王朕 楊林 史賢俊

（海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東 264001）

1 引言

對(duì)于經(jīng)常在野外進(jìn)行訓(xùn)練的野戰(zhàn)部隊(duì)，如果所處地區(qū)無電力供應(yīng)設(shè)施，就會(huì)因?yàn)閭溆秒娫垂╇姴蛔愣绊懹?xùn)練。太陽(yáng)能是一種資源豐富，既可免費(fèi)使用又無須運(yùn)輸且對(duì)環(huán)境無任何污染的清潔能源。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，充分利用太陽(yáng)能變換成穩(wěn)定電源已經(jīng)成為解決野外用電的一種可靠方法。

針對(duì)某型野外電臺(tái)供電電壓精度高、紋波小、可靠性高的要求，本文采用高速微處理器DSP TMS320LF2407A設(shè)計(jì)了一款25 V/5 A太陽(yáng)能直流穩(wěn)壓電源。該電源在正常情況下充分利用太陽(yáng)能供電，應(yīng)急情況下可使用車載蓄電池進(jìn)行供電，數(shù)字調(diào)節(jié)器的使用使得供電電壓精度指標(biāo)和紋波指標(biāo)得到極大提高，部隊(duì)?wèi)?yīng)用證明設(shè)計(jì)的電源完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2. 穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

單塊太陽(yáng)能電池板的最高輸出電壓為 17.5 V，本文設(shè)計(jì)的電源采用兩塊電池板串聯(lián)使用，使最高輸出電壓和最低輸出電壓分別達(dá)到 35 V和10 V。穩(wěn)壓電源的原理框圖如圖1所示。

太陽(yáng)能電池板發(fā)出的10 V～35 V直流電壓經(jīng)DC/DC調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，再經(jīng)過穩(wěn)定蓄能電路得到一個(gè)穩(wěn)定可靠的12 V直流穩(wěn)壓電源，該直流電經(jīng)推挽式變換器得到一個(gè)高頻方波交流電源，該電源經(jīng)全橋式整流電路整流并濾波后得到所需要的25 V/5 A直流穩(wěn)壓電源。輸出電壓經(jīng)隔離采樣、信號(hào)調(diào)理后輸入DSP。DSP 對(duì)采樣信號(hào)經(jīng)數(shù)字調(diào)節(jié)器處理后輸出PWM控制信號(hào)，使輸出電壓快速穩(wěn)定在設(shè)定的期望值上。通過電壓、電流、溫度等各種檢測(cè)信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換向DSP提供必要的保護(hù)信號(hào)，使得電源能保持輸出電壓穩(wěn)定的同時(shí)實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)和短路保護(hù)等功能。

圖1 穩(wěn)壓電源原理框圖

2.1 主電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，穩(wěn)壓電源的主電路由太陽(yáng)能電池板、DC/DC調(diào)節(jié)器[1]、穩(wěn)定蓄能電路、推挽式變換器[2]、全橋整流電路、濾波穩(wěn)壓電路和采樣電路組成。太陽(yáng)能電池板輸出的電壓經(jīng) DC/DC調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)、穩(wěn)定蓄能電路穩(wěn)壓后得到穩(wěn)定可靠的12 V直流電壓，該指直流電壓經(jīng)推挽式變換器變換后得到高頻方波交流電源，該交流電源經(jīng)橋式整流電路和濾波穩(wěn)壓電路后得到穩(wěn)定的高精度25 V直流電源。采樣電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和輸出電流的采樣，采樣信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后輸入DSP。其中電壓采樣信號(hào)用來與給定值比較，經(jīng)數(shù)字調(diào)節(jié)器后改變推挽式變換器開關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比，從而調(diào)節(jié)輸出電壓；電流采樣信號(hào)用來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。根據(jù)開關(guān)管溫度的采樣信號(hào)實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)，熔斷絲FUSE實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，二極管VD2防止因 DC/DC調(diào)節(jié)器輸出電壓過低出現(xiàn)蓄電池反流現(xiàn)象。

