一種應(yīng)用于輸電桿塔地網(wǎng)探測裝置的程控恒功率輸出電源

宋寧寧 賀樹平 韓鐵雷 朱連勇 劉富文 劉居輝

【摘 要】該程控恒功率輸出電源的關(guān)鍵在于輸出電壓的快速準(zhǔn)確調(diào)整。主控芯片實時監(jiān)測輸出功率的變化，通過PID控制算法，實現(xiàn)對輸出電壓快速而平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，該電源系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，在實際應(yīng)用中運行穩(wěn)定，很好的實現(xiàn)恒定功率輸出功能。本文主要介紹了一種應(yīng)用于輸電桿塔地網(wǎng)探測裝置的恒功率程控電源，重點介紹該系統(tǒng)的實現(xiàn)原理與設(shè)計方法。

【關(guān)鍵詞】輸電桿塔 程控 恒定功率 電源

【Abstract】The key to the constant power output programmable power supply that quickly and accurately adjust the output voltage. Master chip real-time monitoring variations in output power， through the PID control algorithm to achieve fast and stable output voltage regulation of the power system circuit is simple， stable operation in practical applications， to achieve a good constant power output.This paper describes a transmission tower is applied to network detection means constant power programmable power supply， focusing on principle and design method of the system.

【Key words】Transmission Tower；Programmable ；Constant Power ；Power Supply

1 技術(shù)背景

輸電桿塔的地網(wǎng)探測目前主要采用電磁感應(yīng)的原理實現(xiàn)，由發(fā)射機(jī)與接收機(jī)兩部分構(gòu)成。發(fā)射機(jī)向地網(wǎng)射線施加一定功率的交變電場，使地網(wǎng)射線向外輻射電磁信號并被接收機(jī)接收，接收機(jī)通過計算分析感應(yīng)磁場的變化，得出地網(wǎng)射線敷設(shè)的路徑與埋藏深度信息。

傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源只能輸出固定的電壓值，而在輸電桿塔地網(wǎng)探測的系統(tǒng)中，為保證在不同的接地環(huán)境下設(shè)備的輸出功率保持恒定，需要設(shè)計一種可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境情況自動調(diào)節(jié)輸出功率的電源。為了滿足該需求，設(shè)計了這種恒功率輸出電源。

2 恒功率電源基本工作原理

電源的輸出功率 Pout=Uout*Iout ，實現(xiàn)恒定的輸出功率即要對電源的輸出電壓Uout與Iout進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于輸電桿塔的地網(wǎng)與大地構(gòu)成的回路可以簡化的看成電阻，電感，電容構(gòu)成的無源系統(tǒng)，保證輸出功率的恒定，只需改變輸出電壓或者輸出電流即可?？紤]到輸出的是交變信號，同時調(diào)壓電源的技術(shù)更為普及，易于實現(xiàn)，所以該電源使用調(diào)節(jié)輸出電壓同時監(jiān)測輸出電流的方法實現(xiàn)恒定功率的輸出。

該電源主要由電壓調(diào)節(jié)模塊，電流檢測模塊，電壓檢測模塊，主控模塊，顯示模塊與按鍵輸入模塊構(gòu)成?？傮w控制流程圖如圖1所示

系統(tǒng)以主控模塊為控制中心實現(xiàn)整體運行，主控模塊選用型號為STM32F103的32位ARM微控制器作為控制核心，最高72MHZ工作頻率。電壓調(diào)節(jié)模塊實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)，輸出電壓范圍0-30V，電流檢測模塊與電壓檢測模塊實現(xiàn)對輸出電流電壓值的測量，按鍵輸入模塊用于獲取用戶的按鍵操作，顯示模塊反應(yīng)設(shè)備的整體運行情況，將電壓，電流，功率等信息顯示出來。主控模塊實時獲取輸出電壓與輸出電流的值，計算出系統(tǒng)的輸出功率，使用PID控制算法調(diào)節(jié)輸出電壓，實現(xiàn)恒定功率的輸出。

