CN103715894B - 一种多路可调大电流恒流智能感控供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路可调大电流恒流智能感控供电装置，包括联用主机，联用主机与MCU通信相连，MCU与一级逆变整流模块相连，一级逆变整流模块的输入为外接直流电源，输出为高频交流电，各路高频交流电分别经过智能细分降压模块降压，然后再经过整流模块的整流，再进入线性恒流控制模块，使得输出电流达到要求，MCU还接受电压采样模块反馈的电压，调节一级逆变整流模块中逆变器的占空比，MCU还根据电流采样模块反馈的经过线性恒流控制模块的电流对电流进行精确控制，输出稳恒大电流。本发明提出了将PWM控制逆变与线性调节恒流结合使用，并使二者整体构成前馈控制。能够输出适用于不同工况的稳恒大电流，实现了精确控制。

Description

一种多路可调大电流恒流智能感控供电装置

技术领域

本发明涉及一种电源控制装置，具体涉及一种多路可调大电流恒流智能感控供电装置。

背景技术

目前，隧道施工主要有钻爆法和隧道掘进机施工两种方法。其中隧道掘进机施工方法因施工速度快、质量好、安全环保等优点而占据主导地位。但是隧道掘进机对地层的适应性较差，会容易诱发塌方、大变形、突涌水等地质灾害，轻者造成卡机事故，重者导致机毁人亡的严重后果。为了确保掘进机施工安全、避免上述灾害和事故的发生，十分有必要开展隧道掘进机施工环境下的超前地质预报工作，利用地球物理探测、钻探等方法提前探明隧道掘进面前方的地质情况，为制定合理安全的施工方案、避免重大事故灾害提供可靠信息。

在不良地质地球物理响应特性和水量定量预测研究方面，尤其是充填性质识别与水量定量预报方面，客观上能够定量表征水量的地球物理特性极少，目前仅有激发极化法、核磁共振法两种地球物理勘探方法中的相关信息被人们证明对水量变化有较敏感的响应。我们在激发极化估算水量方面取得了重要进展，认为具有三维反演成像功能的聚焦三维观测模式，是隧道掘进机施工激发极化超前地质预报仪器研制的关键。以大电流恒流供电(0.1A-3A)激励水体产生较强极化效应(≥1mV)的方法，可以测取与水量相关的激发极化弛豫特性信息，能够为掘进机施工不良地质水量预测提供借鉴和基础。

然而，现在国内外的时域激发极化仪器基本都采用恒压供电模式，恒压供电模式无法激励水体产生较强极化效应，是难以预测水量的。对于聚焦三维激发极化法，需要针对其屏蔽电极环和探测电极负载不同，实施多路(目前设计的是六路)大电流恒流供电。由于隧道掘进机施工探测环境复杂，每一路恒流供电负载变化范围大，同时综合地球物理探测装备使用同一套电源，电源电压波动大，为多路恒流大电流供电装置设计带来了较大的困难，因此我们尚未见到适应多路负载工况不同的大电流恒流供电装置。但是若将多路供电的问题，仅仅看作单路恒流供电的简单组合，则会带来能源浪费和造价昂贵等一系列负面问题。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种多路可调大电流恒流智能感控供电装置，本发明采用串级控制机制，恒压大电流逆变技术，能够根据工况的不同输出稳恒大电流，实现精确控制的同时降低功耗，实现多路可调大电流恒流供电。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种多路可调大电流恒流智能感控供电装置，包括联用主机，联用主机与MCU通信相连，MCU与一级逆变整流模块相连，一级逆变整流模块的输入为外接直流电源，输出为高频交流电，各路高频交流电分别经过根据负载工作状况输出各路输出电压的智能细分降压模块降压，然后再经过整流模块的整流，再进入线性恒流控制模块，MCU还接受电压采样模块反馈的电压，调节一级逆变整流模块中逆变器的占空比，MCU还根据电流采样模块反馈的经过线性恒流控制模块的电流对电流进行精确控制，输出稳恒大电流。

