CN100392547C - 高压直流电源程控系统 - Google Patents
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Abstract
一种高压直流电源程控系统，包括微机控制单元，与所述微机控制单元进行信息交换的高压直流电源程控单元，所述程控单元中设有微处理单元，受控于所述微处理单元的多个并联连接的电源单元，与所述电源单元输出端相连接的多个切换单元单元，受控于所述微处理单元的可调电源单元，本系统可为用电设备提供OV到最高电压连续平滑可调的直流电源，所提供的直流电源具有安全可靠性高、各种保护功能强等优点。
Description
本发明涉及直流电源输出控制技术，具体涉及直流电源输出控制系统，更具体地说，涉及一种可提供高可靠性、高精度、高安全性的高压直流电源程控系统。
尽管程控电源产品已有不少，但至今为止，尚无可实行程控化的高压直流电源，现有高压直流电源大都采用手动机械控制，如已公开的专利号为96235410.4的中国专利“多功能可调高压直流电源”采用人工来控制电器开关调节直流电源的输出；专利号为93222104.1的“可控硅高频高压直流电源”采用可控硅短路保护和人工开关来实现输出控制；专利号为86203043的“恒流高压直流电源”采用调压晶闸管来控制电源输出；还有专利号为98227442.4的“一种直流稳压电源”，是在三端稳压器的控制端连接有一个多档位拨动开关，在整流滤波电路的负极并联连接有多个阻值不同的电阻，每个电阻可通过调整拨动开关单独与三端稳压器的控制端连接，从而输出所需的电压值。
从目前所检索到的专利文献中，还没有发现有关采用程控的方法来输出高压直流电源的专利文献，同时从查阅国内外的大量资料和仪器中表明：程控高压直流电源的输出电压最高没有超过三百伏，而且电压越高精度越低，可靠性越差，可操作性也越差，这是由于控制电路中，很多电子器件难以承受高电压，如一般控制芯片、三极管、三端稳压等等，在高压下很容易发热、击穿引起短路或开路等问题，这样会很不安全；同时微机控制单元也很难控制高压，精度提不高，稳定性很差，漂移量大，高压电源引起高压静电和高压脉冲很容易击穿微机的控制接口，另外电源电压高对人工操作带来不安全因素。
本发明的目的在于提供一种高压直流电源程控系统，可克服现有技术的上述缺点，能够提供高于300V并且从0V到最高电压连续平滑可调的直流电源，所提供的直流电源具有安全可靠性高、各种保护功能强等特点。
本发明的目的通过如下技术方案实现：构造一种高压直流电源程控系统，可由微机程序控制向需供电设备提供高压直流电源，其特征在于，包括微处理单元、受控于所述微处理单元的多个叠加连接的电源单元及可调电源单元，分别与所述多个电源单元及所述可调电源单元输出端连接并与之对应的多个切换单元，所述各个切换单元的输出端与所述用电设备相连接。
在上述本发明提供的高压直流电源程控系统中，所述微处理单元包括微处理器，与所述微处理器连接的输入键盘、显示器、译码和I/O控制单元、D/A转换单元、A/D转换单元，分别与所述D/A、A/D转换单元连接的高压运放单元、分压单元，为所述微处理器提供工作电源的工作电源单元，所述高压运放单元和所述分压单元的输入端口与所述电源单元和所述可调电源单元相连接。
在上述本发明提供的高压直流电源程控系统中，所述微处理器包括CPU，与所述CPU交换信息的读写接口、数据存储器、程序存储器、复位单元、晶振单元、与所述微机进行信息交换的通讯保护单元接口，所述读写接口与所述D/A转换单元、A/D转换单元相连接。
在上述本发明提供的高压直流电源程控系统中，所述电源单元包括220伏接入和接口保护单元，与所述保护单元连接的交流变压和直流转换单元，与所述转换单元输出端连接的稳压滤波单元，与所述稳压滤波单元输出端连接的电源指示和二次过滤单元，与所述二次过滤单元输出端连接的电源保护和监控单元，与所述监控单元输出端相连接的电源输出单元，所述电源输出单元的输出端与所述继电器切换单元的输入端相连接，还包括与所述电源保护和监控单元连接的电压异常报警单元。
