一种应用于输电杆塔地网探测装置的程控恒功率输出电源

宋宁宁 贺树平 韩铁雷 朱连勇 刘富文 刘居辉

【摘 要】该程控恒功率输出电源的关键在于输出电压的快速准确调整。主控芯片实时监测输出功率的变化，通过PID控制算法，实现对输出电压快速而平稳的调节，该电源系统电路结构简单，在实际应用中运行稳定，很好的实现恒定功率输出功能。本文主要介绍了一种应用于输电杆塔地网探测装置的恒功率程控电源，重点介绍该系统的实现原理与设计方法。

【关键词】输电杆塔 程控 恒定功率 电源

【Abstract】The key to the constant power output programmable power supply that quickly and accurately adjust the output voltage. Master chip real-time monitoring variations in output power， through the PID control algorithm to achieve fast and stable output voltage regulation of the power system circuit is simple， stable operation in practical applications， to achieve a good constant power output.This paper describes a transmission tower is applied to network detection means constant power programmable power supply， focusing on principle and design method of the system.

【Key words】Transmission Tower；Programmable ；Constant Power ；Power Supply

1 技术背景

输电杆塔的地网探测目前主要采用电磁感应的原理实现，由发射机与接收机两部分构成。发射机向地网射线施加一定功率的交变电场，使地网射线向外辐射电磁信号并被接收机接收，接收机通过计算分析感应磁场的变化，得出地网射线敷设的路径与埋藏深度信息。

传统的稳压电源只能输出固定的电压值，而在输电杆塔地网探测的系统中，为保证在不同的接地环境下设备的输出功率保持恒定，需要设计一种可以根据现场环境情况自动调节输出功率的电源。为了满足该需求，设计了这种恒功率输出电源。

2 恒功率电源基本工作原理

电源的输出功率 Pout=Uout*Iout ，实现恒定的输出功率即要对电源的输出电压Uout与Iout进行调节。由于输电杆塔的地网与大地构成的回路可以简化的看成电阻，电感，电容构成的无源系统，保证输出功率的恒定，只需改变输出电压或者输出电流即可。考虑到输出的是交变信号，同时调压电源的技术更为普及，易于实现，所以该电源使用调节输出电压同时监测输出电流的方法实现恒定功率的输出。

该电源主要由电压调节模块，电流检测模块，电压检测模块，主控模块，显示模块与按键输入模块构成。总体控制流程图如图1所示

系统以主控模块为控制中心实现整体运行，主控模块选用型号为STM32F103的32位ARM微控制器作为控制核心，最高72MHZ工作频率。电压调节模块实现对输出电压的调节，输出电压范围0-30V，电流检测模块与电压检测模块实现对输出电流电压值的测量，按键输入模块用于获取用户的按键操作，显示模块反应设备的整体运行情况，将电压，电流，功率等信息显示出来。主控模块实时获取输出电压与输出电流的值，计算出系统的输出功率，使用PID控制算法调节输出电压，实现恒定功率的输出。

3 电压调节模块的实现

3.1电源芯片介绍

电压调节模块使用凌特公司（Linear Technology Corporation）推出高性能降压-升压开关稳压控制器 LTC3780，该器件的输入电压可高于、低于或等于输出电压.。？LTC3780 采用单电感器工作，可提供高达 75W 的输出功率，四开关同步整流可实现高达 97% 的效率.其恒定频率电流模式架构允许高达 400kHz 的可锁相频率.LTC3780 具有 4V 至 30V （最高 36V）的宽输入范围和 0.8V 至 30V 的输出范围。它的典型应用电路如图2所示。

图2 LTC3780的典型应用电路

3.2电压调节原理

LTC3780的V_FB端口，为电压调节端口，通常由R1，R2两个电阻构成电压负反馈，达到稳定输出电压的要求。输出电压

Vout=0.8（1+R1/R2）。

要改变系统的输出电压，即改变改变该电路电压负反馈的平衡状态。通过添加调节电阻R3，并通过控制电压V_Con实现输出电压输出的可编程连续调节。电压调节端口的电路如图3所示。

电阻的R3的确定：

在控制电压V_Con等于0V的时候，模块输出最高电压Vmax=0.8（1+R1/（R2//R3））。R1=200k，R2=200k，Vmax=30V时，R3的值=5.63k。

为了保证系统的最终输出在0.8V以下时也能稳定输出.，电源的最终输出端使用一个压降1V左右的二级管进行降压，因此LTC3780的输出电压要略高于30V，R3的电阻选择需要保留一定余量，此处选择了5.1k的电阻。

4 电流采样模块的实现

电流采样模块的电路图如图4所示，OutPut-为发射机信号输出端负端口，模块使用2.5Ω的电阻作为采样电阻，该电阻将输出的交流电流值转换为电压值，并使用运算放大器构成的电压跟随器做为缓冲级。电压跟随器的输出端I_sensor连接到主控模块的模拟信号采样端口，主控芯片采用数字信号处理技术，计算出输出交流电流有效值。

5 PID控制参数的设计

主控模块使用PID控制算法实现输出功率的快速稳定。PID是一个以比例（P）、积分（I）、微分（D）算法组成的闭环控制算法。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要技术之一。

PID控制简化方程：

△ Uk=A*e（k）+B*e（k-1）+C*e（k-2）

PID控制算法的程序实现部分并不难，重点在于ABC三个参数的选定，为了减少需要整定的参数，首先可以采用PI控制器进行调节，系统可以稳定实现功率调节后再加入微分控制算法。为了保证系统的安全，在调试开始时应设置比较保守的参数，例如比例系数不要太大，积分时间不要太小，以避免出现系统不稳定或超调量过大的异常情况。

6 结语

该程控恒功率输出电源的关键在于输出电压的快速准确调整。主控芯片实时监测输出功率的变化，通过PID控制算法，实现对输出电压快速而平稳的调节，该电源系统电路结构简单，在实际应用中运行稳定，很好的实现恒定功率输出功能。