一種多路數(shù)控高壓直流電源系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開的一種多路數(shù)控高壓直流電源系統(tǒng)，包括高壓電源電路，其特征是：所述高壓電源電路由控制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、濾波電路模塊、高壓模塊、通訊模塊和繼電器陣列電路組成，高壓模塊通過濾波電路模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊與控制模塊連接，控制模塊通過光耦隔離電路與繼電器陣列電路連接，高壓模塊的輸出與繼電器陣列電路連接，高壓模塊還與通訊模塊連接。本實(shí)用新型的有益效果是：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，具有通用性強(qiáng)，使用范圍廣，可拓展性強(qiáng)，能夠智能控制，系統(tǒng)資源豐富，響應(yīng)速度快，自動(dòng)化控制程度高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種多路數(shù)控高壓直流電源系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電子領(lǐng)域，具體是一種多路數(shù)控高壓直流電源系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)控高壓直流電源在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中應(yīng)用廣泛，早期的直流高壓電源是將交流市電或三相電由工頻高壓變壓器升壓變成交流高壓電，然后整流濾波得到直流高壓電，由于頻率低，電源的體積和重量都比較大，轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定度差；隨著開關(guān)電源技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與成熟，采用高頻開關(guān)變換技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)，結(jié)合高壓電源的特點(diǎn)而研制的直流高壓電源成為主流，這種電源大多采用按鍵控制實(shí)現(xiàn)單路輸出，且有固定的電壓輸出范圍，存在通用性差，可擴(kuò)展差性差，操作自動(dòng)化程度低等不足;然而當(dāng)下生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中對(duì)輸出高壓進(jìn)行復(fù)雜控制的要求越來越高，需要配置多路電壓的先后輸出次序，快速變動(dòng)輸出高壓值及輸出電壓范圍等，傳統(tǒng)數(shù)控高壓直流電源顯然無法滿足，所以亟需一種使用范圍廣，可拓展性強(qiáng)，能夠智能控制的數(shù)控高壓電源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決傳統(tǒng)的數(shù)控直流高壓電源的不足，本發(fā)明提供了一種多路數(shù)控高壓直流電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，具有通用性強(qiáng)，可拓展性強(qiáng)，自動(dòng)化控制程度高的優(yōu)點(diǎn)。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0005]—種多路數(shù)控高壓直流電源系統(tǒng)，包括高壓電源電路，與現(xiàn)有技術(shù)不同的是:
[0006]所述高壓電源電路由控制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、濾波電路模塊、高壓模塊、通訊模塊和繼電器陣列電路組成，高壓模塊通過濾波電路模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊與控制模塊連接，控制模塊通過光耦隔離電路與繼電器陣列電路連接，高壓模塊的輸出與繼電器陣列電路連接，高壓模塊還與通訊模塊連接。
[0007]所述高壓模塊:將輸入高壓模塊的控制電壓線性放大為高壓，不同的高壓模塊根據(jù)線性放大倍數(shù)不同，輸出不同的高電壓，其輸出電壓等于控制電壓乘以線性放大倍數(shù)；
[0008]所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，包括D/A轉(zhuǎn)換電路與A/D轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)控制器與高壓模塊之間數(shù)字信號(hào)與模擬電壓的轉(zhuǎn)換；
[0009]所述的濾波電路模塊對(duì)輸入高壓模塊的控制信號(hào)進(jìn)行濾波，緩沖處理，提高高壓電源的輸出精度與穩(wěn)定性；
[0010]所述的通訊模塊為RS485通訊模塊，是智能控制模塊與高壓電源電路板之間的通信接口電路；
[0011]所述的控制模塊采用高性能主控芯片。
[0012]所述的繼電器陣列電路為實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)切換高壓模塊輸出通道的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，具有通用性強(qiáng)，使用范圍廣，可拓展性強(qiáng)，能夠智能控制，系統(tǒng)資源豐富，響應(yīng)速度快，自動(dòng)化控制程度高等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明高壓電源電路的結(jié)構(gòu)框圖；
[0015]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)框圖；
