开关信号输出（精选6篇）
开关信号输出 篇1
摘要：针对目前机车制动机机械式压力开关存在的问题, 从系统角度出发, 对制动缸压力开关信号输出方式进行了改进。
关键词：机车制动机,机械式压力开关,改进
0 引言
目前, 机车制动机采用了多个机械式的压力开关来检测或输出相应的容积压力状态, 一般包括:辅助压缩机启停压力开关、压缩机启停压力开关、停放制动与缓解状态压力开关、制动缸压力开关、总风低压保护压力开关等。这些机械式的压力开关直接或间接地影响到制动机和整车的正常功能。鉴于机械式压力开关本身固有的特性, 本文对制动缸压力开关信号输出方式进行了改进, 以消除机械式压力开关可能带来的隐患。
1 压力开关原理
机车制动机一般设置2个制动缸压力开关 (单点压力开关, 保证一个动作值准确, 压力上升或者下降到某个值产生动作) , 分别为40 k Pa制动缸压力开关和90 k Pa制动缸压力开关, 其中40 k Pa制动缸压力开关输出机车牵引封锁信号 (制动缸压力大于40 k Pa输出封锁信号, 防止机车抱闸运行) , 90 k Pa制动缸压力开关输出机车电制动切除信号 (制动缸压力大于90 k Pa输出电制切除信号, 防止机车空气制动与电制动力叠加) , 其一般结构如图1所示。
注:1压力接口;2感压膜片;3弹簧;4活塞;5 (6) 触点;7调整压力旋钮
其工作原理是:随着空气压力变化, 感压膜片带动活塞, 通过连接导杆推动活动触点移动, 当被监测点的空气压力高于或者低于压力开关的整定值时 (通过调整压力旋钮可以适当调节整定值) , 开关触点接通或断开, 从而实现利用空气压力的变化控制电路转换的功能。
2 压力开关特性及隐患
理论上40 k Pa制动缸压力开关的整定值应为40 k Pa, 90 k Pa制动缸压力开关的整定值应为90 k Pa。但由于压力开关的机械特性, 其动作分为升压动作和降压动作, 两个动作的整定值通常不相等, 如图2所示。当制动缸压力逐渐上升时在K2压力值压力开关动作, 随着制动缸压力降低在K1压力值时压力开关复位, K2与K1之间的差值称之为机械式压力开关的“死区”。
如果制动缸压力大于等于90 k Pa时压力开关动作, 那么压力开关复位将在90 k Pa以下某个值。如表1所示, 压力开关工作在弹簧的弹性范围内, 则压力开关的设定值偏移量较小, 可以保证在其精度范围内。
当压力开关的膜片或弹簧, 在承受远远超过其本身设定值的高压力后, 产生的形变将超出其弹性范围, 使其恢复到原始状态需要一定的时间 (压力开关延迟断开现象) , 甚至压力开关无法恢复到原始状态, 造成无法断开的故障, 从而影响正常的行车。以40 k Pa制动缸压力开关为例, 其弹簧及膜片复位力本身设置较小, 而机车制动缸的压力经常会处于0 k Pa到450 k Pa之间, 当制动缸压力长时间处于高压状态时, 弹簧或膜片的形变将有可能超过其弹性范围, 当制动缸压力由较高压力降为零后, 压力开关无法复位, 一直输出机车牵引封锁请求, 造成机车无法正常施加牵引。
3 改进方案及效果
鉴于上述机械式压力开关的特性, 本文提出的制动缸压力开关信号输出改进方案为:正常情况下由制动控制单元 (BCU) 采集制动缸压力传感器信号输出相应状态给机车中央控制单元 (CCU) 。
图3为改进前制动缸压力开关信号输出示意图;图4为改进后的制动缸压力开关信号输出示意图。压力传感器采集值为线性的模拟量, 不存在机械式压力开关的“死区”, 也不会出现整定值漂移的问题, 控制精度更高、更稳定。
改进后的方案在HXD1型机车DK-2制动机上进行了验证和装车试用, 改造后效果明显, 制动机未再输出错误的牵引封锁和电制动切除信号。
4 结语
本文着重分析了机械式压力开关的原理及特性, 从机车制动机运用的角度出发, 将制动缸压力采集方式由机械式的压力开关改为电子式的压力传感器采集方式, 使制动缸压力输出更精确、更稳定, 从而提高机车制动机的可靠性。
微信控制6路输出开关 篇2
关键词：微信,MDK,WebSocket,单片机C8051F020 W5100
1 系统概述
系统框图如图1所示。
通过手机微信, 关注公众号后, 在公众号里, 发送命令“开灯1”, 把单片机输出模块的第一路打开, 如果输入“开灯123456”, 则同时打开6路, 发送命令“关闭3”, 则把第3路输出关闭。
如图2所示。
由于微信本身的开放性, 对于开发者来说, 可以先申请一个公众微信测试号https://mp.weixin.qq.com/debug/cgi-bin/sandbox?t=sandbox/login, 然后在微信开发平台设置好URL, 填写自己的服务器地址, Token是自己指定的一个字符串, 微信就会把手机发送的各种消息, 以XML数据包的形式发送到自己的服务器这边。比如我填写了http://www.gamehorse.com/wx/wx.php, 那么微信会把你公众号的消息, 最终发送到wx.php这里。
需要注意的是, 必须先编写wx.php里面的最基本的微信响应回复的代码, 因为微信服务器会对你提交的服务器地址, 先进行测试的。如果仅仅是空代码或者不符合格式, 提交URL会通不过!
