專利名稱：一種在恒電位儀上應(yīng)用數(shù)字控制高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在應(yīng)用于外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的恒電位儀上應(yīng)用數(shù)字控制高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的方法，屬于外加電流陰極保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通常應(yīng)用于石油、石化、電力、港口、船舶、海洋平臺(tái)及市政等工程中起陰極保護(hù)作用的恒電位儀一般是可控硅恒和磁飽和恒電位儀。在使用中發(fā)現(xiàn)該類已有的恒電位儀效率低、體積大、重量大、工作時(shí)有工頻噪聲、控制電路可靠性差、輸出小電流時(shí)，負(fù)載中的電流幾乎不連續(xù)以及電性能差等問(wèn)題，使此種類型的恒電位儀在使用上逐漸不能滿足工程應(yīng)用的實(shí)際需要。
國(guó)內(nèi)目前也有在恒電位儀上應(yīng)用模擬控制開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的報(bào)道，但仍停留在試驗(yàn)水平，且采用的是模擬控制方式。該類恒電位儀主電路是由交流電源整流濾波電路、逆變電路、高頻整流濾波電路、功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路所構(gòu)成，其控制電路為模擬控制方式，即將模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單變換后，以模擬方式直接送至脈沖調(diào)制控制專用芯片，由該芯片通過(guò)分析反饋的模擬信號(hào)，輸出脈沖調(diào)制控制信號(hào)控制逆變電路的工作。在使用中發(fā)現(xiàn)此類恒電位儀雖然體積和重量減小，但可靠性差，控制精度低，不能滿足實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于避免和克服已有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足而提供一種在恒電位儀上應(yīng)用數(shù)字控制高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的方法。
恒電位儀是一種具有特殊用途的整流器，本發(fā)明與可控硅和磁飽和技術(shù)相比，在主電路的逆變電路部分和控制部分有較大的差距。與國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)報(bào)道相比，本發(fā)明采用了獨(dú)特的高速數(shù)字脈沖調(diào)制控制單元和反饋信號(hào)隔離模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路取代模擬脈沖調(diào)制控制單元和反饋信號(hào)模擬轉(zhuǎn)換電路。
本發(fā)明使用數(shù)字控制技術(shù)控制開(kāi)關(guān)電源，即以大功率半導(dǎo)體作為逆變電路核心器件，以高速數(shù)字控制脈沖調(diào)制單元為控制電路核心部件。采用本發(fā)明所述方法的恒電位儀具有功率大、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)定可靠、噪音小、操作方便等效果；本發(fā)明能提高儀器的控制精度、效率，降低體積重量和發(fā)熱，提高整機(jī)的可靠性，還可以很好的提高控制精度和響應(yīng)速度，因而使恒電位儀在可靠性、控制精度及操作簡(jiǎn)便等方面得到很大的提升。
本發(fā)明是采用以下技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的的。
一種在恒電位儀上應(yīng)用數(shù)字控制高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的方法，它是由有交流電源整流濾波電路、逆變電路、高頻整流濾波電路、綜合操作顯示控制電路(顯示、操作、風(fēng)機(jī)控制、溫度控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、RS-232、RS-485通訊、報(bào)警)、反饋信號(hào)(參比電位、輸出電壓、輸出電流)隔離模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、隔離前置驅(qū)動(dòng)電路、功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路、功率半導(dǎo)體過(guò)流保護(hù)電路所構(gòu)成，其特征在于它還有高速數(shù)字控制脈沖調(diào)制控制方法，數(shù)字控制脈沖調(diào)制方法可以是脈寬調(diào)制(PWM)，也可以是脈沖頻率調(diào)制(PFM)。它是由數(shù)字脈沖調(diào)制控制方法通過(guò)對(duì)預(yù)置電位和參比電位進(jìn)行比較，確定逆變電路開(kāi)通的脈沖寬度，經(jīng)隔離前置驅(qū)動(dòng)電路放大后，驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制逆變電路，使其輸出電流滿足陰極保護(hù)的需要，該電流經(jīng)輔助電極和電介質(zhì)，使被保護(hù)體極化到保護(hù)電位。功率半導(dǎo)體是指作為高頻變換開(kāi)關(guān)的功率半導(dǎo)體器件，如絕緣柵雙極型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(IGBT)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)等。
