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基于AVR型單片機智能雙電源開關的研制

作者:admin來源:本網 日期:2017-11-20 11:32:00 人氣: 標簽:

  在大型企業和一些特殊單位,為了提高重要負荷的供電連續性,一般采用兩路電源熱備用方式供電。當電力系統供電電源出現故障時,一般的做法是通過人工切換到備用電源供電。為節省人力,提高切換工作的準確性、快速性和可靠性,需要一種自動切換裝置,在常用電源發生故障時,能及時地自動:200504―3方向為電力電子與電力傳動。將用戶電路切換到備用電源供電,以保證正常、持續的供電。當常用電源恢復正常時,該自動切換裝置能夠將用戶電路切換回常用電路。

  該裝置的硬件電路由電壓采集電路、單片機及其外圍電路、LED顯示電路、按鈕電路和常用備用切換控制這些功能單元組成。由于考慮到設備的性能、可靠性和經濟性等因素,本文選擇單片機及軟件來進行對信號的采樣和判斷。工作原理為:利用整流電路和線性的光耦電路對電源電壓信號進行變換,使該電路的輸出電壓和電源電壓成比例變化,并將信號送到單片機的ADC口進行采樣。單片機把ADC口采集到的電壓信號與電壓信號正常狀態的標準值進行比較,依據得到的結果進行相應的開關切換控制。

  1硬件的設計1.1單片機與外圍電路工作原理為了提高智能雙電源開關控制器的快速性和可靠性,本文選用AVR型單片機ATmega16作為控制器的控制芯片。該芯片是一款基于AVRRISC的低功耗8位單片機。它具有下列特點:通過在一個時鐘周期內執行一條指令,ATmega16可以取得接近1MIPSMHz的性能。內含硬件乘法器,支持TAG端口仿真和編程,仿真效果比傳統仿真更真實有效。8通道10位AD轉換器,2個8位定時計數器,1個16位定時計數器,帶捕捉、比較功能,有四個通道的PWM.硬件USARTSPI和基于字節處理的fC接口杰出的電氣性能,超強的抗干擾能力。每個D口可負載40mA的電流,總電流不超過200mA.帶獨立振蕩器的看門狗,看門狗溢出時間分8級可調。內置上電復位電路和可編程低電壓檢測(BDD)復位電路。

  以該單片機為核心的控制系統組成框圖如所示。

  硬件電路原理框圖在該系統中,首先進入自動模式,單片機對常用和備用電源的A、B和ab相進行是否缺相的判斷,再根據A相和a相波頭到達的時間定位三相整流的波頭,以進行常用電源和備用電源的三相電壓整流后的信號檢測。當檢測到電壓出現偏差(欠電壓、過電壓、缺相)時,經過合閘或分閘延時后,單片機根據常備斷路器的輔助信號來決定是否驅動相應的指令繼電器向電動操作機構發出分閘、合閘和脫扣指令,并將電壓的錯誤類型用發光二極管LED在顯示板上顯示,同時輸出報警信號通知人員進行電源的修理。面板上的四個按鈕開關接口可以設定四種工作模式:自動控制“、”常用電源“、”備用電源“、”斷電“。通過按下自動控制按鈕進入手動控制狀態,其中”常用電源“、”備用電源“、”斷電“為手動控制下人工可選擇的按鈕。再次按下自動控制按鈕則返回到自動控制狀態。預定值模擬量(分閘延時時間、合閘延時時間、欠壓動作值)可以通過面板上相應的電位器進行調節。

  12電壓輸入信號調理電路將常用和備用三相電壓接入控制器,經過壓敏電阻濾波和二極管整流后通過光耦隔離轉化為適合單片機米樣的弱電信號,再輸入單片機的ADC口。為了保證送入ADC口的信號能與輸入電壓信號保持一定的線性關系,我們用兩個普通光耦TLP521結成線性光耦,來保證了兩者之間的線性,從而使輸口的信號能夠準確反映電源電壓的變化情況,其常用電源的電路圖如所示。

