28

基金項目：國家自然科學基金項目(51167004);廣西自然科學基金項目(2013GXNSFBA019250)

作者簡介：楊家志(1981—),男,博士,教授,研究方向:電源及脈沖功率技術,jiazhi_yang@126.com。

中圖分類號：TP368.2

文獻標志碼：A

Design of high-isolation and high-voltage capacitor energy storage voltage regulation system based on microcomputer

YANG Jia-zhi, ZHONG Ya-zhou, JIANG Cun-bo,YI Sheng-li

(College of Information Science and Engineering,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)

Abstract:A charging system based on high-voltage capacitor bank as energy storage device is designed in this paper to make the charging system more precise safe and effective.C8051F020 MCU is used as control system for voltage acquisition,voltage regulating,voltage charging and discharging and data displaying.Optical fiber is used for isolating the communication to guarantee the safety of laboratory assistant.The experimental results indicate that the capacitor charging time delay algorithm based on the principle of capacitor charging which we put forward can achieve the precision of 99%.

Key words:C8051F020;capacitor charging;optical coupling isolation

引文格式：楊家志,鐘亞洲,蔣存波,等.基于單片機的高隔離度高壓電容儲能調壓系統設計[J].桂林理工大學學報，2016,36(2):368-371.