引言
在大功率直流電源中,，主電路一般采用晶閘管三相全控橋式整流電路，其關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確,、可靠,、穩(wěn)定地控制晶閘管的導(dǎo)通角。
目前,，大功率直流電源現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中最為普遍的控制方式大都采用KC或KJ系列小規(guī)模集成電路,，即采用三相鋸齒波信號(hào)和直流控制信號(hào)相比較獲得的移相信號(hào)。然而,，三相鋸齒波信號(hào)的斜率,、占空比、幅度等與每相的器件參數(shù)密切相關(guān),，并且比較信號(hào)中小的干擾可能造成較大的相移誤差,，因而電路的可靠性和自動(dòng)平衡能力較差。
利用單片機(jī)作為控制電路,，根據(jù)三相全控橋觸發(fā)脈沖之間的邏輯關(guān)系,，直接產(chǎn)生六相高度均衡的觸發(fā)脈沖，可以克服KC,、KJ系列電路均衡性差的缺點(diǎn),。但是，由于現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)工作在強(qiáng)電干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合,，為了減小干擾可能引起程序運(yùn)行紊亂,，造成系統(tǒng)失控而引起主電路器件的損壞；另外,，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的功能,，加強(qiáng)人機(jī)對(duì)話能力，實(shí)現(xiàn)顯示,、打印,、命令輸入、循環(huán)檢測(cè),、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)以及軟件PI調(diào)節(jié)器等功能,，必須采用雙CPU并行工作。但雙CPU并行工作既增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,，又降低了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性,。
為了克服上述局限性，利用8098單片機(jī)作主控單元,， 并充分利用WATCHDOG的抗干擾性能,，采用以鎖相環(huán)（PLL）為基本控制原理的通用觸發(fā)板作中間界面，構(gòu)成一種智能化的電廠大功率直流后備電源,。圖1示出控制系統(tǒng)框圖,。
圖1 控制系統(tǒng)框圖
1 系統(tǒng)工作原理
現(xiàn)以電力系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行強(qiáng)充,、浮充為例，說(shuō)明系統(tǒng)的工作原理,。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求,，系統(tǒng)共設(shè)有7種工作方式，見(jiàn)圖1,。
1）手動(dòng)方式（M）
系統(tǒng)工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài),，利用8098的PWM口，經(jīng)濾波后輸出一個(gè)0~5V的控制電壓信號(hào)給觸發(fā)板,，使整流橋相應(yīng)輸出電壓為0~300V.該方式主要用于系統(tǒng)主電路的檢修和維護(hù),。
2）穩(wěn)壓方式（V）
穩(wěn)壓方式（V）又稱浮充方式，系統(tǒng)作穩(wěn)壓源閉環(huán)運(yùn)行,。
為增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和通用性,，利用軟件實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)。
?。?）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PI算法
圖2示出帶數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方框圖,。
圖2 典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方框圖
該數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的Z傳遞函數(shù)為：
式中：Ki -- 積分系數(shù)，Ki= KoT/Ti;T--采樣周期,； Ti-- 積分時(shí)間常數(shù),；Kp-- 比例因子；U（Z）--控制量輸出的z傳遞函數(shù),；E（z）- -偏差量的z傳遞函數(shù),。
將式（1）展開(kāi)，可得以下位置式算法：