所述电压采样模块用于采集经过一级逆变整流模块的电压、经过整流模块的电压及经过线性恒流控制模块的电压。

所述MCU输入端连接有温度检测模块，温度检测模块用于检测经过整流模块的温度及经过线性恒流控制模块的温度。

所述MCU通过通信模块与联用主机进行通信。

所述联用主机将需要输出的恒定电流值的大小传递给MCU，而后MCU将此电流值与电流采样模块送回的反馈电流值进行比较，调节PWM信号的占空比，智能细分降压模块根据接收到的PWM信号调节输出电压，在保证精度的前提下进行降压、整流、滤波、稳压，使输出电流达到要求，之后，线性恒流控制模块通过线性元件分压，对电流进行精确控制，输出稳恒大电流。

所述电压采样模块和电流采样模块的输入端与智能细分降压模块相应的接口连接，电压采样模块和电流采样模块的输出端与MCU相应的接口连接。

多路可调大电流恒流智能感控供电装置采用两级逆变升降压技术，第一级升压通过逆变后的电压反馈给MCU控制单元，调节逆变器的占空比，消除了电源电压波动大的影响使得输出电压稳定，为下一级逆变提供稳定的电压；第二级逆变升压采用MCU控制单元控制H桥逆变电路，通过线性恒流控制模块输出可调电流，每一路输出电流通过电流采样模块检测反馈电流大小，并传输到MCU控制单元调节逆变电路的占空比，实现可调的多路恒流大电流输出，满足现场每一路供电不同的负载工况。

所述的一级逆变模块根据负载工况调控输出电压值，这一过程通过脉冲宽度调制（PWM）来实现。而所述一级逆变模块后接的电压采样模块是完成PWM所不可缺少的，它一方面从输出端采样，而后将采样值与预设值相比较，根据比较所得到的结果，反馈给MCU，由MCU控制逆变器改变输出信号的脉冲宽度或脉冲频率，使输出电压达到要求大小；另一方面，根据采样得到的数据，经温度检测模块鉴别，对MCU进行保护。

所述智能细分降压模块，根据各路具体工况以及需要输出电流的大小来降压，这个过程由MCU控制单元控制智能细分降压模块，从而粗略调节线性恒流控制模块每一路电流在一定范围内。通过MCU输出的脉冲信号，控制开关管的导通和关断的时间比率，从而对输入电压进行脉宽调制，改变输出信号的脉宽和脉频，输入电压被斩成交流方波，而后由变压器来升高或降低输出电压，调控输出电流。之后进行整流，电压采样模块对整流后的电流进行检测，MCU控制单元调节升压电路，以满足通过整流模块后电流的恒定。

所述大功率高精度线性恒流控制模块，承接智能细分降压模块输出的交流电，经预稳压电路进行初步交流稳压后，通过主工作变压器隔离整流变换成直流电源，再经过控制电路和单片微处理控制器的智能控制下，通过线性调节元件进行分压，使之输出高精度的稳恒大电流。电流采样模块对线性恒流控制模块输出的每一路电流进行检测，送入比较放大器，将其输出作为电压调整管的输入，用以控制调整管使其结电压随输入的变化而变化，从而调整其输出电压，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压，由此实现多路可调大电流恒流智能感控供电功能。

本发明的有益效果：

1.本发明针对每一路恒流供电负载不同且变化范围大，综合地球物理探测装备使用同一套电源，电源电压波动大等问题，提出了基于前馈控制机制的恒压大电流逆变技术，能够输出适用于不同工况的稳恒大电流，实现了精确控制。

2.本发明提出了将PWM控制逆变与线性调节恒流结合使用，并使二者整体构成前馈控制。根据各路负载工况以及输出电流的大小确定所需输出电压，记为预设电压值；将电压采样模块反馈的电压值与预设电压值相比较，调整PWM输出脉冲，从而粗略改变智能细分降压模块的输出电压；而后利用线性恒流控制模块精确控制输出电流。这样充分利用了PWM斩波调节占空比降压效率高的特点，以及线性调节输出电压控制精度高和输出电流稳定的优点，并且二者相结合也相对经济实用。

3.本发明提出了两级逆变升压技术，第一级升压通过逆变后的电压反馈给MCU控制单元，调节逆变器的占空比，消除了电源电压波动大的影响使得输出电压稳定，为下一级逆变提供稳定的电压；第二级逆变升压采用MCU控制单元控制H桥逆变电路，通过大功率高精度线性恒流控制模块输出多路可调电流，每一路输出电流通过电流采样模块检测反馈电流大小，并传输到MCU控制单元调节逆变电路的占空比。粗略调节电流大小，而后再输入线性恒流控制模块精确输出稳恒大电流，满足各路供电不同的负载工况。