在自己的服务器使用xampp建立一个网站。使用C++代码, 编写一个Web Socket程序, Web Socket和wx.php在同一个服务器, 通过使用自定义的TCP协议格式通讯。单片机这边使用C8051F020 (高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核 (可达25MIPS) ) , 通过网络芯片W5100 (内部集成有10/100Mbps以太网控制器, 主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中) , 单片机和服务器的Web Socket进行通讯, 使用标准的Web Socket协议。以上所见, 这样的系统结构, 复杂度在于服务器这边, 单片机明显降低了难度, 由于不是单片机为服务器, 所以也为单片机以后的扩展, 提供了方便。
Wx.php主要是通过eclipse编程环境, 当然也可以是editplus。
C++服务器代码, 使用了轻量级的MDK网络库, 使用VS2010版本。
单片机使用KEILC UV4,
2 服务器端wx.php
Wx.php里是尽可能的简洁明了, 没有使用任何框架。
define ("TOKEN", "xxx") ;
define ("APP_ID", "xxxxxxxxx") ;
define ("APP_SECRET", "xxxxxxxxx") ;
这三个字符串的信息是在微信开发平台进入自己的测试公众号里。
当有echostr字串时, 进入valid () , 再进入check Signature, 细看具体的代码, 提取出signature, timestamp和nonce, 把timestamp和nonce再混合自己的TOKEN, 通过sha1运算, 形成一个字符串, 这个字符串和signature比较, 相等的话, 通过了验证。
当没有echostr字串时, 进入response Msg。这里, 根据项目要求, 仅仅响应了菜单点击, 键盘输入, 语音输入。
显然text和voice是同一个处理函数, 因为声音已经被微信转换为文字了, 不过声音转换为文字是放在$Recognition字段, 键盘输入的文字是放在$Content的。切记在微信开发平台进入自己的测试公众号把声音功能打开, 否则声音输入是无效的!
进入receive Text ($post Obj) , 把信息放入$content, 进入自定义函数Light On Off ($content) ;在函数Light On Off里使用strpos函数找关键字“关灯”或者“开灯”, 然后分解出路数, 最后解释为1为开灯, 0为关灯, 保存到字串$cbuf中。
前面2个字节为0, 10为整个数据包的长度, 10个字节。在很多的TCP包中, 前面的两个字节一般都是代表长度的。0x81和6由于和Web Socket有关系, 在服务器程序中, 再次说明。$cbuf包含了6路的开灯和关灯数据。
从微信里获取数据后, 通过socket_write到Web Socket程序, 就可以完成, 然而, 实际中发现socket_write写好后, 提示写入成功, 并且是正常的socket_close, 可是很多时候Web Socket程序, 并没有收到任何数据。后来我推测, 应该和PHP的执行程序有关系, 在wx.php语句执行完成后, 整个相关的线程退出, 所以socket_write尽管提示写入成功, 但是还没有完全写入系统缓存, 系统也没有告诉Web Socket程序, 而PHP相关线程的退出, 导致所有的信息消失, 结果Web Socket程序没有收到相应的TCP数据包。针对这个特性, 在socket_write后, 使用socket_recv等待Web Socket程序返回数据。如此, 保证了Web Socket收到了TCP包, wx.php中的socket_recv收到返回数据包后, 再socket_close, 释放系统资源。这样的流程write和recv, Web Socket从来没有丢失过TCP包。
3 服务器端Web Socket
(1) 其实使用PHP语言使用socket_select函数也是能构造一个小型的服务器端, 然后不断的事实证明, 这个非常的不稳定, 困扰了我整整一个月, 不管我怎么改进, 仅仅连接了2个socket, 连接时间1个星期左右, 就会崩溃。最后, 我选用了高性能网络MDK库,
http://www.oschina.net/p/micr odevelopment-kit, 目前最新版本为1.97, 使用后, 性能稳定, 连续运行四个月, 没有发现任何问题。MDK库最后形成一个DLL文件, 在VS2010中, 加载MDK的.h文件, MDK仅仅需要响应业务层最关心的3件事, 连接发生 (On Connect) , 消息到达 (On Close) , 连接关闭 (On Close) 3个接口, 让服务器端开发者可以全身心的投入业务逻辑的开发中。极大的加快了Web Socket程序的开发。
(2) 单片机和服务器端的连接, 完全可以自定义数据包格式, 但是为了更加通用, 最终决定使用国际通用的Web Socket格式。
Web Socket协议首先由客户端发出握手请求。
请注意最后的字串“rn”, 绝对的不能丢掉!