  在利用光電耦合器的線性耦合直接對模擬信號進行隔離傳輸時,由于光電耦合器內部發光二極管和光敏三極管的伏安特性,使得光電耦合器的線性區實際上比較小并且存在一定程度的非線性失真。所以在實際電路中,我們選擇了適當電路參數,根據這些參數,計算出三相電壓經整流后,其電壓在范圍為270V到311V內波動,則輸入到光耦的輸入端的電流范圍約在18mA到2mA之間。根據普通光耦TLP521的電流輸出特性,此范圍的輸入電流可以使光耦器件工作在線性區。為了改善光電耦合器的線性區實際上存在一定程度的非線性失真,在本電路中使用了2個普通光耦和1個運算放大器,2個光耦一個用于輸出,一個用于反饋。將信號通過一個光耦后連到運放的反相輸入端,輸出端接另一個光耦后再返回到運放的反相輸入,這樣形成一個負反饋,就能補償發光二極管時間和溫度特性的非線性,保證信號經光耦隔離之后與原電壓信號成線性輸出。其波形圖如所示。并且可以通過調節可調電阻的大小,來調整隔離后電壓模擬量值的范圍。一般情況下,我們設定電壓值在2~4V范圍內看門狗就立刻復位MCU狀態寄存器,程序從地址開始重新執行,以提高該系統的抗干擾性能。

  軟件在CCAVRV7編譯軟件中用C語言進行編屬于正常。

  寫,使用TAGICE仿真器配合AVRSudio4軟件進行仿真調試,主程序流程圖如所示。自動控制轉手動控制子程序流程圖如所示。

  開關切換自動控制軟件流程2軟件的設計程序開始時,先進行系統的初始化,再對預定值的模擬量進行AD轉換,把分閘延時時間、合閘延時時間、欠壓動作值輸入到單片機。

  在判斷電源是否異常之前,先要對三相整流后的模擬信號A、B、ab的波頭進行識別。因此,把常用A、B和備用ab的電信號通過光耦隔離輸入到數據選擇器。單片機軟件通過設置定時器T,來捕獲數據選擇器輸出端信號的正跳變,從而確定了三相波頭中A相到達的時間。由于三相整流AC相電壓在角度為n/S時換相,所以在工頻條件下,監測到電壓信號的正跳變時延時約1 66ms開始進行ADC采樣。為了提高精確度,每個波頭采樣58次,每相電壓值采樣完成之后,計算出其平均值,再根據平均值與有效值之間的關系得出各相電壓的有效值。其換算公式為:U平均值U有效值將得到有效值與預先設定的過壓和欠壓基準有效值相比較,從而判斷該相是否欠壓或是過壓。單片機根據判斷得出的結果控制LED的變化和控制開關的切換。電源電壓異常時,各相電壓的LED指示燈的閃爍。某相過壓時則該相指示燈以5Hz閃爍;欠壓時以10Hz閃爍;缺相時燈滅;正常時燈亮。

  在程序中,用軟件設定定時器T中斷、定時器1輸入捕捉中斷、ADC中斷、外部中斷0和看門狗定時器復位中斷。其中定時器T中斷程序用來實現對LED閃爍頻率的控制;定時器T,輸入捕捉中斷用來準確定位A相波頭到達的時間;ADC中斷程序用來進行對信號模擬量的采樣;外部中斷0程序用來進行自動控制和手動控制的轉換;看門狗定時器用來監視程序的運行,一旦程序“跑飛”或出錯,3可靠性分析在硬件設計上,把強電信號與弱電信號通過光耦進行隔離,避免三相電流波動過大而引起的電磁干擾。在輸出控制信號時,由于使用繼電器來控制動作,繼電器上的線圈會對單片機的信號產生干擾,我們選擇輸出鎖存器來鎖存信號,降低干擾度。

  軟件設計上,對外界輸入信號實行多次檢測,以防止一些干擾量的輸入。在進行采樣的時候,首先進行軟件的數值濾波,再進行有效值的計算,來判斷各相電壓的狀態,盡量避免誤動作的發生。

  可以達到1另外還有國際整流公司的IRE51XX系列是基于單周期控制原理,不需要采集輸入電壓,外圍電路簡單。

  而怎樣提高功率因數校正器的動態響應是當前擺在我們面前的一個難題。

  22單級功率因數校正技術的發展趨勢在20世紀90年代初提出了單級功率因數校正器,主要是將PFC級和DCDC變換級集成在一起,兩級共用開關管。它與傳統的兩級電路相比省掉了MOSFET增加了二極管。另外其控制采用一般的PWM控制方式,所以相對簡單。但是單級功率校正存在一個非常嚴重的問題:當負載變輕時,由于輸出能量迅速減小,但占空比瞬時不變,輸入能量不變,使得輸入功率大于輸出功率,中間儲能電容電壓升高,此時占空比減小以保持DCDC級輸出穩定,最終達到一個新的平衡狀態。這樣中間儲能電容的耐壓值需要很高,甚至達到1 000V當負載變重時,情況相反,怎樣降低儲能電容上的電壓是現在單級功率因數校正研究的熱點。

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