附图说明

图1本发明的原理框图；

图2本发明智能细分降压模块的电路图；

图3本发明线性恒流控制模块的电路图。

图中，1，联用主机、2，MCU、3，一级逆变整流模块、4，36V外接直流电源、5，整流模块、6，智能细分降压模块、7，线性恒流控制模块、8，电压采样模块、9，电流采样模块、10，温度检测模块、11，通信模块。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明中所述的一级逆变整流模块3根据负载工况，将外接直流电源4提供的直流电逆变成为高频交流电，并使其电压达到各路电压值中要求的最大电压。联用主机1就是上位机，是整个仪器设备的核心，控制多种仪器和装置，所以叫“联用”。

一种多路可调大电流恒流智能感控供电装置包括可与联用主机1通信的MCU2，设置在MCU2与外接电源之间的一级逆变整流模块3，后续为整流、滤波作用器件，外接电源输出电流给一级逆变整流模块3，在一级逆变整流模块3后连接电压采样模块8，将电压值反馈给MCU2；在逆变过程结束后，各路电流根据负载工况的不同分别进入智能细分降压模块6，之后进行整流，再进入线性恒流控制模块7，使得输出电流达到要求并相对稳定；在线性恒流控制模块7与输出端头之间设置电压采样模块8、电流采样模块9以及温度检测模块10；当联用主机1将需要输出的恒定电流值的大小传递给MCU2，而后MCU2将此电流值与电流采样模块9送回的反馈电流值进行比较，调节PWM信号的占空比，智能细分降压模块6根据接收到的PWM信号调节输出电压，在保证精度的前提下进行降压、整流、滤波、稳压，使输出电流在一定范围内变化；之后，线性恒流控制模块7通过线性元件分压，对电流进行精确控制，输出稳恒大电流。同时，为了保证MCU2的正常工作，在MCU2的输入端同样连接有温度检测模块10。

所述智能细分降压模块6，根据各路具体工况以及需要输出电流的大小来降压，这个过程由MCU2控制单元控制智能细分降压模块6，从而粗略调节线性恒流控制模块7每一路电流在一定范围内。智能细分降压模块6包括逆变模块，通过MCU2输出的脉冲信号，控制开关管的导通和关断的时间比率，从而对输入电压进行脉宽调制，改变输出信号的脉宽和脉频，输入电压被斩成交流方波，而后由变压器来升高或降低输出电压，调控输出电流。之后进行整流，电流采样模块9对整流后的输出进行检测，MCU2控制单元调节升压电路，以满足通过整流模块5后电流的恒定。智能细分，体现在多路输出，因负载工作状况的不同需要不同的输出电压，由此反馈给MCU,由此来调节逆变得到的电压范围。

如图2所示，智能细分降压模块6的左边是个震荡电路，震荡后E2，C1，D1，D3组成倍压整流滤波网，将较高的电压储能在C1中。Q1是可控硅，当C4中的电位逐渐升高，达到触发电压后，可控硅导通，变压器E1工作，次级线圈感应出脉冲高电压。调节可调电阻器R4可以调节可控硅的导通比。L1次级线圈输出交流经整流桥整流为直流，E4，C2，L1，R6，C3组成滤波网络。

所述大功率高精度线性恒流控制模块7，完成的工作就是线性分压，简单来说就是通过一个线性元件（多半为三极管），由MCU2控制这个线性元件调节它的电阻值，整个过程就是一个简单的调电阻分压，完成降压过程。线性恒流控制模块7承接智能细分降压模块6输出的交流电，经预稳压电路进行初步交流稳压后，通过主工作变压器隔离整流变换成直流电源，再经过控制电路和单片微处理控制器的智能控制下，通过线性调节元件进行分压，使之输出高精度的稳恒大电流。电压采样模块8、电流采样模块9对线性恒流控制模块7输出的每一路电流进行检测，送入比较放大器，将其输出作为电压调整管的输入，用以控制调整管使其结电压随输入的变化而变化，从而调整其输出电压，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压，由此实现多路可调大电流恒流智能感控供电功能。