服务器收到握手请求后, 进行Sha1运算后, 然后发回, 客户端再次验证, 如果通过, 就可以下一步的自由通讯了。
下一步的通讯, 使用如下的数据格式。
在Web Socket协议中, 使用序列frames方式来传输数据。一个frame的标准格式如图3。
举个最简单的Web Socket数据例子, 0x81, 6, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 这就是符合要求的一个数据包。0x81, 代表FIN=1, 是消息的结束帧, Opcode=1, 代表文本消息。6, 代表Mask=0, 不使用掩码格式, Payload len=6整个数据长度是6个字节。而通过wx.php过来的10个字节, 后面8个字节其实是完全符合Web Socket定义的, 服务器的Web Socket程序, 只要把后面的8个字节直接转发到单片机就可以。
(3) 服务器端的Web Socket是在高性能网络MDK的基础上编写的, 编程环境为VS2010, 由于有两个TCP连接, 一个和wx.php连接, 端口号设定为12345, 一个是和单片机连接, 端口号设定8080。下面主要是分析和单片机连接TCP数据包这部分。当单片机发起握手连接的时候, 在Hand Shake函数中, 提取出Sec-Web Socket-Key关键字后面的字段, 进行Sha1运算, 再进行base64encode包装, 然后再根据填入格式中, 发回单片机。
并设定为握手完成。
后面的进行正常的websocket自由通讯了, 在小于126字节的时候, 可以使用最为简单的封装格式, [0x81], [6路开关], [开关1][开关2][开关3][开关4][开关5][开关6], 在实际中发现Web Socket的TCP连接, 大约3分半的时长不收发任何数据, 会自动断开, 正对这个问题, 服务器websokcet开启定时器, 大约在1分钟左右, 对单片机发送一次以前的数据, 从而保持长连接。
4 单片机C8051F020+W5100
C8051F020通过并口对网络芯片W5100进行读写, 当W5100有数据包到达后, 中断MCU的INT0, MCU进入中断服务程序, 进行数据包的读取。由于整个系统的复杂性, 都在服务器这边, 对于单片机来说, 初始化后,
(1) 连接服务器connect (SOCKET_RECV, server, 8080) 。
(2) 发送握手信号send (SOCKET_RECV, httphead, uhttpheadlenght) 。
(3) 等待INT0中断, 读取数据包, 判断是否是握手信号的回应。如果是, 到4, 如果不是, 异常处理。
(4) 等待INT0中断, 读取数据包, 进行自由通讯的Web Socket消息处理。服务器发送的是6路的开灯和关灯数据, 获取这6路数据后进行业务解释, 如果是1则闭合这路开关, 如果是0, 则断开这路开关。
5 总结
从手机微信发送命令, 经过微信服务器, 到达自己的服务器wx.php, 再到达Web Socket.exe, 再到达单片机C8051F020, 整个系统的复杂性在于服务器这边, 服务器端连续运行到目前为止, 从没有出现过问题。通讯的命令格式使用Web Socket国际标准, 在没有单片机的时候, 通过IE也能非常容易的收发, 验证。
开关信号输出 篇3
关键词：可编程逻辑控制器,开关量输出,模拟量输出,PWM脉宽调制,占空比,RC时间常数
0 引 言
PLC已被广泛应用于工业生产,而模拟量控制也已不可或缺,如今主流的PLC均具备模拟量输出模块选件,但一个模块至少需要千元左右,对于只需少量模拟量输出点且转换精度要求不高的系统,如冷却系统风机变频调速系统、供水系统压力控制系统、输送机械变频调速系统等,则显得成本较高。如果采用脉宽调制(PWM)技术,基于现有的PLC晶体管开关量实现模拟量输出,在满足控制要求的同时,可大大降低控制系统成本。
本研究以西门子S7-300、S7-200及三菱FX系列PLC为例,介绍采用PWM技术实现利用PLC晶体管开关量输出模拟量的方法。
1 PWM脉宽调制技术介绍
PWM技术被广泛应用于从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中[1]。在本研究中,希望通过采用脉冲周期固定、调整脉冲宽度大小的方法,实现一个与脉冲宽度成线性关系的模拟量输出。开关量输出与模拟量输出的波形图如图1所示。图1(a)中,T0为脉冲周期宽度,是一个固定值,T1为开关量输出脉冲宽度,是一个可控的变化值,Δt=T1/T0为脉冲占空比,即输出导通时间占脉冲周期时间的比例[2],输出关断时,占空比为0%,输出始终导通时占空比为100%;图1(b)中,模拟量输出的大小是随着开关量输出占空比大小的变化而变化的,理想的模拟量输出Uout=Umax×Δt,即输出与占空比成线性关系。
2 输出平滑电路
开关量输出必须配合使用平滑电路,才能实现与占空比成线性关系的模拟量输出。同时,由于受频率特性限制,PLC开关量输出必须是晶体管输出类型。一典型的平滑电路如图2所示[3]。图中,当由共发射极输入端输入时,适用于三菱FX系列等共发射极输出的PLC使用,而增加虚线框内的元件后,由共集电极输入端输入,则适用于共集电极输出的西门子等PLC。
2.1 工作原理
以共发射极输入为例,电源经稳压管稳压后保持在10 V,当输入端IN为低电平时,T1导通,T2关断,电源经T1和电阻R对电容C充电,电容C两端电压慢慢上升,直至上升到电源电压;当输入端IN为高电平时,T1关断,T2导通,这时电容C通过电阻R和T2放电,电容C两端电压慢慢下降,直到为零。由输入端IN的高、低电平控制T1和T2的交替导通和断开,输出端电容C不断地经电阻R进行充、放电,使其两端的直流电压保持在一个相对平衡的值。当T1导通时间加长而T2导通时间缩短时,电容C的充电时间加长,放电时间缩短,电容C两端电压较高;反之,当T1导通时间缩短而T2导通时间加长时,电容C的充电时间缩短,放电时间加长,电容C两端电压较低;当IN始终保持在高电平时,即占空比为0%,T1保持关断,T2保持导通,电容C始终处于放电状态,直至电压为零,而IN始终保持在低电平时,即占空比为100%,T1保持导通,T2保持关断,电容C始终处于充电状态,直至电压为电源电压。电容C两端的电压与充、放电时间的比值基本成线性关系,因此,控制T1、T2的导通和关断时间比例,即输入脉冲信号的占空比,可控制电容C两端电压的大小,即:
Uc=Umax×Δt=10 V×Δt (1)
2.2 主要参数选择
电路能否正常工作,关键取决于以下两个因素:
(1) 充放电电阻R和电容C的值。时间常数t=R×C必须远大于脉冲信号脉冲周期T0,一般取10倍以上。时间常数太小时,电容C两端电压不稳,有明显的脉动,但也不能太大,过大会造成线路响应时间太长。
(2) 脉冲信号频率不能太低。频率降低,T0增大,势必要求增大RC时间常数,电容C容量加大,体积会变得很大,同时造成电容C两端电压脉动明显。由于受限于PLC的性能,脉冲信号的频率不可能很高,根据实际经验,一般以不低于8 Hz为宜,上限则取决于PLC的性能。
3 PLC设置及控制程序
3.1 有专用脉宽调制指令的PLC
西门子S7-200系列PLC有两个PTO/PWM发生器,能建立高速脉冲输出串(PTO输出,脉冲周期可以改变,占空比为50%)或高速脉冲宽度可调节的波形(PWM输出,输出脉冲周期和占空比可以改变)[4,5,6],三菱FX系列PLC也具有专用的脉宽调制指令,实现比较简单。
以三菱FX系列PLC为例,其脉宽调制指令为FNC58(PWM),用于Y000和Y001输出控制(即最多可控制2个点),由于三菱FX系列PLC为共发射极输出,平滑线路PWM脉冲信号须从共发射极输入端输入。指令应用如图3所示。
S1—脉宽T1设定值,0～32 767 ms;S2—脉冲周期T0设定值,0～32 767 ms(图中为50 ms);D—输出端,Y000或Y001.