在上述本发明提供的高压直流电源程控系统中，所述可调电源单元包括220伏接入和接口保护单元，与所述220伏接入和接口保护单元输出端连接的交流变压和直流转换单元，与所述交流变压和直流转换单元输出端连接的稳压滤波单元，与所述稳压滤波单元输出端连接恒流保护单元，所述恒流保护单元的输出端与所述继电器切换单元的输入端相连接，所述电源单元与所述恒流保护单元相连接。
在上述本发明提供的高压直流电源程控系统中，所述切换单元包括继电器，与所述继电器并联连接的分流保护切换单元，控制所述继电器切换工作的控制单元，所述继电器的输入端与所述电源单元的输出端相连接，所述继电器的输出端与所述需供电设备连接。
在上述本发明提供的高压直流电源程控系统中，所述译码和I/O控制单元包括与所述微处理单元连接的译码单元，与所述译码单元连接并进行信息交换和处理的片选单元、控制单元、比较电路并输出控制切换单元，所述片选单元与所述控制单元相连接，所述片选单元与所述控制单元分别连接到驱动单元。
实施本发明所述高压直流电源程控系统，具有如下优点：采用分档式恒流控制法(即大电源由若干组小电源叠加而成)，可以实现高压直流电源输出程控化，传统的大电压切换对继电器要求非常高，一般采用手动控制，采用本系统后，继电器(或切换开关)可以采用能承受小电源电压电流的继电器就可以了，在切换单元上增加了分流保护装置，使得继电器等切换开关在切换过程中不会由于瞬间大电流烧坏，提高了可靠性，在系统中采用微处理单元对D/A来控制高压运放，用输出分压经A/D到微处理单元方式，达到从0V到最大电压连续平滑可调的功能，同时能使环境变化或温度变化引起的电压漂移误差得到弥补，提高了直流电源输出的精度，减少了直流电源由于环境变化或温度变化产生的电压漂移误差。
下面结合附图，用优选的实施例对本发明进一步详细说明，附图中：
图1为本发明高压直流电源程控系统组成原理方框图；
图2为图1中高压直流程控电源的组成结构方框图；
图3为图2中微处理单元及外围单元的组成结构方框图；
图4为图2中电源单元的组成结构方框图；
图5为图2中可调电源单元的组成结构方框图；
图6为图2中切换单元组成结构方框图；
图7为图2中译码和I/O控制单元的组成结构方框图。
如图1所示，在本发明提供的高压直流电源程控系统中，设有微机控制单元101和与其通讯(RS232、RS485等)相连的高压直流程控电源102，所输出的电源提供给用电设备103。
本发明高压直流电源程控系统是由微处理单元及其外设、用来控制高压运放的D/A和读当前电压的A/D、向微处理单元及其外设、A/D、D/A和切换单元提供电源的工作电源单元、对包括D/A、A/D、切换单元等提供片选和控制的译码和I/O控制单元、与D/A和可调电源相连的高压运放、与A/D和输出相连的分压单元、用来平滑调节输出电源的可调电源、用来选择电源档位的多个电源单元、与电源单元输出端相连接的多个切换单元组成；所述电源单元由220V接入和接口保护单元、交流变压和转化直流单元、稳压滤波单元、电源输出单元、电压异常报警、电源保护和监控单元组成，所述译码和I/O控制单元由译码单元、片选单元、控制单元组成，所述切换单元可以是继电器组也可以是模拟开关等，由分流保护单元和继电器切换单元组成，一旦电压由微机设定，电压的波动由微处理单元通过读写A/D和D/A调节电压，保持由于环境变化和温度变化引起的电压漂移，工作电源单元由分别向微处理单元提供电源的电源模块、向A/D和D/A单元提供电源的电源模块、向切换单元提供电源的电源模块、电源提示和过滤单元组成，供电时自动上电，供电完成后自动断电。在这个过程中短路具有电源保护和监控单元、欠压报警单元、电源切换单元和放电单元。
本发明采用微处理单元对D/A来控制高压运放和用输出分压经A/D到微处理单元方式，达到从0V到最大电压连续平滑可调的效果，同时能使环境变化或温度变化引起的电压漂移误差得到弥补。这样提高了电源的精度，减少了电源由于环境变化或温度变化使得电压漂移误差。
本发明采用PID调节算法实时地使误差得到最大弥补。通过这种方法使得精度达到±0.01％之间波动，当然电源的精度还取决于AD和DA芯片提供的位数精度以及分压电阻的精度。本发明的高压程控电源不但可以避免人工操作的危险性，而且可以达到很高的精度。