[0017]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的繼電器陣列電路結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖5是本發(fā)明實(shí)施例的主程序工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明，但不是對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。
[0020]實(shí)施例:
[0021 ]如圖1所示，高壓電源電路采用模塊化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，由高壓模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，濾波電路，RS485通訊模塊，控制模塊，繼電器陣列電路組成。所述的高壓模塊，將輸入高壓模塊的控制電壓線性放大為高壓，不同的高壓模塊線性放大倍數(shù)不同，輸出高壓能力從2kV到40kV均有成品，高壓模塊的輸出電壓等于控制電壓乘以線性放大倍數(shù);所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，包括DA電路與AD電路，實(shí)現(xiàn)控制器與高壓模塊之間數(shù)字信號(hào)與模擬電壓的轉(zhuǎn)換;所述的濾波電路對(duì)輸入高壓模塊的控制信號(hào)進(jìn)行濾波，緩沖處理，提高高壓電源的輸出精度與穩(wěn)定性;所述的RS485通訊模塊，是上位機(jī)與高壓電源電路板之間的的通信接口電路;所述的控制模塊采用高性能主控芯片，系統(tǒng)資源豐富，響應(yīng)速度快;所述的繼電器陣列電路，是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)切換高壓模塊輸出通道的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。
[0022]如圖2所示，本發(fā)明一種多路數(shù)控高壓直流電源系統(tǒng)包括PC端上位機(jī)和高壓電源電路兩大部分，圖中有η路高壓電源輸出，一套高壓電源電路對(duì)應(yīng)一路高壓輸出，使用中可以每?jī)陕凡罘质褂?，也可以某一路單端使用。其中上位機(jī)作為系統(tǒng)的智能控制終端，集成了輸出配置，實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)查詢?nèi)蠊δ?，輸出配置方面，主要是每路電壓輸出時(shí)序、輸出范圍的配置，過流保護(hù)、過壓保護(hù)閾值的配置等;實(shí)時(shí)監(jiān)控方面，上位機(jī)可以監(jiān)控實(shí)際的電壓輸出時(shí)序，電流輸出值及設(shè)備功耗等信息;歷史數(shù)據(jù)查詢方面，上位機(jī)可以存儲(chǔ)電壓時(shí)序的配置參數(shù)以及設(shè)備反饋回的監(jiān)控值數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)的電壓時(shí)序的配置參數(shù)可重復(fù)調(diào)用，提高實(shí)驗(yàn)效率，存儲(chǔ)的監(jiān)控值數(shù)據(jù)是使用者分析實(shí)驗(yàn)的依據(jù)。整體上說，上位機(jī)具有結(jié)構(gòu)合理、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。
[0023]如圖3所示，上位機(jī)通過串口轉(zhuǎn)RS485模塊與各電源電路板通信，包括控制指令的下達(dá)和采樣數(shù)據(jù)的上傳;MCU把預(yù)置電壓信號(hào)發(fā)給DA轉(zhuǎn)換器后再送入高壓模塊的控制端，同時(shí)讀取AD電路對(duì)高壓模塊的輸出電壓及電流的采樣值;緩沖濾波電路使用巴特沃茲二階濾波器對(duì)高壓模塊的控制信號(hào)和采樣信號(hào)進(jìn)行濾波處理，提高信號(hào)的穩(wěn)定性;MCU通過光耦隔離電路和繼電器陣列自適應(yīng)的選擇高壓模塊的輸出通道，光耦隔離電路將MCU的低壓控制信號(hào)與高壓隔離開，保護(hù)了主控電路，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0024]經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，高壓電源采用兩路差分的方式輸出，增強(qiáng)了抗干擾能力，進(jìn)一步提高了輸出精度與穩(wěn)定性。此外，系統(tǒng)支持即插即用功能，使用者可以根據(jù)需求調(diào)整電壓輸出的路數(shù)或是更換高壓模塊以改變某一路電源的輸出電壓，輸出電流等特性。更換不同的高壓模塊，控制模塊將輸出一個(gè)試探電壓U1給高壓模塊控制端，此時(shí)高壓模塊的輸出電壓為Uo，那么計(jì)算得到高壓模塊的線性放大倍數(shù)K=UoAJ1。
[0025]我們依據(jù)K值的不同進(jìn)而調(diào)整輸入高壓模塊的控制電壓，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可拓展性。
[0026]另外，在一些需要用到萬伏高電壓(10000V以上)的生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中，萬伏高電壓的輸出具有頻次多，時(shí)長(zhǎng)短的特性，當(dāng)需要多路通道同時(shí)輸出時(shí)，采用每一路一個(gè)萬伏高壓模塊的方式具有成本高，單路輸出精度低的缺點(diǎn)(萬伏高壓模塊的線性放大倍數(shù)更高，噪聲電壓也將同比例增大，導(dǎo)致輸出電壓相對(duì)誤差增大)。針對(duì)上述缺點(diǎn)，本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于繼電器陣列的自適應(yīng)算法，當(dāng)A路需要輸出萬伏高電壓時(shí)，該算法就會(huì)尋找配置特萬伏高壓模塊的路數(shù)，并通過繼電器將萬伏高壓模塊切換到A通道輸出直到A路輸出萬伏高電壓的時(shí)序結(jié)束，其他路數(shù)同A路。該算法結(jié)合實(shí)驗(yàn)情景，巧妙的解決了萬伏高電壓實(shí)驗(yàn)成本高，單路輸出精度變動(dòng)大的問題，提高了系統(tǒng)的通用性。