例:在输出端Y000输出一个20 Hz,占空比为20%的脉冲信号。应设定为:
S2=50 ms,即频率f=1 000 ms/50 ms=20 Hz;S1=10 ms,占空比Δt=S1/S2=20%;分辨率为1/50。当用此设置控制某一最高运行频率为50 Hz的变频器时,理想的频率控制最小单位为1 Hz。
3.2 无专用脉宽调制指令的PLC
西门子S7-300、S7-400等PLC并无专用的脉宽调制指令,但通过循环中断程序(定时中断)也能实现PWM输出。S7-300 PLC的实现方法如下:
(1) 硬件设置。修改CPU设置cyclic interrupts中OB35的循环中断时间[7],这个时间需根据PWM脉冲频率及模拟量输出的分辨率而定,循环中断时间太长,则造成频率太低或分辨率太低,而循环中断时间太短,会使CPU负担太重。以4 ms为例,每1 s内CPU调用OB35的次数为1000 ms÷4 ms=250次,若分辨率要求为1/25,则频率为250÷25=10 Hz。
(2) 控制程序。基于S7-300/400 PLC实现的PWM控制程序如图5所示。
①插入OB35程序块,并在该程序块中加入CALL FC1指令(FC1功能块用作PWM控制程序)。
②以循环中断时间为4 ms,分辨率为1/25为例,其中中间继电器M100.0启动PWM输出,Q4.0作脉冲输出点,DB1.DBW0为脉冲周期计数器,DB1.DBW2为占空比设置值,在FC1中输入如图5所示程序。若在DB1.DBW2中设置为20,程序运行后,置位M100.0,则在Q4.0上输出频率为10 Hz、占空比Δt=20÷25=80%的脉冲信号,经平滑电路处理后,在电容器C上得到理想的模拟信号大小为:
Uc=Umax×Δt=10 V×80%=8 V。
4 应用实例
以杭州发动机有限公司从美国应达公司进口的12.5T保温电炉为例,其逆变电源冷却水要求额定温度为33 ℃,最低不得低于25 ℃,最高不高于69 ℃,冷却水系统由杭州发动机有限公司自行设计配套。为了满足冷却水温度要求,其冷却塔风机采用变频控制,根据水温调节冷却塔风机转速。具体配置如下:
(1) 硬件配置。PLC采用三菱FX1N-40MT-001;温度检测为电炉配套的5个冷却水温度检测开关,接入PLC输入点,分别设置为25 ℃、31.5 ℃、33 ℃、34.5 ℃、40 ℃,其中25 ℃为低温报警点,40 ℃为高温报警点;变频器选用三菱FR-A140E-7.5风机专用变频器。
(2) 参数设置。运行频率控制设置为模拟量0～10 V,最高运行频率52 Hz,模拟量信号由PLC的Y0采用PWM脉宽调制输出后经平滑电路提供,脉冲周期设置为100 ms(S2为100,即脉冲频率10 Hz),占空比设置值则根据冷却水温度自动调整,分辨率为1/25(即S1的最小单位为4 ms),Y2用作变频器运行控制信号。
(3) 工作数据。实际测试的运行数据如图6所示。由图中可以看出实际模拟量输出信号线性较好。由于晶体管饱和压降的缘故,当占空比为0%时,实际输出并非为零,而是0.359 V,在变频控制使用中,太低的频率段并无实用价值,因此,该缺陷对实际应用没有影响;当占空比为100%时,实际输出为9.7 V,由于变频器最高频率设置为52 Hz,变频器实际运行的最高频率为:
Fmax=Uc×52÷10=9.7×52÷10=50.4 Hz,基本接近电动机额定运行频率。
5 结束语
与模拟量输出模块相比,采用PWM控制方法输出的模拟量在实际应用中有一定的局限性,如分辨率低,线性度较差,但仍不失为一种实现模拟量输出的方法,特别是在一些项目总价较低的场合,更具有其应用价值。随着电子技术的发展,PLC运行速度日益提高,采用PMW技术实现模拟量输出,其分辨率及线性度水平将得到很大突破。
参考文献
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[6]张寿兵,沈晓红.PLC在步进电机控制中的应用[J].机电工程技术,2008,37(1):104-106.