本發(fā)明所述數(shù)字控制脈沖調(diào)制控制方法是由高速數(shù)字控制脈沖調(diào)制單元通過(guò)適宜的硬件和軟件，按照濾波算法，對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，再綜合反饋信號(hào)與通過(guò)綜合操作顯示控制電路預(yù)制的工作參數(shù)，根據(jù)控制算法計(jì)算脈沖調(diào)制的結(jié)果，再綜合過(guò)流保護(hù)信號(hào)生成脈沖調(diào)制控制信號(hào)。脈沖控制信號(hào)經(jīng)隔離前置驅(qū)動(dòng)電路放大后，驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制逆變電路，使其輸出電流滿足陰極保護(hù)的需要，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒電位儀輸出的控制。需要特別說(shuō)明的是，高頻開(kāi)關(guān)電源工作頻率一般認(rèn)為大于20kHz，要保證能夠?qū)ζ溥M(jìn)行控制并且滿足控制精度的要求，必須能盡可能平滑的控制開(kāi)通脈沖的寬度，例如果開(kāi)關(guān)頻率采用25KHZ，金波周期為40us，半波周期為20us，脈沖寬度的控制精度是保證輸出電流控制精度的前提，如需保證千分之一的脈沖寬度控制精度，則最小脈沖控制寬度應(yīng)為20ns，需要選用高速DSP、FPGA、CPLD等作為高速數(shù)字控制脈沖調(diào)制單元的硬件，如果器件得不到保證，例如采用80C51，89C52等低速器件，則需先對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)再經(jīng)過(guò)脈沖調(diào)制專用的器件來(lái)完成脈沖調(diào)制工作，即脈沖調(diào)制仍然需要模擬方式實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)閷?duì)于高頻開(kāi)關(guān)脈沖計(jì)算與波形的生成需要很高的速度，而低速單片機(jī)的運(yùn)算速度不能滿足高頻開(kāi)關(guān)的控制要求；其次，考慮負(fù)載的波動(dòng)及控制精度的要求，必須連續(xù)高速進(jìn)行反饋信號(hào)(參比電位、輸出電壓、輸出電流)的采樣，且采樣信號(hào)必須保證足夠的精度，只有控制精度和采樣速度得到保證，控制結(jié)果才能穩(wěn)定和精確。


圖1為一種應(yīng)用本發(fā)明方法的恒電位儀電路結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為高速數(shù)字控制脈沖調(diào)制單元結(jié)構(gòu)框圖。
如圖1所示，其中1為交流電源整流濾波電路；2為反饋信號(hào)隔離模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路；3為高速數(shù)字控制脈沖調(diào)制單元；4為隔離前置驅(qū)動(dòng)電路；5為功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路；6為逆變電路；7為功率半導(dǎo)體過(guò)流保護(hù)電路所構(gòu)成；8為高頻整流濾波電路；9為綜合操作顯示控制電路；P為交流電源；O為零位輸入；E為參比電位輸入；V為輸出電壓信號(hào)；A為輸出電流信號(hào)；D為直流輸出。
如圖2所示，其中10為DSP，型號(hào)為TMS320VC5402 PGE100，工作頻率100MHz，11為CPLD，型號(hào)是ATF1508SQC100，12為程序存儲(chǔ)器SST39VF040，13為RAM，型號(hào)為IS61LV12816，14為看門狗DS1832，15為20M晶振，16為100M晶振，I為經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的電流反饋信號(hào)，B為經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的電壓反饋信號(hào)，C為經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的參比電位反饋信號(hào)，S為IGBT過(guò)流保護(hù)信號(hào)，Z為設(shè)置參數(shù)，F(xiàn)為PWM波形。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖所示內(nèi)容對(duì)本發(fā)明及其應(yīng)用作進(jìn)一步的闡述。
