CN105717969A - 一种多路数控高压直流电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种多路数控高压直流电源系统，包括高压电源电路，其特征是：所述高压电源电路由控制模块、数模转换模块、滤波电路模块、高压模块、通讯模块和继电器阵列电路组成，高压模块通过滤波电路模块、数模转换模块与控制模块连接，控制模块通过光耦隔离电路与继电器阵列电路连接，高压模块的输出与继电器阵列电路连接，高压模块还与通讯模块连接。本发明的有益效果是：电路结构简单，性能可靠，经实验测试表明，具有通用性强，使用范围广，可拓展性强，能够智能控制，系统资源丰富，响应速度快，自动化控制程度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电子领域，具体是一种多路数控高压直流电源系统。
背景技术
数控高压直流电源在工业生产和实验研究中应用广泛，早期的直流高压电源是将交流市电或三相电由工频高压变压器升压变成交流高压电，然后整流滤波得到直流高压电，由于频率低，电源的体积和重量都比较大，转换效率和稳定度差；随着开关电源技术及计算机技术的发展与成熟，采用高频开关变换技术和单片机控制技术，结合高压电源的特点而研制的直流高压电源成为主流，这种电源大多采用按键控制实现单路输出，且有固定的电压输出范围，存在通用性差，可扩展差性差，操作自动化程度低等不足；然而当下生产和实验中对输出高压进行复杂控制的要求越来越高，需要配置多路电压的先后输出次序，快速变动输出高压值及输出电压范围等，传统数控高压直流电源显然无法满足，所以亟需一种使用范围广，可拓展性强，能够智能控制的数控高压电源。
发明内容
为了解决传统的数控直流高压电源的不足，本发明提供了一种多路数控高压直流电源系统，该系统经实验测试表明，具有通用性强，可拓展性强，自动化控制程度高的优点。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种多路数控高压直流电源系统，包括高压电源电路，与现有技术不同的是：
所述高压电源电路由控制模块、数模转换模块、滤波电路模块、高压模块、通讯模块和继电器阵列电路组成，高压模块通过滤波电路模块、数模转换模块与控制模块连接，控制模块通过光耦隔离电路与继电器阵列电路连接，高压模块的输出与继电器阵列电路连接，高压模块还与通讯模块连接。
所述高压模块：将输入高压模块的控制电压线性放大为高压，不同的高压模块根据线性放大倍数不同，输出不同的高电压，其输出电压等于控制电压乘以线性放大倍数；
所述的数模转换模块，包括D/A转换电路与A/D转换电路，实现控制器与高压模块之间数字信号与模拟电压的转换；
所述的滤波电路模块对输入高压模块的控制信号进行滤波，缓冲处理，提高高压电源的输出精度与稳定性；
所述的通讯模块为RS485通讯模块，是智能控制模块与高压电源电路板之间的通信接口电路；
所述的控制模块采用高性能主控芯片。
所述的继电器阵列电路为实现自适应切换高压模块输出通道的执行机构。
本发明的有益效果是：电路结构简单，性能可靠，经实验测试表明，具有通用性强，使用范围广，可拓展性强，能够智能控制，系统资源丰富，响应速度快，自动化控制程度高等优点。
附图说明
图1为本发明高压电源电路的结构框图；
图2是本发明实施例的整体结构示意图；
图3是本发明实施例的整体结构框图；
图4是本发明实施例的继电器阵列电路结构图；
图5是本发明实施例的主程序工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但不是对本发明保护范围的限定。
实施例：
如图1所示，高压电源电路采用模块化设计方法设计，由高压模块，数模转换模块，滤波电路，RS485通讯模块，控制模块，继电器阵列电路组成。所述的高压模块，将输入高压模块的控制电压线性放大为高压，不同的高压模块线性放大倍数不同，输出高压能力从2kV到40kV均有成品，高压模块的输出电压等于控制电压乘以线性放大倍数；所述的数模转换模块，包括DA电路与AD电路，实现控制器与高压模块之间数字信号与模拟电压的转换；所述的滤波电路对输入高压模块的控制信号进行滤波，缓冲处理，提高高压电源的输出精度与稳定性；所述的RS485通讯模块，是上位机与高压电源电路板之间的的通信接口电路；所述的控制模块采用高性能主控芯片，系统资源丰富，响应速度快；所述的继电器阵列电路，是实现自适应切换高压模块输出通道的执行机构，电路结构简单，性能可靠。
如图2所示，本发明一种多路数控高压直流电源系统包括PC端上位机和高压电源电路两大部分，图中有n路高压电源输出，一套高压电源电路对应一路高压输出，使用中可以每两路差分使用，也可以某一路单端使用。其中上位机作为系统的智能控制终端，集成了输出配置，实时监控和历史数据查询三大功能，输出配置方面，主要是每路电压输出时序、输出范围的配置，过流保护、过压保护阈值的配置等；实时监控方面，上位机可以监控实际的电压输出时序，电流输出值及设备功耗等信息；历史数据查询方面，上位机可以存储电压时序的配置参数以及设备反馈回的监控值数据，存储的电压时序的配置参数可重复调用，提高实验效率，存储的监控值数据是使用者分析实验的依据。整体上说，上位机具有结构合理、操作简便的特点。
