在斷路器可靠性試驗(yàn)設(shè)備中,，試驗(yàn)電源的穩(wěn)定、精確是保證測試可靠的基礎(chǔ),。否則,，無論是在斷路器出廠試驗(yàn)還是型式試驗(yàn)中，都會(huì)因?yàn)闇y試電源的波動(dòng)使校驗(yàn)后的產(chǎn)品存在著合格品被判為不合格,，而不合格品被判為合格的可能,。傳統(tǒng)恒流源制作是利用二極管、三極管,、集成穩(wěn)壓源的特性制作的參數(shù)穩(wěn)流器,、串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)流電源、開關(guān)穩(wěn)流源等,，但往往存在著輸出電流范圍小,、穩(wěn)流精度不高,、效率較低、可靠性較差,、輸出紋波大等缺點(diǎn),。我們設(shè)計(jì)了一種基于AT89C51的恒流源控制系統(tǒng)，電流輸出0?100A,，電流精度≤2%,，電壓輸出15V，能實(shí)現(xiàn)快速,、高精度,、靈活、多功能的控制要求,，在斷路器可靠性試驗(yàn)中提供了穩(wěn)定,、精確的試驗(yàn)電源。
主電路的組成
主電路是由電壓電流調(diào)節(jié)電路,，升流變壓器,，電流檢測反饋電路，輸入控制和顯示等幾部分電路構(gòu)成的,，以上各個(gè)模塊都是由AT89C51來控制的,，其總體構(gòu)架如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
1 電壓電流調(diào)節(jié)電路
電壓調(diào)節(jié)模塊主要由變壓器和DS1267數(shù)字電位器構(gòu)成,，單個(gè)DS1267可調(diào)精度最大為16位,，可知單次最小變化量為1/512，對于220V電壓來說基本可認(rèn)為是線性關(guān)系,，符合恒流源的電壓調(diào)節(jié)精度,。電流調(diào)節(jié)模塊主要由TDA2030芯片和大功率晶體管2SA1302、2SC3281組成的,。其中,，2SA1302與2SC3281組成推挽功率放大結(jié)構(gòu),，為了增加輸出電流,，采用了兩路相同結(jié)構(gòu)的并聯(lián)電路，其電路如圖2所示,。
圖2 推挽功率放大電路
圖2中,，當(dāng)輸入電壓信號時(shí)，由于IN4001兩個(gè)二極管的動(dòng)態(tài)電阻很小,，且R2的阻值較小,，可以認(rèn)為2SA1302管基極電位的變化與2SC3281管基極電位的變化近似相等，兩個(gè)基極的電位隨輸入電壓uin產(chǎn)生相同的變化,。當(dāng)處于輸入信號的正半周,，且uin逐漸增大時(shí),，2SA1302管基極電流隨之增大，發(fā)射極電流也必然增大,，負(fù)載電阻（即升流變壓器）RL上得到正方向的電流,；當(dāng)uin減小到一定數(shù)值時(shí)，2SC3281管截止,。因此輸入信號的正半周主要是2SA1302管發(fā)射極驅(qū)動(dòng)負(fù)載,。同樣道理，負(fù)半周期主要是2SC3281管發(fā)射極驅(qū)動(dòng)負(fù)載,。
2 升流變壓器
本試驗(yàn)要求產(chǎn)生0～100A的大電流,，考慮到本電流源用于斷路器在線檢測，斷路器觸點(diǎn)接觸電阻是15mΩ,，這樣在負(fù)載上消耗的功率應(yīng)該為P=I2R=1002×0.015=150W,。負(fù)載消耗功率150W，考慮變壓器效率及功率裕度,，我們選用升流變壓器的額定容量為500VA,。
鐵芯面積S與升流變壓器功率P滿足下面經(jīng)驗(yàn)公式：ln（S）=0.498×ln（P）+0.22。帶入功率P=500VA,，可算出鐵芯截面積S=53.144cm2,。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取S=54cm2,，選用硅鋼片中間舌尺寸a=6cm,，疊厚尺寸b=9cm。