开关电源的并联均流与恒功率输出 篇4
自开关稳压电源问世后, 以其效率高、体积小、重量轻等优势在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等领域逐步取代了效率低且笨重的线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的开关电源为串联型, 其主电路拓扑与线性电源相仿, 但存在着体积大、效率低、承受过载和短路能力差等缺点。随着脉冲宽度调制 (PWM) 技术的发展, PWM的控制方式愈来愈多地应用于开关控制器的设计。其特征是电路设计简单, 性能稳定, 控制型效率高, 能够很好的稳定电压幅值, 同时, 通过改变脉冲宽度占空比固定开关的频率改善波形, 具有良好的抑制输出电压纹波和噪声功能。PWM的开关电源, 电流模式的又明显优于电压模式, 因为电流模式的PWM电源是电压、电流双环反馈, 动态性能更好, 并且自动抑制磁偏。下面的讨论全部基于Unitrode公司 (已被TI收购) 生产的UC3856电流模式PWM控制器。
1 基于分立器件的恒功率短路保护
一个完善的电源必定有着各种各样的保护措施, 比如:输入过压, 欠压, 浪涌;电源本身过热;输出空载和短路。根据电源短路时输出的伏安曲线, 其短路保护策略分为关断 (7字型伏安曲线) ;恒流 (下垂型伏安曲线) 和恒功率 (双曲线型伏安曲线) 3种。恒功率输出的伏安曲线如图1所示:电源正常工作在恒压区。当负载短路时, 电源降低输出电压, 保证输出功率不变, 器件不会过热, 电源仍然可以正常工作, 电源处于恒功率区。随着负载电阻进一步减小, 输出功率不变, 电流增大, 电感和变压器的磁芯会逐渐饱和, 必须限定输出电流, 电源将进入恒流区。也就是说, 恒功率输出这种短路保护策略是让电源在不烧毁自身的前提下, 尽最大努力保证负载工作。
用分立器件搭出短路时恒功率输出的电路, 最简单的方法只需要几个二极管和运放。
设电源输出恒压区200V, 恒功率区100W, 恒流区1A。a点=Vo/100, b点=Io×0.1Ω。上面的电路实际是在伏安曲线图上200V、0.5A和100V、1A这两点之间画了一条向下倾斜的直线来代替恒功率的双曲线。误差最大的地方在直线段的中点, 输出功率为150V×0.75A=112.5W, 误差12.5%。功率影响的是器件的散热, 要求不如电压和电流严格, 还是可以接受的。运放N4A计算的是电源输出的电压和电流乘上一个系数在相加, 也就是说R1和R2的取值要保证200V、0.5A和100V、1A时, 运放N4A的3脚输入不变。例如R1=20kΩ, R2=1kΩ。然后调整R3和R4的比值, 使200V、0.5A和100V、1A时, 运放N4A的1脚输出2.5V (2.5V是VCC的一半) 。运放N2A和N3A实际是比较器。如果电源输出电流大于1A或者输出功率大于100W, 那么运放N2A或N3A输出VCC (5V) 。二极管导通, 累加一个电压到运放N1A上去。反之, 二极管截断, 运放N1A只受a点电压的影响。另外, 运放N1A不是分立器件, 是集成在UC3856中的电压放大器。参考电位VREF不能高于VCC (5V) 减去二极管的门限电压 (例如肖特基二极管为0.5V) 。
2 基于UC3907的并联均流
如果用两个200V、100W, 短路时恒功率输出的开关电源模块并联在一起去给200V、150W的负载供电。由于模块间的差异性, 模块1单独工作时输出200V, 模块2单独工作时输出199.9V。那么它们并联起来工作时, 输出电压199.9V, 模块1输出100W模块2输出50W。在这种情况下, 模块1的工作温度就就会比模块2高出几度到十几度, 其元件老化速度也要比模块2高出很多。所以我们需要一种并联均流技术, 来将工作负载尽量平均的分到各个并联的电源模块上。
电流均流法很多, 有:下垂法、主从法、外接控制器法、平均电流法、最大电流法等。相对而言最大电流法性能最好, 调整简单易实现, 均流母线开路或短路都不会影响各电源模块的独立工作, 任一模块的故障也不会影响均流功能的实现。最大电流自动均流法是一种自动设定主模块和从模块的方法, 即在N个并联的模块电源中, 输出电流最大的模块电源, 将自动成为主模块.而其余的模块电源则为从模块, 它们的电压误差依次被整定, 以校正负载电流分配的不平衡。其原理图如下:
UC3907就是采用这种工作原理的均流控制芯片。这种均流芯片目前使用较广泛。UC3907均流控制芯片能使并联运行的电源模块单元工作在所设定的电流值上, 均流精度可达2.5%。
3 基于DSP的数字化恒功率和并联均流方案
我们上次做的一个开关电源模块, 300V到150V100W的输出, 体积要求香烟盒大小 (8.8×5.5×2.2cm) , 要同时做短路时恒功率输出和模块间并联均流, 空间很紧张。但是这个电源模块的负载变化极慢, 几乎没有动态特性要求。所以我们定出方案, 用一片DSP来实现恒压, 恒功率和并联均流3个反馈环。