本发明在可调电源中采用了偏置电源，使得设置电压刚好是电源单元的倍数时保持稳定状态。因为如果可调电源跟电源单元一样大小的电压，当我们设置的电压刚好是电源单元电压的倍数时，这样由于处于临界状态，使得所对应的切换单元因环境或温度的变换为了调节电压不断切换电源，使得输出电压不稳定，所以采用偏置电源，偏置电源的电压一般为电源单元的10％以上，这样可以确保避免这种不稳定现象。偏置电源是由图上的220V接入和接口保护单元501、交流变压和转化直流单元502、稳压滤波单元503组成。
下面结合附图说明程控系统中各单元的详细结构：
如图2所示，高压程控电源102是由微处理单元201(可采用单片机单元构成)、显示器203、键盘202、译码和I/O控制单元212、工作电源单元204，D/A 205和A/D 206、高压运放单元208、分压单元207、可调电源211、n个电源单元209、n+1个切换单元210组成，其中显示器203可采用液晶显示，键盘202可采用薄膜键盘。如果是1000V 1A高压程控电源，则高压运放单元208采用CF143M，三端稳压器采用317，A/D采用16位高精度的AD976或12位的AD574，D/A采用16位高精度的DAC703或12位的DAC1210。
如图3所示，微处理单元采用一个CPU(可采用单片机89C51，也可以采用可实现同样功能的其它型号单片机构成)，与其相连接的单元包括通讯保护单元接口301、晶振单元302、复位单元303、读写接口305、数据存储器306、程序存储器307。在本实施例中，CPU采用单片机89C51、复位单元采用MAX706芯片，单元通讯保护单元接口采用光耦PC17T1组合单元或电阻电容组合单元，可防止高压静电把计算机通讯接口烧坏。
如图4所示，电源单元由220V接入和接口保护单元401、交流变压和转化直流单元402、稳压滤波单元403、电源输出单元407、电压异常报警405、电源保护和监控单元406、电源指示和两次过滤单元404组成。若选择19个50V±1％的电源单元，则采用高功率的降压变压器，与变压器次级线圈连接的桥式整流单元IN4007，运放采用μA741，三极管采用3DD15B，三端稳压器采用317。
如图5所示，可调电源单元由220V接入和接口保护单元501、交流变压和转化直流单元502、稳压滤波单元503、电源单元209、恒流保护单元504组成，在本发明中，可调电源的输出必须大于电源单元的10％以上，用来控制电源的不稳定现象，所以可调电源一般是由电源单元和一个输出电压为电源单元电压的10％以上的偏置电源组成，偏置电源由220V接入和接口保护单元501、交流变压和转化直流单元502、稳压滤波单元503组成。若采用一个50V±1％+18V±1％的可调电源，则18V的偏置电源用来补偿电源漂移和不稳定现象，交流变压和转化直流单元采用降压变压器、与变压器次级线圈连接的桥式整流单元IN4007、三端稳压器7809，运放单元采用μA741、三极管采用D880、滤波单元采用TL431。
如图6所示，继电器切换单元210由分流保护切换单元603、继电器601(或单元切换开关)和控制单元602组成。在本实施例中，继电器可采用DS2Y-S-DC12V、分流保护切换单元采用1K电阻和100μ电容串联组成，控制单元由反相驱动芯片62083组成。
如图7所示，译码和I/O控制单元包括译码单元701、片选单元702、控制单元703、驱动单元704组成。在本实施例中，译码单元采用EPLD芯片(EPM7192SQFP160)、驱动采用74FCT16245、74FCT16244。
下面详细说明本发明的工作原理：
通过微机控制单元设置电压V参数，微机通过通讯单元发送命令给微处理单元，微处理单元通过计算j＝取整(V/电源单元Vt)，控制第1个继电器至第j个电源单元的继电器的开启，开启完成后，Vj＝取余(V/电源单元Vt)，通过D/A输出端，再通过高压运放端，控制可调电源单元的输出电压，再取输出电压按比例分压，通过A/D得到输出电压值Ve，通过计算差值Vd＝V-Ve，再通过PID和补偿算法进行补偿输出，Vj通过D/A控制可调电源单元，这样不断地检测，不断进行补偿，使得电压在±0.01％之间波动，达到输出高精度稳压直流电源的效果。同时一旦线路短路，短路信息可输入到比较器中，控制单元中的场效应管不导通，继电器断开，立刻自动切断电源，实现保护功能，安全可靠。