3 電壓調(diào)節(jié)模塊的實現(xiàn)

3.1電源芯片介紹

電壓調(diào)節(jié)模塊使用凌特公司（Linear Technology Corporation）推出高性能降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓控制器 LTC3780，該器件的輸入電壓可高于、低于或等于輸出電壓.。？LTC3780 采用單電感器工作，可提供高達(dá) 75W 的輸出功率，四開關(guān)同步整流可實現(xiàn)高達(dá) 97% 的效率.其恒定頻率電流模式架構(gòu)允許高達(dá) 400kHz 的可鎖相頻率.LTC3780 具有 4V 至 30V （最高 36V）的寬輸入范圍和 0.8V 至 30V 的輸出范圍。它的典型應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 LTC3780的典型應(yīng)用電路

3.2電壓調(diào)節(jié)原理

LTC3780的V_FB端口，為電壓調(diào)節(jié)端口，通常由R1，R2兩個電阻構(gòu)成電壓負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的要求。輸出電壓

Vout=0.8（1+R1/R2）。

要改變系統(tǒng)的輸出電壓，即改變改變該電路電壓負(fù)反饋的平衡狀態(tài)。通過添加調(diào)節(jié)電阻R3，并通過控制電壓V_Con實現(xiàn)輸出電壓輸出的可編程連續(xù)調(diào)節(jié)。電壓調(diào)節(jié)端口的電路如圖3所示。

電阻的R3的確定：

在控制電壓V_Con等于0V的時候，模塊輸出最高電壓Vmax=0.8（1+R1/（R2//R3））。R1=200k，R2=200k，Vmax=30V時，R3的值=5.63k。

為了保證系統(tǒng)的最終輸出在0.8V以下時也能穩(wěn)定輸出.，電源的最終輸出端使用一個壓降1V左右的二級管進(jìn)行降壓，因此LTC3780的輸出電壓要略高于30V，R3的電阻選擇需要保留一定余量，此處選擇了5.1k的電阻。

4 電流采樣模塊的實現(xiàn)

電流采樣模塊的電路圖如圖4所示，OutPut-為發(fā)射機(jī)信號輸出端負(fù)端口，模塊使用2.5Ω的電阻作為采樣電阻，該電阻將輸出的交流電流值轉(zhuǎn)換為電壓值，并使用運算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器做為緩沖級。電壓跟隨器的輸出端I_sensor連接到主控模塊的模擬信號采樣端口，主控芯片采用數(shù)字信號處理技術(shù)，計算出輸出交流電流有效值。

5 PID控制參數(shù)的設(shè)計

主控模塊使用PID控制算法實現(xiàn)輸出功率的快速穩(wěn)定。PID是一個以比例（P）、積分（I）、微分（D）算法組成的閉環(huán)控制算法。它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要技術(shù)之一。

PID控制簡化方程：

△ Uk=A*e（k）+B*e（k-1）+C*e（k-2）

PID控制算法的程序?qū)崿F(xiàn)部分并不難，重點在于ABC三個參數(shù)的選定，為了減少需要整定的參數(shù)，首先可以采用PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可以穩(wěn)定實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)后再加入微分控制算法。為了保證系統(tǒng)的安全，在調(diào)試開始時應(yīng)設(shè)置比較保守的參數(shù)，例如比例系數(shù)不要太大，積分時間不要太小，以避免出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定或超調(diào)量過大的異常情況。

6 結(jié)語

該程控恒功率輸出電源的關(guān)鍵在于輸出電壓的快速準(zhǔn)確調(diào)整。主控芯片實時監(jiān)測輸出功率的變化，通過PID控制算法，實現(xiàn)對輸出電壓快速而平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，該電源系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，在實際應(yīng)用中運行穩(wěn)定，很好的實現(xiàn)恒定功率輸出功能。