经过实际调研和性能比较, TI公司的C2000系列DSP芯片具有诸多优点, 包括定点处理器C24X和C28X。C24X系列为16位定点处理器, 运算速度为20MIPS~40MIPS, 可用于低速数据采集;TMS320C28X DSP系列为32位定点处理器, 运算速度高达400MIPS, 可用于高速数据采集。C2000系列采用高性能的静态CMOS技术, 3.3V电压供电, 内核电压为1.8V, 片内程序空间集成Flash, 可以将系统控制程序直接烧入DSP芯片内部而不用外扩Flash存储芯片, 减少系统的功耗和体积。C24X系列DSP内置2×8通道10位数据转换 (ADC) , 转换时间约为500ns;C28X系列DSP内置2×8通道12位数模转换 (ADC) , 转换时间为80ns。经过分析和比较, 我们选择用UC1856 (uc3856的军温级) 加上TMS320LF2401AVFS来搭建这个电源模块。
UC1856的电流检测脚采用正常接法, 对于推挽拓扑的开关电源, 是接在开关管下方的电流检测电阻上。UC1856的电压检测放大器接成电压跟随的形式 (一般情况是积分或者比例积分的形式) , 接到一个由TMS320LF2401AVFS控制的D/A转换器上。电源的输出电压采样, 输出电流采样, 均流误差采样的模拟电压信号接到TMS320LF2401AVFS的3个A/D通道上。TMS320LF2401AVFS通过控制UC1856的电压检测放大器的输入, 来调整PWM的占空比, 最终完成恒压, 恒功率和并联均流三项工作。
TMS320LF2401AVFS的算法流程如下:
步骤一:损坏防止
1) 电源输出电压是否超过最大电压300V?超出计算差值, 未超出此项为零;
2) 电源输出电流是否超过最大电流2/3A?超出计算差值, 未超出此项为零;
3) 电源输出功率是否超过最大功率100W?超出计算差值, 未超出此项为零;
4) 计算损坏函数f1=α×电压超出量+β*电流超出量+γ×功率超出量, (αβγ是系数, 其中功率是二次量衰减系数更大) 。如果f1大于0跳转到步骤三, 否则继续步骤二。
步骤二:性能调节
1) 计算f2=电源输出电压-参考电位VREF;
2) f3=均流误差。
步骤三:占空比调节
根据f1进行大步长衰减, 根据f2进行中步长调节, 根据f3进行小步长的修正。
为了加速收敛和衰减震荡, 采用了标准的PID算法。
根据最终的测试结果, 这个UC1856加上TMS320LF2401AVFS的电源模块, 调压精度约1/1000, 和TMS320LF2401AVFS的10bitA/D一致。其占空比调节的频率大概是20KHz, 动态性能不光满足上次设计的特殊用途, 对于一般应用, 外加一两颗储能的大电容, 也能满足要求。
4 结论
本文总结了开关电源在短路保护时, 采用恒功率输出和多电源模块之间进行并联均流的一般实现方法。以及本人所在项目团队, 在做上一个电源项目时, 有特殊要求的情况下, 恒功率输出和并联均流的实现方法。希望能为电力电子技术的爱好者和工程师, 开拓思路, 略有助益。
摘要：本文讨论了一般情况下, 开关电源采用恒功率输出策略做短路保护和多模块并联均流的实现方法, 与笔者所在项目团队在做上一个电源项目时, 采用牺牲电源动态性能, 来满足电源体积要求, 数字化实现并联均流与恒功率输出的方法。为实现开关电源这两项功能, 提供了一条新思路。
关键词：并联均流,恒功率,开关电源
参考文献
[1]ABRAHAM I.P开关电源设计[M].王志强, 译.电子工业出版社, 2007.
[2]Texas Instruments.UC3856/UC3907/TMS320LF24XX DATASHEET, 2010.
[3]张占松, 蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].电子工业出版社, 2004.
开关信号输出 篇5
1UC3842的功能分析
UC3842是一种可固定频率且可高效控制电流的芯片,该芯片可为电源设计者提供在尽可能少的外部原件需求下,仍可满足高效益的设计和解决方案[2,3]。 其具有较强的保护特性,这些对应的电路中振荡器可进行微调,能对真空比做出准确控制,且对温补进行参考,误差运算放大器也具有较高的增益,驱动功率MOSFE的理想器件是比较器以及大电流的柱式输出, 其保护特性还可进行输出和输入的压力锁定,对电流大小的限制、对编程时的输出时间以及脉冲多个或一个的测量锁定。UC3842主要是一种电流型的控制器, 其具有较多优点: 如引脚少、电路设计简单明了、性能稳定且性价比高等。其频率稳定度也较好,具有较低的电压调整率; 此外对输入端进行过压保护,另具有电流保护,在电压不足时进行电压锁定等功能。UC3842的引脚图如图1所示,其工作原理为: Vcc芯片的工作电压端,接入 + 16 V电压对装置进行启动,引脚6是调制脉宽信号的输出端,Vref将内部基准电压进行引出,补偿端接外部阻容元件,并对控制环路进行补偿; 引脚5为公共地,输出电压在被电阻分压器分压并获得反馈电压后,直接接入到反馈端; Rs为外部的电流检测电阻,电流进行取样后直接接入Rs,在开关管的电路中Rs起到的是串联作用; RT/CT分别为外接定时电阻和电容的公共端[4]。
2总体设计