式中Uo-- 初始值,；Uk - - 第k次采樣點(diǎn)獲得的控制量,；Ek--第k次采樣點(diǎn)獲得的偏差量；Ej--第j次采樣點(diǎn)的偏差值,；k一第k次采樣點(diǎn),。
整理成遞推公式形式：
根據(jù)上述遞推公式，可以非常方便地用軟件實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器,。
（2）改進(jìn)的數(shù)字PI算法
標(biāo)準(zhǔn)PI算法一般不能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求,，比如在開(kāi)機(jī)、停機(jī)或大幅度改變?cè)O(shè)定值時(shí),，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)偏差變化劇烈,，容易造成較大的積分積累∑（Ek），使得控制輸出急劇變化,，系統(tǒng)超調(diào)嚴(yán)重,，動(dòng)態(tài)性能惡化。
為防止這一現(xiàn)象發(fā)生,，常用積分分離法,、超限削弱積分法和有效偏差法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)PI算法進(jìn)行改進(jìn),，這在隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中較為常見(jiàn)。
由于本系統(tǒng)屬于恒值控制系統(tǒng),，要求有軟起和軟停功能,，利用上述改進(jìn)算法已不能滿足要求,。為此,，采用一種新的恒偏差算法。
恒偏差法和有效偏差法相類似,。有效偏差法又叫逆算法,。即當(dāng)控制量Uk越限時(shí)，Uk取邊界值Umax或Umin.由該邊界值逆算出偏差值Ek'代替原來(lái)的偏差值Ek.然而,，在恒偏差法中,，是用經(jīng)過(guò)衰減后的Ek'去代替Ek.系統(tǒng)在階躍響應(yīng)時(shí)，實(shí)際工作在過(guò)阻尼狀態(tài),，從而減緩了在起,、停時(shí)對(duì)主電路器件的沖擊。圖3示出兩種算法的階躍輸入響應(yīng)曲線,。其中曲線（a）標(biāo)準(zhǔn)PI算法響應(yīng)曲線,、曲線（b）恒偏差法響應(yīng)曲線。
圖3 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線
?。?）PI參數(shù)的整定
?、俨蓸又芷赥
由于主電路輸出濾波網(wǎng)絡(luò)決定了系統(tǒng)輸出紋波的最大截止頻率f,所以根據(jù)香農(nóng)（Snon）定理可以決定采樣頻率的上限f1 =2f 工程上一般取f1=10f.
由于主電路參數(shù)已知，可求得：
其下限T2由8098軟件執(zhí)行時(shí)間決定,。若采用12M晶振,，平均每條語(yǔ)句執(zhí)行時(shí)間為2us,程序運(yùn)行大概需要500條語(yǔ)句，那么T2=1ms.所以：
1ms≤ T≤6ms
最終可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)選擇了1的大小,。
?、?比例因子Kp及積分時(shí)間常數(shù)Ti工程上常用臨界比例度法，對(duì)常數(shù)Kp和Ti進(jìn)行整定,。即在閉環(huán)條件下,，先暫時(shí)去掉積分作用，逐漸增大比例增益,，直到閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到臨界穩(wěn)定狀態(tài),，發(fā)生持續(xù)振蕩為止。記下此時(shí)的臨界增益Ku和振蕩周期Tu ,通過(guò)查表得到Kp=和Ti的近似值,，然后由整機(jī)調(diào)試進(jìn)行修正,。
本系統(tǒng)穩(wěn)壓閉環(huán)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果為：Ku =6,Tu=12.0ms.
查表可得：Kp=0.45 x Ku=2.7、Ti=Tu÷1.2=10ms.
通過(guò)整機(jī)調(diào)試,，可得出遞推公式中參數(shù)A ,、B的值為：A=3,、B=2.
（4）算法
為簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì),，在進(jìn)行8098軟件編程時(shí),，采用無(wú)符號(hào)數(shù)算法。
3）穩(wěn)流方式（I）
穩(wěn)流方式又稱強(qiáng)充方式,，系統(tǒng)作電流源閉環(huán)運(yùn)行,，原理同上，不同的是積分時(shí)間常數(shù)要小一些,，調(diào)節(jié)速度較快,。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：Tu=6.0ms,Ti=5ms、A=4,B=2.