圖2 穩(wěn)壓電源主電路原理圖

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

2.2.1 控制電路原理設(shè)計(jì)

TMS320LF2407A是一款高速數(shù)字信號(hào)處理芯片，芯片上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，利用其EV事件管理模塊中的全比較單元，可方便地產(chǎn)生 4路帶有可變成死區(qū)和輸出極性的PWM波。PWM波形的產(chǎn)生用到通用定時(shí)器（提供時(shí)間基準(zhǔn)）、非對(duì)稱波形發(fā)生器、可編程的死區(qū)發(fā)生單元、不對(duì)稱波形發(fā)生單元、輸出邏輯控制單元以及空間矢量PWM產(chǎn)生單元，適當(dāng)設(shè)置比較單元的寄存器，可方便地生成所需要的PWM或SPWM波形。

產(chǎn)生PWM波形的總體思路如下：利用DSP的EVA模塊，當(dāng)定時(shí)器T1處于連續(xù)遞增/遞減計(jì)數(shù)模式時(shí)，計(jì)數(shù)寄存器（T1CNT）中的數(shù)值變化軌跡就形成了一系列等腰三角波，當(dāng)比較寄存器（CMPRx，x=1，2，3）中的值與計(jì)數(shù)寄存器中的值相等時(shí)，對(duì)應(yīng)的引腳（PWMx，x=1，2，3，4）上的電平就會(huì)產(chǎn)生跳變，從而產(chǎn)生一些列等高的方波信號(hào)。輸出方波的寬度有比較寄存器中的值決定，因此只要使比較寄存器中的值是期望得到的穩(wěn)定值（常數(shù)），即可得到所需的PWM波形。為保證死區(qū)時(shí)間，輸出的PWM波形占空比最大不超過40%。

圖3 控制電路原理圖

控制電路原理如圖3所示，PWM1信號(hào)用來驅(qū)動(dòng) DC/DC型調(diào)節(jié)器，使輸出電壓基本穩(wěn)定在12 V，PWM2和PWM3信號(hào)用來驅(qū)動(dòng)推挽式變換器開關(guān)管；輸出電壓采樣信號(hào)與給定的直流電壓信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整 PWM2和PWM3的占空比，使輸出電壓穩(wěn)定于25 V；輸出電流采樣數(shù)據(jù)用來判別是否發(fā)生過流故障，溫度采樣數(shù)據(jù)用來判別是否發(fā)生過熱故障，直流電壓采樣信號(hào)用來判別是否有過壓和欠壓故障；根據(jù)采樣信號(hào)實(shí)施相應(yīng)的保護(hù)。

設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源中，高速光耦隔離電路采用三片TLP251集成驅(qū)動(dòng)器，電流采樣采用集成電流傳感器UCC3926，溫度采樣采用低電壓輸出集成溫度傳感器TMP35[3]。電壓、電流、溫度采樣信號(hào)經(jīng)調(diào)理后輸入DSP。

2.2.2 數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

輸出電壓不僅要有精度高、紋波小，還要有良好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。采用PID控制中應(yīng)用廣泛的增量式算法設(shè)計(jì)了數(shù)字調(diào)節(jié)器。由于DSP僅能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此，連續(xù)PID控制算法需要離散化，即數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。采用離散PID算法時(shí)，表達(dá)式為：

式中：Kp,Ki,Kd分別為比例、積分和微分系數(shù)。

當(dāng)采用離散PI算法時(shí)，表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

考慮到因日照強(qiáng)度變化或負(fù)載突變會(huì)引起輸入或輸出電壓變化等因素，剛開始工作或負(fù)載突變時(shí)，采用PI算法調(diào)節(jié)，使輸出電壓盡快穩(wěn)定在額定輸出電壓上，當(dāng)輸出電壓達(dá)到額定值時(shí)采用PID算法，提高輸出電壓的穩(wěn)定性。程序在積分調(diào)節(jié)階段，可根據(jù)偏差大小對(duì)比例、積分系數(shù)調(diào)整，這樣極大提高了輸出電壓的精度和穩(wěn)定性[4]。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