该开关电源的总体结构图,如图2所示。开关电源的主要电路由前置滤波电路、输入整流电路、滤波电路、功率变换电路、高频变压器、PWM控制器电路以及输出整流滤波电路等组成。开关电源的辅助电路由输入输出过欠压保护电路、滤波电路、功率变换电路和高频变压器输出短路保护电路组成。而交流/直流转换电路的作用是对电路进行整流滤波[5]。而直流/交流转换器则是开关电源组成中最为重要的一部分,其分为较多的基础类型,例如,综合式、Push式、前进式、后退式、全部式和半部式的转换器。系统中输出电压是否稳定也是开关良好与否的重要指标。而电源中电压稳定则是靠控制器来保持的,其工作过程和线性控制器相比,有诸多相同之处,所以控制器可将功能模块、 电压处理模块和误差分析与放大模块的设计均参考线性调节器的方式来进行处理,而只需注意其唯一不同之处,就是要将一个电压/脉冲宽度转换单元放到误差放大器的输出功率管之前。
3开关电源系统及各模块设计
开关电源设计的整体结构如图3所示,包括EMI滤波电路、整流滤波电路、箝位电路、吸收回路、控制电路、输出整流滤波电路和反馈电路。另外,还有高频变压器与开关器件MOSFET[6]。本文设计的开关电源运行过程为,输入交流电压V首先通过系统最前端的保护电路后,再进行滤波。这是因需要减少系统中自身对电网的干扰,同时也对电网内部的干扰进行控制,所以需通过EMI滤波,将交流电压自动转化为直流电压,原因是为了使其可通过高频的变压器,并在此可改变电压的大小,还可将电压输入到整流滤波电路中继而得到所需的输出电压。在得到输出电压的过程中, 会有大量的能量存储在一次侧中,为了对电路进行保护,需要加入一个箝位电路来保障整个电路正常运行。 当确保正常工作后,需注意效率问题,故为提高电路的运行效率,还加入了一个吸收回路,其作用是针对在开关管开关过程中所造成的损耗,将其损耗将至最低。 而在电路运行的过程中,还可能会出现由于波动等问题导致输出电压不稳定的情况,所以在电路输出端加入一个反馈回路,其自动将输出电压进行分析并与标准电压比较,然后通过分析控制PWM的占空比,对开关管的开与关进行控制,继而保证电压可平稳的输出。 EMI滤波电路是整个电路中较为重要的一环,该滤波电路共有5个端口,分别为两个输入、输出端口以及一个接地端口,其中接地端口的外壳在电路运行时要与地接通。电路中包括共模扼流圈L、滤波电容C1~ C4, 虽然共模电感对差模信号没有作用,但其可较好地抑制共模干扰。耦合后的共模电感可增加电感量,这是因其磁通方向一致,继而共模电感会产生较大的感抗, 对通过的共模信号进行截断作用。扼流圈可承受的电感量大小是系统稳定的关键,为使其可承受更大的电流,本文可增加共模圈的半径,尤其是当流过的电流较大时,其另一个优点则是可大幅增强低频衰减的特性。 共模滤波器的作用是将线路与外部条件所产生的噪声进行过滤,工作原理是滤波器中“变压器”的绕组同相,但流过变压器的电流则与绕组方向相反。因此,相反方向上的两个电流在滤波器产生的交流磁感可相互消除。
高频变压器是设计的核心,在此输出型开关电源中额外拓展的结构较多,以半桥式功率转换电路为例, 在运行时开关管进行相互的导通直到会生成频率较高的脉冲波,再经过高频变压器对电压进行转换,最后会将不同的交流电压输出,而最终输出电压值的大小由变压器中线圈的比例来决定。半桥式变压电路是由3只高频变压器组成,这3只变压器每一种的衡量标准均各不相同,这体现在磁芯直径的要求上,磁芯直径≥ 30 mm的情况是主变压器的功率在300 W以上时; 但若直径 < 15 mm则将是功率低于300 W时。变压器的原理较为简单,其是一种变换电压、电流以及阻抗的工作器件,在初级的线圈中有交流的电流通过时,在磁芯 ( 铁芯) 中会产生交流磁通,可使次级的线圈感应到电压或电流; 而变压器是由线圈和磁芯组成,线圈有两个绕组,其中与电源相接的一个绕组称为初级线圈,其余绕组则称为次级线圈[7]。其在系统中之所以重要,是因为被主要使用在高频率的开关电源上作为这一电源的变压器; 此外,功率器件的选择也较为关键,通常若功率较大时,器件选择IGBT,但因IGBT可能会发生关断电流的滞留问题,继而导致影响其的工作频率。因此,若传送的功率较小时,可采用MOSFET,此时其的工作频率相比之前将有明显提升[8]。
4仿真分析
文中使用Saber软件,对所设计的电路进行仿真, 并对电路分别进行DC、AC、数据、误差等分析[9]。通过仿真,可在软件上直观有效地观察到系统中各个模块的测试数据,为使用者提供了更为有效地参考,也为电路的改进起到了关键作用。影响输出电压稳定性最主要的原因就是电源中开关管的开关状态及时间,为保证稳定性在仿真过程中,使导通的过程保持顺利,并将误差降到最小,必须加强对芯片输出电压的控制。 图4为所设计电路的占空比,将输出电压设置为约15 V,并将此输出电压作为驱动电压,从而得到占空比约为0. 43。从中可看到,矩形波最上端的细小凹凸表示芯片输出端峰值电流的电阻大小有待调整。此电路的主要输出为偏置电路,其不仅为主控制芯片提供电压, 保证电路正常运行,还连接回路中的分压电阻,确保电路可稳定的进行工作。通过观察可发现,偏置电路输出的电压波形,可约在1. 5 ms时达到预算效果,同时可使其始终处于约16. 997 V这一稳定状态。最终,将结果同之前的电压进行对比后发现,误差 <0. 3% 。
5结束语
文中设计了一款基于UC3842的多路输出型开关电源,实现了 ± 5 V、± 12 V的多路电压输出。( 1) 对系统进行试验分析,将系统中各个器件的数据均做出了运算。( 2) 对电源的设计指标及整体结构进行确定,依据要求的基本原则对整体框架做出设计后,并对每个模块也进行了相应设计,其中包括EMI滤波电路、整流滤波电路、控制电路以及高频变压器设计等。 ( 3) 针对每个模块的应用要求、工作原理和所能达到的效果等进行了分析与计算,并与之前相关的设计经验进行比较,选择出了最适当的器件,得到了最终的设计原理图。( 4) 利用Saber软件进行仿真,对电路的各个运行过程进行实验验证,通过计算与分析电路产生的波形与参数得到的结果可发现,此开关电源各路输出稳定,误差 < 1% ( ± 12 V) 、2% ( ± 5 V) ; 且工作效率也得到了大幅提升,达到了预期的设计要求。