本发明中的高压直流程控电源的保护范围，不局限于本说明书中所提供的组成结构方框图，在本发明的基础上，采用本发明的工作原理，增加高压恒流电压、低压电源等设备构成的系统，也属于本发明的范围。
Claims (5)
1.一种高压直流电源程控系统，可由微机(101)程序控制向需供电设备(103)提供高压直流电源，其特征在于，包括微处理单元、受控于所述微处理单元的多个叠加连接的第一电源单元(209)及第二可调电源单元(211)，分别与所述多个叠加连接的第一电源单元(209)及所述第二可调电源单元(211)输出端连接并与之对应的多个切换单(210)，所述各个切换单元(210)的输出端与所述需供电设备(103)相连接；
其中，所述第一电源单元(209)包括220伏接入和接口保护单元(401)，与所述保护单元(401)连接的交流变压和直流转换单元(402)，与所述转换单元(402)输出端连接的稳压滤波单元(403)，与所述稳压滤波单元(403)输出端连接的电源指示和二次过滤单元(404)，与所述二次过滤单元(404)输出端连接的电源保护和监控单元(406)，与所述监控单元(406)输出端相连接的电源输出单元(407)，所述电源输出单元(407)的输出端与所述继电器切换单元(210)的输入端相连接，还包括与所述电源保护和监控单元(406)连接的电压异常报警单元(405)；
所述第二可调电源单元(211)包括220伏接入和接口保护单元(501)，与所述保护单元(501)输出端连接的交流变压和直流转换单元(502)，与所述转换单元(502)输出端连接的稳压滤波单元(503)，与所述稳压滤波单元(503)输出端连接恒流保护单元(504)，所述恒流保护单元(504)的输出端与所述继电器切换单元(210)的输入端相连接，所述第一电源单元(209)与所述恒流保护单元(504)相连接。
2.根据权利要求1所述高压直流电源程控系统，其特征在于，所述微处理单元包括微处理器(201)，与所述微处理器(201)连接的输入键盘(202)、显示器(203)、译码和I/O控制单元(212)、D/A转换单元(205)、A/D转换单元(206)，分别与所述D/A、A/D转换单元(205、206)连接的高压运放单元(208)、分压单元(207)，为所述微处理器(201)提供工作电源的工作电源单元(204)，所述高压运放单元(208)和所述分压单元(207)的输入端口与所述第一电源单元(209)和所述第二可调电源单元(211)相连接。
3.根据权利要求2所述高压直流电源程控系统，其特征在于，所述微处理器(201)包括CPU(304)，与所述CPU(304)交换信息的读写接口(305)、数据存储器(306)、程序存储器(307)、复位单元(303)、晶振单元(302)、与所述微机(101)进行信息交换的通讯保护单元接口(301)，所述读写接口(305)与所述D/A转换单元(205)、A/D转换单元(206)相连接。
4.根据权利要求2所述高压直流电源程控系统，其特征在于，所述译码和I/O控制单元(212)包括与所述微处理单元(201)连接的译码单元(701)，与所述译码单元(701)连接并进行信息交换和处理的片选单元(702)、控制单元(703)、比较电路并输出控制切换单元(505)，所述片选单元(702)与所述控制单元(703)相连接，所述片选单元(702)与所述控制单元(703)分别连接到驱动单元(704)。
5.根据权利要求1所述高压直流电源程控系统，其特征在于，所述切换单元(210)包括继电器(601)，与所述继电器(601)并联连接的分流保护切换单元(603)，控制所述继电器(601)切换工作的控制单元(602)，所述继电器(601)的输入端与所述第一电源单元(209)的输出端相连接，所述继电器(601)的输出端与所述需供电设备(103)相连接。
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| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080604 Termination date: 20170516 |