根據(jù)鐵芯截面積S和鐵芯的磁通密度B,，初級線圈的每伏圈數(shù)N可由下式確定：ln（N）=-0.494×ln（P）－0.317×ln（B）＋6.439,。采用質(zhì)量優(yōu)良的硅鋼片，鐵芯B值取11000高斯,，計(jì)算得到每伏匝數(shù)N=0.831,。初級電壓取220V，初級匝數(shù)N1=220×0.831=183,；次級電壓取7V,，次級匝數(shù)N2=7×0.831=6。
初,、次級匝數(shù)以及次級最大電流100A,，次級電流：I1=I2×N2/N1=3.4A。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),，每安培電流分配0.3mm2導(dǎo)線截面積,。這樣初級導(dǎo)線截面積為1.02mm2，初級導(dǎo)線可選用135mm2扁銅線。次級導(dǎo)線截面積為30mm2,，次級導(dǎo)線可選用240mm2扁銅板,。
3 電流檢測反饋電路控制顯示模塊
電流檢測反饋模塊由電流互感器、精密絕對值電路,、有源低通濾波器以及A/D轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成,。根據(jù)輸出電流，我們選擇DHKYZ-500型號電流互感器作為電流采樣傳感器,，該傳感器滿量程電流為500A,，滿量程次極輸出電流為100mA，為了滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入量程（0～5V）的要求,。A/D轉(zhuǎn)換需要直流信號,，因此需對交流信號進(jìn)行調(diào)理，本設(shè)計(jì)所用的精密整流電路如圖3所示,，該電路主要由兩個(gè)雙運(yùn)算放大器TL062和相關(guān)元器件組成,。電路的輸入電壓uin為電流互感器感應(yīng)輸出的電流。
圖3 精密整流電路
如圖3所示,，當(dāng)ui》0時(shí),，Dl導(dǎo)通，D2反向阻斷,，可以算出u11=-ui/2,，u12=-u11=ui/2》0；當(dāng)ui《0時(shí),，Dl反向阻斷,，D2導(dǎo)通，對于第一個(gè)運(yùn)算放大器TL062,，可得u11=-ui/3,，從而可以算得u12=-ui/2》0，u21=-2u12,，最后得uo=-u21=2u12,，所以輸出全波整流波形。
由于精密整流電路輸出的信號是脈動(dòng)直流信號,，不能直接作為AD采樣的輸入信號,，因此還必須先經(jīng)過低通濾波器，濾除交流分量,，取出直流分量,，再給A/D轉(zhuǎn)換器輸入。
4 控制顯示模塊
目前工業(yè)控制中的LED顯示驅(qū)動(dòng)電路普遍采用一種定時(shí)或中斷控制方式,，這種方式要占據(jù)CPU一部分時(shí)間，而且動(dòng)態(tài)顯示往往具有亮度不夠，閃爍等特點(diǎn),，而靜態(tài)顯示又有硬件電路復(fù)雜等缺陷,。本系統(tǒng)采用OD-DM12864液晶模塊，其可直接與微機(jī)串行口相連,，完全解決了LED顯示的諸多不足,。用戶只需對位和控制寄存器編程，就可選擇譯碼方式,、顯示亮度,、關(guān)閉等功能。
在斷路器可靠性試驗(yàn)設(shè)備中,，試驗(yàn)電源的穩(wěn)定,、精確是保證測試可靠的基礎(chǔ)。否則,，無論是在斷路器出廠試驗(yàn)還是型式試驗(yàn)中,，都會(huì)因?yàn)闇y試電源的波動(dòng)使校驗(yàn)后的產(chǎn)品存在著合格品被判為不合格，而不合格品被判為合格的可能,。傳統(tǒng)恒流源制作是利用二極管,、三極管、集成穩(wěn)壓源的特性制作的參數(shù)穩(wěn)流器,、串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)流電源,、開關(guān)穩(wěn)流源等，但往往存在著輸出電流范圍小,、穩(wěn)流精度不高,、效率較低、可靠性較差,、輸出紋波大等缺點(diǎn),。我們設(shè)計(jì)了一種基于AT89C51的恒流源控制系統(tǒng)，電流輸出0?100A,，電流精度≤2%,，電壓輸出15V，能實(shí)現(xiàn)快速,、高精度,、靈活、多功能的控制要求,，在斷路器可靠性試驗(yàn)中提供了穩(wěn)定,、精確的試驗(yàn)電源。