摘要：为了使电源具有更好的使用效率和稳定性,文中设计了一种基于UC3842的多路输出型开关电源系统。文中分析了所使用芯片的选择原因,以及电源中主要模块的需求、原理。通过在特定软件上对所设计电源进行仿真,仿真结果表明,该开关电源各路输出稳定,误差<1%(±12 V)、2%(±5 V);且工作效率得到了大幅提升,符合设计要求。
开关信号输出 篇6
高频开关电源中功率管的高速开关动作,必然导致严重的电磁干扰EMI(ElectroMagnetic Interference)。随着电磁兼容法规的日益严格,开关电源的电磁兼容EMC(ElectroMagnetic Compatibility)性能关系到它能否推向市场。混沌信号易于产生并具有连续频谱,混沌扩频技术能把集中在功率管开关频率及其谐波上的EMI扩散在连续的频谱上,因而混沌扩频技术被认为是从源头上改善高频开关电源EMC特性的一种有前途的方法[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。但混沌扩频技术也会对高频开关电源的输出电压纹波造成影响。这里研究一个闭环的隔离式半桥AC/DC功率变换器,给出了电源输出电压纹波随混沌调制系数变化的计算方法。分析表明,输出电压纹波会随混沌调制系数的增大而有所增加。最后,提出了改善开关电源输出电压纹波的方法。
1 AC/DC功率变换器
研究一个将电压从交流220 V转换为直流24 V的半桥式AC/DC功率变换器,其主电路拓扑如图1所示,控制电路如图2所示。图2的控制芯片是UC3825,开关频率fs=60 kHz,Uc是由蔡氏电路产生的混沌信号,用于调制功率变换器中功率管的开关控制信号。根据文献[6],采用CCFMFD调制方式,扩频效果最好。因此,将混沌信号用于调制功率管开关控制信号的频率。
2 输出电压纹波与混沌调制系数的关系
功率管的开关控制信号G(t)如图3所示。运用了混沌扩频技术后,开关控制信号G(t)的频率随混沌信号而变。其混沌调制系数β的定义为[6,8]
其中,E[·]表示括号里变量的数学期望值。
当β=0时,该开关模式是周期PWM模式,此时开关频率fs=60 kHz。当β≠0时,开关周期在[Ts(1-/2),Ts(1+β/2)]范围内随混沌信号而变。
2.1 混沌扩频的效果
混沌扩频的效果是明显的。从图4可以看出,在没有加入混沌信号时(即图4(a)),功率变换器输入电流的频谱在开关频率60 kHz及其谐波处的幅值是比较高的。而经过混沌扩频后(即图4(b)),开关频率各次谐波明显得到了拓宽,谐波峰值降低,例如,在开关频率60 kHz处的峰值从36 dB降低到27 dB。
2.2 输出电压纹波
功率变换器输出端等效电路如图5所示。其中,R1是电感L1的等效寄生电阻,R2是电容C1的等效寄生电阻。理想情况下,二极管整流后的电压Ud (t)的波形如图6所示。
若图6中输出电压Ud(t)波形的第k个周期用Udk(t-tk)表示,假设εk=0,则Udk(t-tk)可表示如下:
对Udk(t-tk)进行傅氏变换,可得到其频谱如下:
参考文献[8],可推导出电压Ud(t)的功率谱密度函数(PSD)为
其中,E[·]表示括号里变量的数学期望值,是Udk(Tk,f)的复数共轭。因为混沌信号由蔡氏电路产生,所以周期Tk的分布概率密度函数p (Tk)如下[8]:
所以
输出电压的转移函数为
则其输出电压Uo的功率谱密度函数为SUo(f,β)=SUd(f,β)|H(f)|2,因此输出电压Uo(t,β)的自相关函数为
当τ=0时,
因为Uo(t,β)不是随机过程,因此E[Uo(t,β)]=[Uo(t,β),方差D[Uo(t,β)]=0,所以
在β确定的情况下,Uomax代表输出电压Uo(t,β)在时域的最大值,用[Uomin代表输出电压Uo(t,β)在时域的最小值,则输出电压Uo(t,β)的纹波为Us=Uo max-Uo min。本文中,L1=0.6 mH,C1=2 200μF,R1=0,R2=0.1Ω,UB=38 V,Uc=0,占空比D=0.317。分析结果如表1所示。可见,高频开关电源输出电压的纹波会随混沌调制系数的增大而有所增加,这一结论与已有的实验结果相一致[10]。
3 输出电压纹波的抑制
改善输出电压纹波的方法有2种,一种是调整输出电路的电气元件参数。但如果导致元件的体积过大,这时就要考虑第2种方法,即在开关电源的输出端增加一个简单的有源滤波器,如图7所示[13,14,15,16,17]。图中,C2=1 nF,C3=22 pF,R3=100 kΩ,R4=1kΩ,R5=1 MΩ,Lp=1 mH,Ls=2μH,变压器T的耦合系数K=1。输出电压的纹波经电容C2耦合进来,经过放大和相位调整,再通过变压器T产生一与电压Up的纹波相位相反幅度一样的补偿电压Us,以抵消电压Up的纹波,理论上可使输出电压Uo的纹波降低到零。
结果如图8所示,在高频开关电源的输出端增加了有源滤波器后,可以把输出电压的纹波减少到没加混沌信号之前的水准。
4 结论