智能大功率软启动恒流源的设计

摘 要： 为了获得稳定的大电流，设计了基于单片机控制的智能软启动大功率恒流源，电流范围0~8 A,最大峰值可达10 A。采用大功率运放OPA549构成大电流恒流源,利用PID控制算法实现了大功率电源的软启动和控制。该方法设计的电源在软启动过程中超调量很小，具有很好的稳定性;在恒流源工作时,稳定性也很好。
关键词： 软启动；PID；大功率；恒流源
   　电源启动过程中瞬时电流冲击很大，对电源和器件的使用寿命有很严重的影响，采用良好的控制方法对启动电流进行控制以减小其危害，使启动过程中无瞬间冲击且能连续变化,是电源启动控制中关键的一步[1]。电源软启动方式就是控制输出电压和电流，使负载的电压和电流渐增。对于线性时不变模型的被控对象适当整定PID参数可获得较满意的控制效果，可以很好地解决电流过大的问题[2]。PID控制能很好地解决启动过程中震荡和超调的问题，可以更好地保护电源，且启动可靠、稳定性强。采用单片机作为控制器，编程灵活、性价比较高，易实现人机界面管理[3]。利用软件调整系统的非线性，以降低实测值与设定值之间的偏差。电源电压或电流的波动、电路元件的老化、环境温度等因素都将影响电源的稳定性。为了稳定地控制电源功率，该方案采用基于单片机的高速AD、DA数据采集系统，并采用PID算法实现大功率电源的软启动，系统采用PID电压采样反馈控制输出电流的恒定不变，精度较高、响应速度较快、灵活性较好、稳定性较高[4]。
1 大功率精密恒流源的实现
1.1 电源系统设计
　以单片机为核心，完成以下功能：处理键盘输入数值，包括电路预定值和 “+”、“-”步进；控制数LCD显示预定值和实际值；控制ADC和DAC；根据得到的反馈信号通过程序控制算法进行偏差值补偿。由于运放OPA549一路受D/A转换器控制，调整运放OPA549输入端电压 ，一路为比例放大电路。当DAC输出预定值或步进值后,电流源的输出在 0 ~8 A范围内变化。输出电压经与负载串联的小电阻采样后，送入ADC，采样值与预定值在单片机内部进行计算、比较输出控制信号，对偏差值进行补偿。利用软件调整系统的非线性，以降低实测值与设定值之间的偏差。
1.2 电源电路设计
     (1)数控部分核心采用单C8051F ，控制数控直流源的键盘和显示，与D/A转换器和A/D转换器控制输出电流。A/D转换器的基准电压由专门±9 V电源供电，D/A转换器的基准电压由+20 V电源供电,由单片机送出数据经DAC转换输出控制电压。
　(2)运放OPA549放大电路电流源。OPA549是BB公司新推出的一种高电压大电流功率运算放大器。它能够提供极好的低电平信号、输出高电压、大电流，可驱动各种负载。该器件的主要特点：输出电流大，连续输出电流可达8 A，峰值电流可达10 A；工作电压范围宽，单电源为+8 V~+60 V，双电源为±4 V~±60 V；输出电压摆动大；有过热关闭功能，电流极限可调；有使能及禁止功能；有过热关闭指示；转换效率（压摆率）最高为9 V/μs；工作温度范围为-40℃~+85℃。该器件主要应用于驱动工业设备、测试设备、电源、音频功率放大器等大电流负载。在该电源系统中，主要为负载提供大电流，采用PID控制算法控制负载的发光强度[5]。输入为单片机经 DAC输出的控制电压，一路为比例放大电路，如图1所示增益G=1+R3/R2。电流型DAC通过R1转换成电压，控制OPA549。输出电流经采样电阻转换为采样电压， 送入A/D转换器反馈至单片机进行偏差值补偿[9]。
   
   
　 (3) 散热及抗干扰
　 OPA549大功率管工作时产生恒定的大电流，功耗较大，产生的热量较多，散热成为该电源急需处理的问题。一般的轴流风扇内部电机置有脉冲驱动电路，驱动时，脉冲成分很容易直接顺电机电源线“外溢”，干扰其他电器设备。视频设备上干扰表现为横通斜线 ，音响设备上产生噪音。为此，安装大面积的铜散热片，同时用风扇对设备中的电子元器件强制散热。安装风扇时，需要在风扇电机电源线上串绕一只高频磁环以抗干扰。串绕磁环有效滤除这些干扰成分,一般只需绕上1～3匝即可。
2 PID控制算法
　系统软启动的控制功能通过比例积分微分控制器实现。通过比较给定信号与反馈信号的偏差, 并进行比例、积分、微分等运算进行控制, 是技术较成熟、应用、广泛的一种控制方式。其结构简单、灵活性强、系统参数调整方便,不需要求出模型 [6]。
　PID控制原理如图2 所示。PID 控制是一种线性调节器, 它把设定值W与实际输出值相减, 得到控制偏差e。偏差值e 经比例、积分、微分后通过线性组合构成控制量U, 对对象进行控制。其中比例调节器起到基础调节作用,主要对控制系统的灵敏度和控制速度有影响。积分调节器可以自动调节控制量, 消除稳态误差, 使系统趋于稳定。微分调节器可以减小超调, 克服振荡, 同时加快系统的稳定速度, 缩短调整时间, 从而改善系统的动态性能[6]。
  

式中: Ti为积分时间常数; Td为微分时间常数; Kp为比例系数; Ki为积分常数, Ki=Kp/Ti; Kd为微分常数,Kd=Kp/Td。
　系统启动时间较短, 启动电压、电流较大, 负载所承受的冲击也较大, 致使启动阶段负载的动负荷峰值远远大于正常运行时的负荷, 容易造成负载的损坏。为解决此问题, 设计了一种新型的PID控制软启动电源系统, 主要由电源、大电流恒流源、输出大电流端采样和控制系统组成，并完成了实验室内的试验。当电源启动时, 首先由单片机系统给定设定电压、电流或功率。PID软启动是按负载线性上升的规律控制输出。在负载电压线性增加的过程中, 如果电流超出了所限定的范围, 则马上投入电压闭环, 使电流值限定在所设定的范围内后, 再线性逐渐增加电压至额定值,系统的光强也由零逐渐增大，完成启动过程[7]。
     PID控制系统软启动效果图如图3所示。通过串行通信端口com1通信，电压单位mV、电流单位mA，功率单位mW，时间单位s。