如图3所示，线性恒流控制模块7中，上面的次级线圈为输出端，下面次级线圈为反馈端，通过反馈调整使得输出电压稳定。光耦主要是隔离两个次级线圈，Q3为可控硅，初级线圈电压过高时可控硅导通，经光耦反馈调节使初级线圈电压降低。

在整个过程中，所述温度检测模块10对输出的电流进行检测，反馈给MCU2，进行过流过压过热保护。

Claims (9)

1.一种多路可调大电流恒流智能感控供电装置，其特征是，包括联用主机，联用主机与MCU通信相连，MCU与一级逆变整流模块相连，一级逆变整流模块的输入为外接直流电源，输出为高频交流电，各路高频交流电分别经过根据负载工作状况输出各路输出电压的智能细分降压模块降压，然后再经过整流模块的整流，再进入线性恒流控制模块，MCU还接受电压采样模块反馈的电压，调节一级逆变整流模块中逆变器的占空比，MCU还根据电流采样模块反馈的经过线性恒流控制模块的电流对电流进行精确控制，输出稳恒大电流；所述联用主机将需要输出的恒定电流值的大小传递给MCU，而后MCU将此电流值与电流采样模块送回的反馈电流值进行比较，调节PWM信号的占空比，智能细分降压模块根据接收到的PWM信号调节输出电压，在保证精度的前提下进行降压、整流、滤波、稳压，使输出电流达到要求，之后，线性恒流控制模块通过线性元件分压，对电流进行精确控制，输出稳恒大电流。

2.如权利要求1所述的一种多路可调大电流恒流智能感控供电装置，其特征是，所述电压采样模块用于采集经过一级逆变整流模块的电压、经过整流模块的电压及经过线性恒流控制模块的电压。

3.如权利要求1所述的一种多路可调大电流恒流智能感控供电装置，其特征是，所述MCU输入端连接有温度检测模块，温度检测模块用于检测经过整流模块的温度及经过线性恒流控制模块的温度。

4.如权利要求1所述的一种多路可调大电流恒流智能感控供电装置，其特征是，所述MCU通过通信模块与联用主机进行通信。

5.如权利要求1所述的一种多路可调大电流恒流智能感控供电装置，其特征是，所述电压采样模块和电流采样模块的输入端与智能细分降压模块相应的接口连接，电压采样模块和电流采样模块的输出端与MCU相应的接口连接。

6.如权利要求1所述的一种多路可调大电流恒流智能感控供电装置，其特征是，所述一级逆变整流模块根据负载工况调控输出电压值，一方面从输出端采样，而后将采样值与预设值相比较，根据比较所得到的结果，反馈给MCU，由MCU控制逆变器改变输出信号的脉冲宽度或脉冲频率，使输出电压达到要求大小；另一方面，根据采样得到的数据，经温度检测模块鉴别，对MCU进行保护。

7.如权利要求1所述的一种多路可调大电流恒流智能感控供电装置，其特征是，所述智能细分降压模块，根据各路具体工况以及需要输出电流的大小来降压，这个过程由MCU控制单元控制智能细分降压模块，通过MCU输出的脉冲信号，控制开关管的导通和关断的时间比率，从而对输入电压进行脉宽调制，改变输出信号的脉宽，输入电压被斩成交流方波，而后由变压器来升高或降低输出电压，调控输出电流，之后进行整流，电流采样模块对整流后的电流进行检测，MCU控制单元调节升压电路，以满足通过整流模块后电流的恒定。

8.如权利要求1所述的一种多路可调大电流恒流智能感控供电装置，其特征是，所述线性恒流控制模块，承接智能细分降压模块输出的交流电，经预稳压电路进行初步交流稳压后，通过主工作变压器隔离整流变换成直流电源，再经过控制电路和单片微处理控制器的智能控制下，通过线性调节元件进行分压，使之输出高精度的稳恒大电流。

9.如权利要求1所述的一种多路可调大电流恒流智能感控供电装置，其特征是，电流采样模块对线性恒流控制模块输出的每一路电流进行检测，送入比较放大器，将其输出作为电压调整管的输入，用以控制调整管使其结电压随输入的变化而变化，从而调整其输出电压，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压，由此实现多路可调大电流恒流智能感控供电功能。