應(yīng)用本發(fā)明的恒電位儀電路由交流電源整流濾波電路1、逆變電路6、高頻整流濾波電路8、綜合操作顯示控制電路9、反饋信號(hào)隔離模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路2、隔離前置驅(qū)動(dòng)電路4、功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路5、功率半導(dǎo)體過(guò)流保護(hù)電路7所構(gòu)成，由數(shù)字脈沖調(diào)制控制方法通過(guò)將參比電位E與預(yù)置電位進(jìn)行比較，確定逆變電路開(kāi)通的脈沖寬度，經(jīng)隔離前置驅(qū)動(dòng)電路4放大后，驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路5來(lái)控制逆變電路6，使其輸出滿足保護(hù)陰極需要的電流。所述的數(shù)字脈沖調(diào)制控制方法是由高速數(shù)字控制脈沖調(diào)制單元3按照濾波算法，對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，再綜合反饋信號(hào)與通過(guò)綜合操作顯示控制電路9預(yù)制的工作參數(shù)，根據(jù)控制算法計(jì)算脈沖調(diào)制的結(jié)果，再綜合過(guò)流保護(hù)信號(hào)生成脈沖調(diào)制控制信號(hào)，脈沖控制信號(hào)經(jīng)隔離前置驅(qū)動(dòng)電路4放大后，驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路5來(lái)控制逆變電路6，使其輸出滿足保護(hù)陰極需要的電流。在本應(yīng)用實(shí)例中，高速數(shù)字控制脈沖調(diào)制單元3的具體實(shí)現(xiàn)措施是采用了數(shù)字PWM控制電路，數(shù)字PWM控制電路接受的信號(hào)有以下部分參比電位信號(hào)E、輸出電流電壓信號(hào)V通過(guò)反饋信號(hào)隔離模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路2轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)；通過(guò)綜合操作顯示控制電路9設(shè)置的預(yù)制電位參數(shù)；通過(guò)功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路5反饋電流過(guò)載信號(hào)(高電平表示過(guò)流)，功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路5由IGBT過(guò)流保護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行脈寬計(jì)算時(shí)，參比電位信號(hào)E、輸出電流電壓信號(hào)V首先進(jìn)行數(shù)字濾波處理，而后根據(jù)預(yù)制電位參數(shù)與參比電位E進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，計(jì)算應(yīng)輸出的脈沖寬度及脈沖寬度的變化量，再判斷輸出電壓和電流是否超限，如果超限，則脈沖寬度只能減小而不能增大，最后判斷功率半導(dǎo)體IGBT的電流是否過(guò)載，如果不過(guò)載，則脈沖寬度計(jì)算完成，其計(jì)算結(jié)果直接傳送至隔離前置驅(qū)動(dòng)電路4，如果過(guò)載，則關(guān)閉脈沖輸出。脈沖調(diào)制的硬件是以高速數(shù)字處理芯片為核心，并編制專用的控制程序，本實(shí)施例選用的是DSP，型號(hào)為TMS320VC5402 PGE100，工作頻率100MHz，DSP的程序存儲(chǔ)器為SST39VF040，RAM為IS61LV12816，并使用DS1832作為DSP的看門狗。隔離前置驅(qū)動(dòng)電路4在收到脈沖寬度計(jì)算結(jié)果后，對(duì)PWM控制信號(hào)進(jìn)行隔離放大，驅(qū)動(dòng)后級(jí)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路控制逆變電路功率半導(dǎo)體器件IGBT的開(kāi)關(guān)。市電輸入的交流電經(jīng)過(guò)交流電源整流濾波電路1整流后，形成直流輸入到逆變模塊，逆變模塊在驅(qū)動(dòng)電路的控制下，將輸入的直流轉(zhuǎn)換成高頻的交流電，再經(jīng)高頻整流濾波電路8處理后，輸出穩(wěn)定的直流電D供被保護(hù)體使用。
如圖2所示本實(shí)施例選用的是DSP，型號(hào)為TMS320VC5402 PGE100，工作頻率100MHz，DSP的程序存儲(chǔ)器為SST39VF040，RAM為IS61LV12816，并使用DS1832作為DSP的看門狗，20M晶振作為頻率基準(zhǔn)，DSP工作時(shí)采用5倍頻率進(jìn)行運(yùn)行?？偩€控制采用大規(guī)模門陣列CPLD，型號(hào)是ATF1508SQC100，另外CPLD還負(fù)責(zé)PWM波形的產(chǎn)生及高速AD采樣的時(shí)序控制，100M晶振給CPLD提供頻率基準(zhǔn)。
高速高精度AD采集的電流I、電壓B、參比電位C的反饋信號(hào)送交CPLD，由CPLD送交DSP進(jìn)行數(shù)字濾波后送交PWM波形計(jì)算程序模塊。
單脈沖保護(hù)信號(hào)S送交CPLD，并由CPLD送交DSP的PWM波形計(jì)算程序模塊。
設(shè)置參數(shù)Z由綜合操作顯示控制電路送交DSP，包括運(yùn)行模式、預(yù)制參數(shù)等其他運(yùn)行參數(shù)。