主電路的組成
主電路是由電壓電流調(diào)節(jié)電路,，升流變壓器,，電流檢測反饋電路,，輸入控制和顯示等幾部分電路構(gòu)成的，以上各個(gè)模塊都是由AT89C51來控制的,，其總體構(gòu)架如圖1所示,。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
1 電壓電流調(diào)節(jié)電路
電壓調(diào)節(jié)模塊主要由變壓器和DS1267數(shù)字電位器構(gòu)成，單個(gè)DS1267可調(diào)精度最大為16位,，可知單次最小變化量為1/512,，對于220V電壓來說基本可認(rèn)為是線性關(guān)系，符合恒流源的電壓調(diào)節(jié)精度,。電流調(diào)節(jié)模塊主要由TDA2030芯片和大功率晶體管2SA1302,、2SC3281組成的。其中,，2SA1302與2SC3281組成推挽功率放大結(jié)構(gòu),，為了增加輸出電流，采用了兩路相同結(jié)構(gòu)的并聯(lián)電路,，其電路如圖2所示,。
圖2 推挽功率放大電路
圖2中，當(dāng)輸入電壓信號時(shí),，由于IN4001兩個(gè)二極管的動(dòng)態(tài)電阻很小,，且R2的阻值較小，可以認(rèn)為2SA1302管基極電位的變化與2SC3281管基極電位的變化近似相等,，兩個(gè)基極的電位隨輸入電壓uin產(chǎn)生相同的變化,。當(dāng)處于輸入信號的正半周，且uin逐漸增大時(shí),，2SA1302管基極電流隨之增大,，發(fā)射極電流也必然增大，負(fù)載電阻（即升流變壓器）RL上得到正方向的電流,；當(dāng)uin減小到一定數(shù)值時(shí),，2SC3281管截止。因此輸入信號的正半周主要是2SA1302管發(fā)射極驅(qū)動(dòng)負(fù)載,。同樣道理,，負(fù)半周期主要是2SC3281管發(fā)射極驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
2 升流變壓器
本試驗(yàn)要求產(chǎn)生0～100A的大電流,，考慮到本電流源用于斷路器在線檢測,，斷路器觸點(diǎn)接觸電阻是15mΩ，這樣在負(fù)載上消耗的功率應(yīng)該為P=I2R=1002×0.015=150W,。負(fù)載消耗功率150W,，考慮變壓器效率及功率裕度，我們選用升流變壓器的額定容量為500VA,。
鐵芯面積S與升流變壓器功率P滿足下面經(jīng)驗(yàn)公式：ln（S）=0.498×ln（P）+0.22,。帶入功率P=500VA,，可算出鐵芯截面積S=53.144cm2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,，取S=54cm2,，選用硅鋼片中間舌尺寸a=6cm,，疊厚尺寸b=9cm,。
根據(jù)鐵芯截面積S和鐵芯的磁通密度B，初級線圈的每伏圈數(shù)N可由下式確定：ln（N）=-0.494×ln（P）－0.317×ln（B）＋6.439,。采用質(zhì)量優(yōu)良的硅鋼片,，鐵芯B值取11000高斯，計(jì)算得到每伏匝數(shù)N=0.831,。初級電壓取220V,，初級匝數(shù)N1=220×0.831=183；次級電壓取7V,，次級匝數(shù)N2=7×0.831=6,。
初、次級匝數(shù)以及次級最大電流100A,，次級電流：I1=I2×N2/N1=3.4A,。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每安培電流分配0.3mm2導(dǎo)線截面積,。這樣初級導(dǎo)線截面積為1.02mm2,，初級導(dǎo)線可選用135mm2扁銅線。次級導(dǎo)線截面積為30mm2,，次級導(dǎo)線可選用240mm2扁銅板,。
