基于单片机的高隔离度高压电容储能调压系统设计

杨家志,钟亚洲,蒋存波,易胜利

(桂林理工大学 信息科学与工程学院,广西 桂林　541004)



基于单片机的高隔离度高压电容储能调压系统设计

杨家志,钟亚洲,蒋存波,易胜利

(桂林理工大学 信息科学与工程学院,广西 桂林541004)

摘要：为了使电感储能系统中高压电容器充电过程更加准确、安全、高效,设计了一种基于单片机的高隔离度高压电容器充电调压系统。该系统使用C8051F020单片机来采集电压、控制调压器、控制充放电以及显示数据,通过使用光纤通信的隔离手段保证了实验操作人员的安全。实验结果表明,提出的一种根据电容器充电原理设计的电容充电延时算法能够使电容器充电电压达到99%的精确度。

关键词：C8051F020;电容器充电;光纤隔离

在电感储能型脉冲功率系统中,电感储能系统是进行能量压缩、产生高能脉冲的最重要装置,而高压电容器组又是电感储能系统中初级能量存储容器[1-2]。因此,设计一套能安全、高效、有较高精确度的电容器充电调压系统对于整个电感储能型脉冲功率系统的研制至关重要。在电容器充电调压系统设计过程中主要有两个问题亟需解决:首先,由于电容器电压采集调压电路跟电容器通过高压变压器和分压电阻间接相连,电容器电压最高可达20 kV,若调压显示操作电路与其直接相连,则可能带来一定的人身安全隐患[3-4]。为此,采用光纤通信隔离技术,采集调压端单片机和操作显示端单片机直接通过光纤串口来传输数据,达到完全的隔离;其次,电容器通过电阻的充电过程需要一定的时间才能接近直流充电电源电压值,具有一定的时间滞后性,因此,需要使用一定的预延时法来进行调压,使得电容器最终充电电压和目标电压值达到比较高的精准度。

1系统整体设计

电容充电主回路由220 V交流电提供电源, 由

0～220 V电动调压器及最高20 kV输出的高压变压器组成升压系统, 升压电流再经过高压硅堆整流, 通过100 kΩ的高压电阻给4个1.04 μF/40 kV的脉冲电容器组进行充电。电容器正极还接有放电电阻和单片机控制的放电继电器组成的放电回路来给电容器进行放电[5]，充放电回路原理如图1所示。

整个调压储能系统由调压控制采集端和按键操作显示端组成,整体设计框图如图2所示。其中左边部分为电压采集调压控制端,右边为按键操作显示端。在操作端进行目标电压值选取,调压确认后,相关调压信息通过光纤串口传送到采集调压端进行调压,调压过程通过驱动调压器中的直流电机来对调压器输出电压进行调整,同时通过安装在电容器上10 000∶0.667的分压电阻对电容器端电压进行测量采集, 从而形成一个采集电压到调节调压器输出的反馈回路[6],且采集端采集处理的相关电压信息也会通过串口传送到操作端进行显示。操作端还可发送指令来控制高压继电器，从而对电容器进行放电操作。

图1　高压电容器充放电原理图Fig.1　Scheme of capacitor charge and discharge

图2　高隔离度、高压电容储能系统整体设计框图Fig.2　Design diagram of high-isolation and high-voltage capacitor charging system

2采集调压电路和操作显示电路的设计

调压相关电路由两部分组成:一部分是电压采集以及对调压器电机进行控制来对电容器电压进行调整,与高压部分相连,为高压端;另一部分是对采集电压以及调压相关信息的显示和调压操作的按键检测。这两部分通过一对光纤收发器(安捷伦公司的HFBR1521/2521)组成串口进行通信,电路原理如图3所示。

采集调压端单片机使用C8051F020芯片自带AD模块来对电压进行采集,采集使用12位AD,保证了足够的电压采集精确度, 代码中电压采样每50 ms一个周期,取30次电压采集的平均值作为一个采样周期的电压采样值,采集电压值来自于并联到电容器组的分压电阻组,因为C8051F020电压采集内部基准电压VREF=2.43 V,因此采用分压比为10 000∶0.667。当调压达最大值20 kV时,采集电压为1.334 V,在基准电压范围内,可以正常测量。调压器电机驱动使用H桥的LMD18200芯片作为直流电机驱动器,由采集调压板IO端口直接控制,通过IO端口控制PWM波占空比来对电机转速进行调整。调压器上下限检测由单片机输入端口来监测。电容器放电继电器的开合也由采集调压端输出端口来进行控制。

图3　采集调压电路和操作显示电路原理Fig.3　Scheme of voltage regulator circuit and display circuit

操作显示端单片机采用C8051F020芯片,显示屏使用16块16×16的点阵LED屏,使用操作显示端的8个OUT端口进行显示控制。按键状态监测使用操作显示端单片机的7个IN输入端口。

采集调压端和操作显示端通过光纤串口连接通信,显示的采集电压值、调压目标值、调压幅度以及一些状态参数通过采集调压端的TX口，经过光纤传输到操作显示端RX口进行接收处理显示。按键状态监测的操作信息通过操作显示端的TX口传输到采集调压端的RX口进行对应按键的操作。这样高压部分与操作显示部分就完全隔离开来,保证了操作人员的安全。

3线性迫近调压算法和改进算法

3.1线性迫近PWM调整算法

设调压前一刻采集电压值为VC0,目标电压值为VD,当前采集电压值为VC,那么PWM波占空比可以由下面公式得出:

(1)