主程序流程如圖 4(a)所示，系統(tǒng)初始化后，首先對(duì)穩(wěn)壓蓄能電路的直流電壓進(jìn)行采樣，與DSP內(nèi)固化的數(shù)據(jù)比較，輸出 DC/DC調(diào)節(jié)器的PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，直到該直流電壓達(dá)到設(shè)定值；然后對(duì)穩(wěn)壓電源的輸出電壓進(jìn)行采樣，與給定的參考值相比較輸出開關(guān)管的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)輸出電壓達(dá)到25 V時(shí)，DSP鎖定此時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，進(jìn)入閉環(huán)工作狀態(tài)；當(dāng)輸出電壓改變時(shí)，調(diào)整DSP的控制值，改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，使輸出電壓快速恢復(fù)至25 V[5]。同時(shí)通過對(duì)直流電壓、輸出電流、溫度采樣數(shù)據(jù)的處理，適時(shí)關(guān)斷PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出，完成過壓、欠壓、過流及過熱保護(hù)，提高電源可靠性。

生成PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的程序流程如圖4(b)所示，其程序是一個(gè)無限循環(huán)結(jié)構(gòu)，主要是計(jì)算比較寄存器的值，并根據(jù)該值生成PWM波。

圖4 軟件程序流程

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)波形

根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定穩(wěn)壓電源的主要參數(shù)如下：太陽(yáng)能電池板輸入直流電壓12 V～35 V，變壓器效率 95%，變壓器磁芯選用 EI35×27×10,變壓器初級(jí)線圈 12匝，初次級(jí)繞組匝比 0.4：1，變換器工作頻率 28 kHz，驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比25%～45%，輸出濾波電感0.25 mH，濾波電容為300 μF，輸出電壓直流25 V，最大輸出電流5 A。負(fù)載不同時(shí)輸出電壓及紋波峰峰值電壓見表 1，空載和滿載時(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖及輸出電壓波形見圖5。

表1的測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)電源由空載變換到滿載時(shí)，電壓的變換僅有0.14 V，而輸出紋波電壓的峰峰值最大僅有0.94 mV。同時(shí)當(dāng)負(fù)載由1 A突變?yōu)? A時(shí)，用示波器讀出的輸出電壓穩(wěn)定時(shí)間僅有0.2 s。圖5表明，電源在空載和滿載時(shí)，輸出電壓都能穩(wěn)定在25 V，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比也小于45%，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表1 不同負(fù)載時(shí)輸出電壓及紋波峰峰值電壓

圖5 空載和滿載時(shí)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形和輸出電壓波形

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某型電臺(tái)供電要求，采用TMS320LF2407A高速數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了25 V/5 A太陽(yáng)能穩(wěn)壓電源。實(shí)際應(yīng)用表明該電源具有穩(wěn)壓精度高、穩(wěn)態(tài)性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，該電源對(duì)利用太陽(yáng)能發(fā)電的同類產(chǎn)品也具有很好的參考價(jià)值。

[1]Muhammad H.Rashid（編），陳建業(yè)等（譯）. 電力電子技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]王全保. 新編電子變壓器手冊(cè)[M]. 沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[3]張偉, 張瑾等. 新編使用集成電路選型手冊(cè)[M]. 北京：人民郵電出版社，2008.

[4]陶永華, 尹怡欣, 葛蘆生. 新型 PID 控制及其應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

[5]姜向龍, 尹泉, 趙金, 萬淑蕓. 基于 DSP控制器的一種死區(qū)補(bǔ)償策略[J]. 電力電子技術(shù), 2005（4）.