3 電流檢測反饋電路控制顯示模塊
電流檢測反饋模塊由電流互感器、精密絕對值電路,、有源低通濾波器以及A/D轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成,。根據(jù)輸出電流，我們選擇DHKYZ-500型號電流互感器作為電流采樣傳感器,，該傳感器滿量程電流為500A,，滿量程次極輸出電流為100mA，為了滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入量程（0～5V）的要求,。A/D轉(zhuǎn)換需要直流信號,，因此需對交流信號進(jìn)行調(diào)理，本設(shè)計(jì)所用的精密整流電路如圖3所示,，該電路主要由兩個(gè)雙運(yùn)算放大器TL062和相關(guān)元器件組成,。電路的輸入電壓uin為電流互感器感應(yīng)輸出的電流。
圖3 精密整流電路
如圖3所示,，當(dāng)ui》0時(shí),，Dl導(dǎo)通,，D2反向阻斷，可以算出u11=-ui/2,，u12=-u11=ui/2》0,；當(dāng)ui《0時(shí)，Dl反向阻斷,，D2導(dǎo)通,，對于第一個(gè)運(yùn)算放大器TL062，可得u11=-ui/3,，從而可以算得u12=-ui/2》0,，u21=-2u12，最后得uo=-u21=2u12,，所以輸出全波整流波形,。
由于精密整流電路輸出的信號是脈動(dòng)直流信號，不能直接作為AD采樣的輸入信號,，因此還必須先經(jīng)過低通濾波器,，濾除交流分量，取出直流分量,，再給A/D轉(zhuǎn)換器輸入,。
4 控制顯示模塊
目前工業(yè)控制中的LED顯示驅(qū)動(dòng)電路普遍采用一種定時(shí)或中斷控制方式，這種方式要占據(jù)CPU一部分時(shí)間,，而且動(dòng)態(tài)顯示往往具有亮度不夠,，閃爍等特點(diǎn)，而靜態(tài)顯示又有硬件電路復(fù)雜等缺陷,。本系統(tǒng)采用OD-DM12864液晶模塊,，其可直接與微機(jī)串行口相連，完全解決了LED顯示的諸多不足,。用戶只需對位和控制寄存器編程,，就可選擇譯碼方式、顯示亮度,、關(guān)閉等功能,。
控制算法及程序設(shè)計(jì)思路
1 控制算法選擇
恒流源元件檢測是通過一個(gè)多參數(shù)相互耦合的時(shí)變非線性系統(tǒng)來進(jìn)行的，影響電流檢測的精度因素很多,，并有很大的隨機(jī)性,，很難用精確的數(shù)學(xué)模型來描述，即使通過一些手段簡化系統(tǒng)后建立了對象的簡單數(shù)學(xué)模型,，控制效果也不是很好,。另外，由于電流隨元件參數(shù)的變化而變化,，要求控制算法的實(shí)時(shí)性高,，控制過程較為復(fù)雜,。因此，權(quán)衡各種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn),，我們用PID實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制,。
2 程序設(shè)計(jì)思路
根據(jù)系統(tǒng)需要在此采用了模塊化程序設(shè)計(jì)方法，按照硬件功能模塊將程序分解成模塊,，然后定義各個(gè)模塊的功能和對接口定義,。主程序流程圖如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
實(shí)驗(yàn)調(diào)試
本實(shí)驗(yàn)輸入交流220V,，輸出端為直流15V左右的直流電壓,。測量用電流互感器的精度為0.5級和鉗表精度1.0%rdg±10dgt,，實(shí)驗(yàn)記錄電流測試值,，如表1所示。
從表1可以看出,，設(shè)置輸入值與電流互感器檢測到的值存在一定偏差,，但能控制在1%左右，滿足設(shè)計(jì)要求,。鉗表值有時(shí)偏差較大,，也是誤差范圍之內(nèi)。因此結(jié)果是符合實(shí)際測量精度要求的,。