4）穩(wěn)壓穩(wěn)流自動(dòng)轉(zhuǎn)換（V/I）
當(dāng)電池虧電時(shí),，系統(tǒng)以強(qiáng)充方式工作,，電池電壓逐漸升高。當(dāng)超過(guò)設(shè)定值時(shí),，改為浮充方式,。
即系統(tǒng)能根據(jù)負(fù)載情況自動(dòng)選擇充電模式。圖4示出典型的二階段充電曲線,。
圖4 蓄電池二階段充電曲線
5）工作方式記憶（M1.M2）
系統(tǒng)可存儲(chǔ)兩組常用數(shù)據(jù),，即工作方式、電壓電流給定值,、穩(wěn)壓穩(wěn)流轉(zhuǎn)換值,、過(guò)壓過(guò)流值。
掉電時(shí)還能保護(hù)當(dāng)前的工作記錄,。
6）軟起,、軟停方式（SS）
按下該鍵，系統(tǒng)工作在軟停方式,。觸發(fā)板將控制脈沖相位拉至最大,，然后封鎖脈沖輸出。該鍵彈起,，為軟起方式,。控制輸出由最小慢慢升至給定值,。
7）電池檢測(cè)方式（TEST）
系統(tǒng)能循環(huán)檢測(cè)電池電壓,，由數(shù)碼管進(jìn)行顯示，也可通過(guò)串行口打印輸出,，并有報(bào)警提示,。2 系統(tǒng)工作流程圖
系統(tǒng)上電后，首先對(duì)單片機(jī)的外圍接口進(jìn)行檢查，以確保人機(jī)對(duì)話通道暢通,。然后發(fā)出開(kāi)機(jī)信號(hào),，對(duì)LED、給定寄存器等進(jìn)行復(fù)位,，隨后產(chǎn)生頻率為2Hz的方波信號(hào),，作為系統(tǒng)的給定輸入。
為進(jìn)入上述7種工作方式,，系統(tǒng)共設(shè)有三種途徑,。
途徑I為掉電重起方式。即系統(tǒng)在掉電后,，能記錄當(dāng)前工作方式,，來(lái)電后直接返回到原狀態(tài)。
該途徑為系統(tǒng)正常工作時(shí)的進(jìn)入通道,。
途徑II、III一般作調(diào)試用,。途徑II是通過(guò)M ,、M,進(jìn)入相應(yīng)的工作方式，而用戶在設(shè)置給定值,、轉(zhuǎn)換值和保護(hù)值時(shí)要用到途徑III.
系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)工作方式后,，可通過(guò)中斷方式接受用戶命令，更換當(dāng)前工作狀態(tài)（中斷程序框圖省略）,。圖5示出系統(tǒng)工作流程圖,。
圖5 系統(tǒng)工作流程圖
3 通用觸發(fā)板簡(jiǎn)介
晶閘管通用觸發(fā)板是以40芯CMOS大規(guī)模集成電路為核心，利用鎖相環(huán)控制技術(shù)（PLL）,，根據(jù)壓控振蕩器（VCO）鎖定的三相同步信號(hào)間的邏輯關(guān)系設(shè)計(jì)出的一種晶閘管觸發(fā)系統(tǒng),。給定0~5V的直流控制信號(hào)，便能產(chǎn)生0°~180°移相范圍的三相,、六相或十二相強(qiáng)觸發(fā)脈沖,。由于采用上述新技術(shù)，克服了KC,、KJ系列同類產(chǎn)品的諸多缺點(diǎn),，使該觸發(fā)板輸出的控制脈沖具有高對(duì)稱性、高均衡性,。另外,，該板的抗干擾能力和多種附加功能也大大強(qiáng)化了該板的實(shí)用性， 因而具有極高的性能價(jià)格比,，適用于各種整流,、逆變、交流側(cè)原邊控制等大功率晶閘管控制電路。
該觸發(fā)板無(wú)需同步變壓器,，具有相序自動(dòng)測(cè)控核對(duì)能力,，并具備缺相保護(hù)功能和脈沖禁止接口；通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)可提供雙30°,、120°寬的高頻調(diào)制觸發(fā)脈沖,。實(shí)驗(yàn)證明，該脈沖可直接驅(qū)動(dòng)1000A以上的晶閘管,，是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)的理想產(chǎn)品,。
4 結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于軟件PI調(diào)節(jié)器的靈活應(yīng)用。一方面,，可就多種PI算法進(jìn)行綜合比較,，并驗(yàn)證一些新的算法。另一方面,，基于系統(tǒng)的通用性,，可就不同的被控對(duì)象給出不同的控制模式和參數(shù)。例如100A和500A時(shí)的蓄電池,，就要有不同的PI調(diào)節(jié)參數(shù),；既使容量相同而生產(chǎn)廠家不同，所要求的參數(shù)也不一致,，這是由電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速度決定的,。
系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)是通用觸發(fā)板的使用。它介于計(jì)算機(jī)PI調(diào)節(jié)器與晶閘管主電路之間,，作為一個(gè)很好的緩沖界面,，能保證調(diào)節(jié)失控時(shí)系統(tǒng)的安全可靠。另一方面,，8098單片機(jī)的WATCHDOG也強(qiáng)化了系統(tǒng)的抗干擾能力,，使得該系統(tǒng)非常適用于現(xiàn)場(chǎng)控制。