高校實(shí)驗(yàn)室智能弱電供電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸大偉

摘 要：為了豐富高校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有供電模式，以適應(yīng)日益增長(zhǎng)的智能化、安全性要求，根據(jù)高校實(shí)驗(yàn)室供電安全現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種主要應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)室的智能弱電供電管理系統(tǒng)，采用STM32系列高速低功耗微處理器為控制核心，以脈寬調(diào)制控制全橋隔離開關(guān)電源技術(shù)為基礎(chǔ)，將應(yīng)用輸出端口電壓控制在人體可承受的安全電壓以內(nèi)，并且具有檢測(cè)、反饋、保護(hù)、顯示、交互等多個(gè)輔助功能模塊，研制出一種安全、高效、便捷、穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)室智能化供電系統(tǒng)，有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能電源 STM32 PWM 開關(guān)電源

中圖分類號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）02（c）-0166-02

高校實(shí)驗(yàn)室是理工類高等學(xué)校的重要組成部分。實(shí)驗(yàn)室受眾面積大，用電頻繁，如何有效安全用電成為了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和運(yùn)行中不能忽視的課題。現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)室用電標(biāo)準(zhǔn)基本為220 V交流市電供電，即使在線路布局、切斷保護(hù)等各方面都進(jìn)行了較多考慮，仍然有很大的安全隱患[1]。為了更好地加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)室的用電安全，該文基于32位微型處理器和高效大功率開關(guān)電源技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)室智能化弱電供電系統(tǒng)，徹底解決了實(shí)驗(yàn)室用電安全難題。

1 智能弱電供電系統(tǒng)總體規(guī)劃

該實(shí)驗(yàn)室智能弱電供電管理系統(tǒng)基本性能指標(biāo)（見表1）。

系統(tǒng)采用單片機(jī)智能控制開關(guān)電源將交流市電轉(zhuǎn)化成安全弱電供給輸出使用端口。系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載的變化，及時(shí)調(diào)節(jié)輸出功率，提高用電效率。還可以監(jiān)控各個(gè)供電支路和端口的使用情況，保障供電和用電安全。

2 基于STM32的中央智能管理單元設(shè)計(jì)

中央智能管理單元核心采用STM32系列低功耗、高穩(wěn)定度微型處理器STM321

03VET6（MPU），處理速度高達(dá)72 MHz，

附加數(shù)據(jù)采集、輸入控制、輸出控制、限定

保護(hù)等子模塊構(gòu)成中央控制單元。STM321

03VET6處理器具有大量GPIO、中斷、CAN、USB和AD轉(zhuǎn)換端口[2]，外設(shè)資源極其豐富，擁有內(nèi)部存儲(chǔ)單元，還可運(yùn)行在低功耗模式。中央單元的主要功能有數(shù)據(jù)采樣、運(yùn)算處理、反饋控制、顯示輸出等。

數(shù)據(jù)采樣功能是指通過(guò)AD轉(zhuǎn)換端口或相關(guān)電路采集相關(guān)端口的電壓和電流、負(fù)載數(shù)量、即時(shí)功率、故障等數(shù)據(jù)并傳遞給MPU。運(yùn)算處理功能是指通過(guò)MPU的指令系統(tǒng)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳入程序函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行處理，或者自主產(chǎn)生特定的信號(hào)，比如產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）波形，以供給其他功能模塊。反饋控制功能基于MPU得到的運(yùn)算結(jié)果，通過(guò)GPIO端口輸出到各個(gè)相關(guān)控制電路，使相關(guān)模塊產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確、高效的控制。顯示輸出功能可以將系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、即將執(zhí)行動(dòng)作等信息通過(guò)屏幕顯示出來(lái)，也可以傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行顯示和控制（見圖1）。

過(guò)載檢測(cè)和保護(hù)電路共同協(xié)調(diào)，對(duì)于輸入、輸出電壓、電流和模塊運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作，保障電源整體運(yùn)行安全平穩(wěn)。

3 大功率開關(guān)電源轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)

開關(guān)電源轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)開關(guān)頻率為30 kHz，采用脈寬調(diào)制（PWM）全橋隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整流電路使用大功率整流模塊，根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，最大輸入功率為10 kW，最大輸入電流應(yīng)為46 A，基于安全經(jīng)濟(jì)等考慮，應(yīng)選用工作電流100 A、耐壓1000 V的整流橋堆。全橋逆變整流電路采用英飛凌公司的100 A/600 V大功率IGBT模組[3]。全橋IGBT驅(qū)動(dòng)電路采用IR2133集成驅(qū)動(dòng)芯片。高頻變壓器采用鐵氧體磁芯，原副邊變換比為10∶1。同時(shí)設(shè)計(jì)了濾波、保護(hù)、穩(wěn)壓等附屬電路（見圖2）。

脈寬調(diào)制（PWM）波形由STM32微處理器產(chǎn)生，通過(guò)調(diào)節(jié)脈寬占空比，就可以控制輸出功率，既可控制系統(tǒng)用電效率，也可以提高整體運(yùn)行安全性。開關(guān)電源到用電終端之間還可選擇連續(xù)可調(diào)電壓輸出應(yīng)用模塊或固定分立電壓輸出模塊。檢測(cè)保護(hù)部分可以采用UC3895控制芯片實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制[4]。

4 應(yīng)用端口分布式設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室智能弱電供電管理系統(tǒng)應(yīng)用端口采用分布式、模塊化設(shè)計(jì)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3。

供電線路從總分線器出發(fā)，分別接駁到實(shí)驗(yàn)室各個(gè)房間的端口，再連接到房間內(nèi)部的輸出端子上。各個(gè)接插部分采用標(biāo)準(zhǔn)化即插即用型部件，有利于根據(jù)需要更改、擴(kuò)充相應(yīng)端口數(shù)量。每個(gè)端口具有獨(dú)立的檢測(cè)、保護(hù)裝置，并可以根據(jù)需要在0～30V范圍內(nèi)調(diào)整供電電壓。

該文設(shè)計(jì)的智能弱電供電管理系統(tǒng)可以依托原有實(shí)驗(yàn)室供電系統(tǒng)（220 V市電）線路管道布線，并適當(dāng)對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)臺(tái)供電插口進(jìn)行改裝，或者加裝新式弱電端口，即可正常使用，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便。

5 結(jié)語(yǔ)

智能弱電供電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)科學(xué)合理、安裝實(shí)施方便、投入成本不高、控制管理有效，從根本上解決了實(shí)驗(yàn)室的用電安全問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室全面安全管理奠定了重要基礎(chǔ)。但由于不兼容現(xiàn)有大部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備的供電標(biāo)準(zhǔn)，目前僅適用于需要弱電電源進(jìn)行支持的分立式儀器儀表的組合實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然對(duì)于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)說(shuō)，通過(guò)努力更改內(nèi)部電源電路以直接使用弱電電源供電也是可行的。

參考文獻(xiàn)

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[4] 惠露，李敏遠(yuǎn).基于LabVIEW的分布式開關(guān)電源監(jiān)控系統(tǒng) [J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，3：351-356.