智能大功率软启动恒流源的设计

王 锐,付庆波,王 彪,王金明,林冠男

（1.吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子国家级重点实验室，吉林 长春 130012；2.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春130033）

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]。

图1 OPA549构成可调大电流恒流源

(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]。

图2 PID控制原理图

PID控制器的输出与输入之间的关系可表达为:

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。

从图3的软启动效果图可以看出，在恒定电压、电流、功率的模式下工作时，系统开机过程超调量很小，有效地控制了启动过程，防止了启动过程产生过大的扰动电压，产生过大的功率，有效地保护了负载。

3 实验结果

由于输出电流达到8 A，对电源的功率要求较高，易产生噪声，这种随机噪声也会对输出电流产生一定的影响。为减弱这种噪声 ，各个模块分别供电，以减少交叉干扰，同时在电路板上多加装去耦滤波电容，减小干扰的影响，同时OPA549能有效地抑制纹波。影响电源稳定性的因素很多,如负载的变化、取样电阻的变化、A/D、D/A的影响等[5]。如图4所示，不同负载的情况下，电源误差不同。10 W的负载，由于功率较低，在电压、电流增加时，误差变化也较小。35 W的负载，由于功率较大，工作电流的变化范围比较大，功耗较大，电源的误差变化相应地也比较大。如图5，在10 W、20 W和35 W的负载时，工作状态稳定，能够满足大电流、大功率的需要。

该系统利用PID算法进行控制,采用大功率运放OPA549输出电流在0～8 A范围内可调，最大峰值可达到10 A，能够有效抑制纹波电流，克服了传统电流源输出电流范围小的缺点。可设置并能实时显示输出电压、电流、功率实测值，具有 “+”，“-”步进调整功能，输出可在LCD12864显示,同时通过RS232与上位机同步通信，直接显示，保存实验数据。通过对测试结果的分析，系统在软启动的过程中，超调量很小，启动效果很好，避免了对负载的冲击。由于大功率调整管的电流大范围变化时，经过软件补偿、放大电路调整等方法解决线性度较差，实测值和设定值存在偏差的问题 。该电源适用于大功率的场合，本电源具有很好的实用性。

[1]Wang Yifeng， Xu Dianguo， Guo Desheng，et al.The new soft starting methods for electronics ballasts of UV lamps based on microcontroller[C].Industrial Electronics and Applications,2006 1ST IEEE Conference on.2006(5)：1-6,24-26.

[2]Feng Zhuang,Liu Shu.Electric motor soft-start control based on fuzzy theory.Intelligent Networks and Intelligent Systems(ICINIS),2010 3rd International Conference on,2010:430-433.

[3]陈忠华,郭凤仪,石兆元.异步电动机软启动控制方法的研究与仿真[J].工矿自动化,2008(2):5-7.

[4]王蓉,李伟民.基于80C196的数控直流电流源设计[J].九江职业技术学院学报,2009(4):27-29.

[5]方佩敏.高电压大电流功率运算放大器[J].电子世界,2000,9(252):44-45.

[6]吴宏志,侯友夫,张伟,等.带式输送机可控启动系统的试验研究[J].工矿自动化，2003(4)：4-6.

[7]李婷婷,李洪波.数控大功率精密恒流源设计[J].通信电源技术，2006，23(5)：35-37.