[0027]如圖4所示，要求多路高壓同時(shí)作用的試驗(yàn)中，只用一路萬伏級(jí)高壓模塊，繼電器采用單刀雙擲高壓干簧繼電器，圖中繼電器的4，5腳為控制腳，I腳為繼電器常閉端，2腳為繼電器常開端，3腳為繼電器輸出腳，當(dāng)4，5腳有電流通過時(shí)，3腳被吸合連接到2腳常開端；當(dāng)4，5腳無電流通過時(shí)，3腳與I腳常閉端相連。圖中萬伏繼電器連接繼電器陣列電路的2腳常開端，當(dāng)某一路需要輸出萬伏高電壓時(shí)，自適應(yīng)算法首先判斷此路無法輸出萬伏高壓;然后依此讀取個(gè)高壓模塊的輸出電壓范圍，判斷有無萬伏高壓模塊;若有萬伏高壓模塊，則通過繼電器將萬伏高壓模塊切換到該通道輸出直到該路輸出萬伏高電壓的時(shí)序結(jié)束。其他路數(shù)原理相同。
[0028]如圖5所示，本系統(tǒng)工作流程是:系統(tǒng)啟動(dòng)之后，首先進(jìn)行各模塊的初始化，然后進(jìn)入等待上位機(jī)指令的循環(huán)。每當(dāng)指令數(shù)據(jù)幀下達(dá)，都會(huì)先判斷幀的格式是否符合，若不符合，將丟掉這條指令，繼續(xù)等待上位機(jī)指令;若符合，便接收指令，然后對(duì)其識(shí)別；指令分為三類，分別為控制操作類，讀操作類和寫操作類，這些指令實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)輸出控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。例如:配置輸出電壓時(shí)序時(shí)，用到了寫時(shí)間、寫電壓、寫地址、讀地址四項(xiàng)指令。指令解析完之后，高壓電源板就依據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的操作。整體上，程序具有結(jié)構(gòu)清晰，實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多路數(shù)控高壓直流電源系統(tǒng)，包括高壓電源電路，其特征是: 所述高壓電源電路由控制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、濾波電路模塊、高壓模塊、通訊模塊和繼電器陣列電路組成，高壓模塊通過濾波電路模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊與控制模塊連接，控制模塊通過光耦隔離電路與繼電器陣列電路連接，高壓模塊的輸出與繼電器陣列電路連接，高壓模塊還與通訊模塊連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路數(shù)控高壓直流電源系統(tǒng)，所述高壓模塊:將輸入高壓模塊的控制電壓線性放大為高壓，不同的高壓模塊根據(jù)線性放大倍數(shù)不同，輸出從2kV到40kV的高電壓，其輸出電壓等于控制電壓乘以線性放大倍數(shù)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路數(shù)控高壓直流電源系統(tǒng)，所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，包括D/A轉(zhuǎn)換電路與A/D轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)控制器與高壓模塊之間數(shù)字信號(hào)與模擬電壓的轉(zhuǎn)換。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路數(shù)控高壓直流電源系統(tǒng)，所述的濾波電路模塊對(duì)輸入高壓模塊的控制信號(hào)進(jìn)行濾波，緩沖處理，提高高壓電源的輸出精度與穩(wěn)定性。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路數(shù)控高壓直流電源系統(tǒng)，所述的通訊模塊為RS485通訊模塊，為智能控制模塊與高壓電源電路板之間的通信接口電路。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路數(shù)控高壓直流電源系統(tǒng)，所述的控制模塊采用高性能主控芯片。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路數(shù)控高壓直流電源系統(tǒng)，所述的繼電器陣列電路為實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)切換高壓模塊輸出通道的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】G05F1/56GK205656534SQ201620349149
【公開日】2016年10月19日
【申請(qǐng)日】2016年4月25日 公開號(hào)201620349149.5, CN 201620349149, CN 205656534 U, CN 205656534U, CN-U-205656534, CN201620349149, CN201620349149.5, CN205656534 U, CN205656534U
【發(fā)明人】丘森輝, 周偉東, 羅曉曙
【申請(qǐng)人】廣西師范大學(xué)