如图3所示，上位机通过串口转RS485模块与各电源电路板通信，包括控制指令的下达和采样数据的上传；MCU把预置电压信号发给DA转换器后再送入高压模块的控制端，同时读取AD电路对高压模块的输出电压及电流的采样值；缓冲滤波电路使用巴特沃兹二阶滤波器对高压模块的控制信号和采样信号进行滤波处理，提高信号的稳定性；MCU通过光耦隔离电路和继电器阵列自适应的选择高压模块的输出通道，光耦隔离电路将MCU的低压控制信号与高压隔离开，保护了主控电路，增强了系统的稳定性。
经实验测试表明，高压电源采用两路差分的方式输出，增强了抗干扰能力，进一步提高了输出精度与稳定性。此外，系统支持即插即用功能，使用者可以根据需求调整电压输出的路数或是更换高压模块以改变某一路电源的输出电压，输出电流等特性。更换不同的高压模块，控制模块将输出一个试探电压UI给高压模块控制端，此时高压模块的输出电压为UO，那么计算得到高压模块的线性放大倍数K=UO/UI
我们依据K值的不同进而调整输入高压模块的控制电压，增强了系统的可拓展性。
另外，在一些需要用到万伏高电压（10000V以上）的生产和实验中，万伏高电压的输出具有频次多，时长短的特性，当需要多路通道同时输出时，采用每一路一个万伏高压模块的方式具有成本高，单路输出精度低的缺点（万伏高压模块的线性放大倍数更高，噪声电压也将同比例增大，导致输出电压相对误差增大）。针对上述缺点，本发明设计了基于继电器阵列的自适应算法，当A路需要输出万伏高电压时，该算法就会寻找配置特万伏高压模块的路数，并通过继电器将万伏高压模块切换到A通道输出直到A路输出万伏高电压的时序结束，其他路数同A路。该算法结合实验情景，巧妙的解决了万伏高电压实验成本高，单路输出精度变动大的问题，提高了系统的通用性。
如图4所示，要求多路高压同时作用的试验中，只用一路万伏级高压模块，继电器采用单刀双掷高压干簧继电器，图中继电器的4,5脚为控制脚，1脚为继电器常闭端，2脚为继电器常开端，3脚为继电器输出脚，当4,5脚有电流通过时，3脚被吸合连接到2脚常开端；当4,5脚无电流通过时，3脚与1脚常闭端相连。图中万伏继电器连接继电器阵列电路的2脚常开端，当某一路需要输出万伏高电压时，自适应算法首先判断此路无法输出万伏高压；然后依此读取个高压模块的输出电压范围，判断有无万伏高压模块；若有万伏高压模块，则通过继电器将万伏高压模块切换到该通道输出直到该路输出万伏高电压的时序结束。其他路数原理相同。
如图5所示，本系统工作流程是：系统启动之后，首先进行各模块的初始化，然后进入等待上位机指令的循环。每当指令数据帧下达，都会先判断帧的格式是否符合，若不符合，将丢掉这条指令，继续等待上位机指令；若符合，便接收指令，然后对其识别；指令分为三类，分别为控制操作类，读操作类和写操作类，这些指令实现了上位机输出控制和实时监控的功能。例如：配置输出电压时序时，用到了写时间、写电压、写地址、读地址四项指令。指令解析完之后，高压电源板就依据指令执行相应的操作。整体上，程序具有结构清晰，实时性强的特点。
Claims (7)
1.一种多路数控高压直流电源系统，包括高压电源电路，其特征是：
所述高压电源电路由控制模块、数模转换模块、滤波电路模块、高压模块、通讯模块和继电器阵列电路组成，高压模块通过滤波电路模块、数模转换模块与控制模块连接，控制模块通过光耦隔离电路与继电器阵列电路连接，高压模块的输出与继电器阵列电路连接，高压模块还与通讯模块连接。
2.根据权利要求1所述的多路数控高压直流电源系统，所述高压模块：将输入高压模块的控制电压线性放大为高压，不同的高压模块根据线性放大倍数不同，输出从2kV到40kV的高电压，其输出电压等于控制电压乘以线性放大倍数。
3.根据权利要求1所述的多路数控高压直流电源系统，所述的数模转换模块，包括D/A转换电路与A/D转换电路，实现控制器与高压模块之间数字信号与模拟电压的转换。
4.根据权利要求1所述的多路数控高压直流电源系统，所述的滤波电路模块对输入高压模块的控制信号进行滤波，缓冲处理，提高高压电源的输出精度与稳定性。
5.根据权利要求1所述的多路数控高压直流电源系统，所述的通讯模块为RS485通讯模块，为智能控制模块与高压电源电路板之间的通信接口电路。
6.根据权利要求1所述的多路数控高压直流电源系统，所述的控制模块采用高性能主控芯片。
7.根据权利要求1所述的多路数控高压直流电源系统，所述的继电器阵列电路为实现自适应切换高压模块输出通道的执行机构。
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