PWM驅(qū)動(dòng)波形的生成PWM波形計(jì)算程序模塊綜合設(shè)置參數(shù)及電流、電壓、參比電位、單脈沖保護(hù)等反饋信號(hào)及限制電流、限制電壓、等參數(shù)計(jì)算PWM信號(hào)的寬度及頻率，送交CPLD，再由CPLD結(jié)合單脈沖保護(hù)信號(hào)形成PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
PWM信號(hào)脈沖寬度的計(jì)算，不同運(yùn)行模式下的計(jì)算方法基本相同。DSP計(jì)算預(yù)制值與實(shí)際值的差值，使用高次曲線等數(shù)學(xué)公式計(jì)算結(jié)合模糊控制算法算出所需的PWM信號(hào)寬度，結(jié)合限電流、限電壓、單脈沖等參數(shù)或信號(hào)生成所需的PWM信號(hào)。
采用本發(fā)明所述方法的恒電位儀具有功率大、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)定可靠、噪音小、操作方便等效果；本發(fā)明能提高儀器的控制精度、效率，降低體積重量和發(fā)熱，提高整機(jī)的可靠性，還可以很好的提高控制精度和響應(yīng)速度，因而使恒電位儀在可靠性、控制精度及操作簡(jiǎn)便等方面得到很大的提升。
權(quán)利要求
1.一種在恒電位儀上的應(yīng)用數(shù)字控制高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的方法，它是由交流電源整流濾波電路、逆變電路、高頻整流濾波電路、綜合操作顯示控制電路、反饋信號(hào)隔離模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、隔離前置驅(qū)動(dòng)電路、功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路、功率半導(dǎo)體過(guò)流保護(hù)電路所構(gòu)成，其特征在于它是由數(shù)字脈沖調(diào)制控制方法通過(guò)將參比電位與預(yù)置電位進(jìn)行比較，確定逆變電路開(kāi)通的脈沖，經(jīng)隔離前置驅(qū)動(dòng)電路放大后，驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制逆變電路，使其輸出滿足保護(hù)陰極需要的電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在恒電位儀上應(yīng)用數(shù)字控制高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的方法，其特征在于所述的數(shù)字脈沖調(diào)制控制方法是由高速數(shù)字控制脈沖調(diào)制單元按照濾波算法，對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，再綜合反饋信號(hào)與通過(guò)綜合操作顯示控制電路預(yù)制的工作參數(shù)，根據(jù)控制算法計(jì)算脈沖調(diào)制的結(jié)果，再綜合過(guò)流保護(hù)信號(hào)生成脈沖調(diào)制控制信號(hào)，脈沖控制信號(hào)經(jīng)隔離前置驅(qū)動(dòng)電路放大后，驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制逆變電路，使其輸出滿足保護(hù)陰極需要的電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在恒電位儀上應(yīng)用數(shù)字控制高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的方法，屬于陰極保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是由交流電源整流濾波電路、逆變電路、高頻整流濾波電路、綜合操作顯示控制電路、反饋信號(hào)隔離模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、隔離前置驅(qū)動(dòng)電路、功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路、功率半導(dǎo)體過(guò)流保護(hù)電路、高速數(shù)字控制脈沖調(diào)制單元所構(gòu)成。采用本發(fā)明所述方法的恒電位儀具有功率大、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)定可靠、噪音小、操作方便等效果；本發(fā)明能提高儀器的控制精度、效率，降低體積重量和發(fā)熱，提高整機(jī)的可靠性，還可以很好的提高控制精度和響應(yīng)速度，因而使恒電位儀在可靠性、控制精度及操作簡(jiǎn)便等方面得到很大的提升。
文檔編號(hào)C23F13/04GK1786277SQ20041007550
公開(kāi)日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2004年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月11日
發(fā)明者仲維濱, 閆永貴, 孫勤, 李亮, 姜明建 申請(qǐng)人:青島雅合科技發(fā)展有限公司