PWM波由单片机内部的8位PWM发生器产生。最大占空比为PWM=0xFF,最小占空比为PWM=0x00,因此给调压器电机设定一个较小的初始PWM占空比值,并且在调压过程中使得越接近目标电压值,调压电机转速越慢,最后停止而达到目标电压值。取初始PWM值为0xAE,可以得到8位PWM占空比定时器调整公式:

(2)

经过测试,该PWM波占空比调整算法能够在比较符合目标调压值情况下进行调压,精确度在85%左右。对高压电容器充电测试选用5、7、10、12、15、17、20 kV这7个覆盖试验中常用的充电电压值。每个电压点测试10次取平均值,测试数据以及采集电压见表1。其中:VD为调压目标值;VC为测量实际调压值;VC/VD为实际数据和目标数据的比例关系,可知目标调压值越高,总体误差的比例是逐渐缩小的,|VC-VD|这一偏差的绝对值为衡量调压精确度的标准。目标值跟实际调压值的情况如图4所示。

可以看出，调压实际值总体上是超过目标电压值一定数量的,从数据结果上来看精确度也不够理想。通过对电容器充电原理的研究, 可以确定是电容器充电电压与充电电源电压之间的延时所造成的，对于充电阶段的研究就能得出更有效的一种电容器充电预测算法。

表1　调压测试结果Table 1　Regulator test results

图4　目标值和实际调压值对比Fig.4　Comparision between target value and actual value of regulator

3.2改进的电容器充电算法

电容器充电系统通过控制调压器电机进行调压，升压过程是线性的,电容器充电电压是指数增长的,而所采集的电压值(电容器端充电的电压值)跟施加在电容器两端的值(调压器调压达到的电压值)并不是同步的。当调压器已经调压升压达到目标值时,电容器端还没有充电达到目标值,而采集的电压值是电容器端充电的电压值,没有达到目标值,此时调压器会继续调压,所以等采集到目标值时再停止调压,电容器就会过充,从而影响调压的精确度。通过计算可以得出有大约2 s的延时。因此,可以考虑在算法1的基础上,在调压达到目标电压值60%、80%、90%和95%时分别停止调压2 s左右,来进一步提高调压的精确度。

根据电容器充电计算公式,设Vi为电容器初始电压值;Vu为电容器充满极限值,相当于目标电压值;Vt为t时刻电容器上电压值,则有下述关系:

(3)

又因为电源是通过电阻R来给电容器组C来充电,电容器初始电压值近似为0,因此Vi=0,对于任意时刻t,电容器上电压可以近似表示为

(4)

(5)

若已知某个时刻电容上电压为Vt,根据常数可以计算出时间t。可知，当完全充满时,Vt接近Vu,t是无穷大的。当t=RC时,电容电压=0.63Vu;当t=5RC时,电容电压=0.99Vu,已经接近充满状态。又因为所使用充电电阻的阻值为100 kΩ,电容器组电容值为4.16 μF,可以得出当t=RC≈0.416 s,电容充电电压可达0.63Vu;当t=5RC≈2.08 s,电容充电电压达到0.99Vu。在大约2 s之后电容器电压可近似达目标电压值。

采用经改进的电容器充电算法后,再次进行电容器充电调压测试,测试电压值点以及测试流程同3.1节。测试数据和采集电压见表2。

表2　调压测试结果Table 2　Regulator test results

从绝对误差|VC-VD|可以看出,改进电容器充电算法后,这7个测试点绝对误差的值大幅降低,调压精确度有明显的提高,最终调压精确度稳定在99%以上。

4结论

根据高压电容器充电的原理,设计了一套安全且高精确度的调压系统,操作端和调压端通过光纤隔离,达到了设计需求,改进了PWM迫近调压算法,提出了一种准确度较高的电容器充电调压算法,使得充电准确率达到99%以上。

参考文献:

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[3]李业勋,杨礼兵,孙承纬.单金属丝电爆炸实验系统研究[J].爆轰波与冲击波,2002(2):64-69.

[4]龚兴根.电爆炸断路开关综述[J].爆轰波与冲击波,2001(2):47-57.

[5]Chen Y A, Zhou J H, Zhang W P, et al. Capacitor charge balance control strategy of Buck converter[C]//Power Electronics and Motion Control Conference, 2009.IPEMC’09. IEEE 6th International. IEEE, 2009: 511-516.

[6]刘福才,金书辉,赵晓娟. 串并联谐振高压脉冲电容充电电源的闭环控制[J]. 电力电子技术, 2012, 46(6): 69-72.

文章编号:1674-9057(2016)02-0368-04

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.030

收稿日期：2014-11-28

基金项目：国家自然科学基金项目(51167004);广西自然科学基金项目(2013GXNSFBA019250)

作者简介：杨家志(1981—),男,博士,教授,研究方向:电源及脉冲功率技术,jiazhi_yang@126.com。

中图分类号：TP368.2

文献标志码：A

Design of high-isolation and high-voltage capacitor energy storage voltage regulation system based on microcomputer

YANG Jia-zhi, ZHONG Ya-zhou, JIANG Cun-bo,YI Sheng-li

(College of Information Science and Engineering,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)

Abstract:A charging system based on high-voltage capacitor bank as energy storage device is designed in this paper to make the charging system more precise safe and effective.C8051F020 MCU is used as control system for voltage acquisition,voltage regulating,voltage charging and discharging and data displaying.Optical fiber is used for isolating the communication to guarantee the safety of laboratory assistant.The experimental results indicate that the capacitor charging time delay algorithm based on the principle of capacitor charging which we put forward can achieve the precision of 99%.

Key words:C8051F020;capacitor charging;optical coupling isolation

引文格式：杨家志,钟亚洲,蒋存波,等.基于单片机的高隔离度高压电容储能调压系统设计[J].桂林理工大学学报，2016,36(2):368-371.