專利名稱：基于spld的數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電工電子領(lǐng)域，尤其涉及一種基于SPLD的數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路。
背景技術(shù)：
數(shù)字補(bǔ)償穩(wěn)壓方法產(chǎn)生于上個世紀(jì)很早時間，其穩(wěn)壓控制的方法主要有兩類，一類是采樣交流同步采樣，逐波比較幅值確定補(bǔ)償?shù)臉O性和大小的。通過檢測電路產(chǎn)生數(shù)字脈沖邊沿信號，觸發(fā)可逆計數(shù)器輸出匹配信號控制開關(guān)驅(qū)動電路導(dǎo)通與關(guān)斷實現(xiàn)補(bǔ)償穩(wěn)壓的。另一類是通過對工頻交流采樣，并把采樣結(jié)果直接送給嵌入式控制系統(tǒng)或經(jīng)過外圍接口芯片在對此信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后再送入嵌入式控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，單片機(jī)首先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算得到包括有效值的各種參量，用于系統(tǒng)的控制和顯示等。在第一種電路中由于采樣同步的時效性強(qiáng)，對工頻交流的諧波干擾敏感，波形畸變嚴(yán)重時電路信號輸出無效，甚至周期性變化，造成穩(wěn)壓震蕩，器件開啟頻繁老化加快，此電路目前采用分立器件，利用工頻信號驅(qū)動，數(shù)字電路存在競爭與冒險，并且控制存在滯后。第二類控制方法中，實現(xiàn)補(bǔ)償穩(wěn)壓的控制方法只是三組控制變壓器反電動勢的有無和方向，采樣和控制系統(tǒng)控制智能化級別相對過高，計算過程復(fù)雜對硬件要求高，顧及成本多數(shù)穩(wěn)壓的控制系統(tǒng)采用簡單的算法，豐富的采集數(shù)據(jù)處理不到位，虛假信號辨別不出，電路對外界干擾處理不佳。同時MCU存在固有缺陷，內(nèi)存有可變的數(shù)據(jù)區(qū)和無用的空白區(qū)，程序上電、復(fù)位、復(fù)雜環(huán)境、軟件缺陷常使程序運行跑偏，產(chǎn)生危險的無效輸出。生產(chǎn)現(xiàn)場實際干擾嚴(yán)重，穩(wěn)壓控制經(jīng)常失效，穩(wěn)壓被旁路。基于可編程邏輯器件的數(shù)字電路(SPLD)的控制電路，用于綜合穩(wěn)壓電源的控制是一種亟待開發(fā)的時尚手段。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種基于SPLD的數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路，以利于使電路結(jié)構(gòu)簡單明了，更加智能化。提高穩(wěn)壓響應(yīng)速度，系統(tǒng)實時性強(qiáng)，工作可靠性強(qiáng)。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是提供一種基于SPLD的數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路，其中所述控制電路包含有與補(bǔ)償變壓器設(shè)備依次連接的有效值采集電路、 比較電路、數(shù)字邏輯電路及驅(qū)動電路；通過補(bǔ)償設(shè)備變壓器輸出交流工頻電源信號，通過有效值電路對輸出信號電壓采樣，得到直流信號經(jīng)過比較電路得到數(shù)字表示的信號，經(jīng)可編程數(shù)字邏輯電路處理后，驅(qū)動開關(guān)電路來控制補(bǔ)償設(shè)備變壓器進(jìn)行穩(wěn)壓補(bǔ)償。本實用新型的效果是該數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路中采用集成真有效值芯片控制對象選擇直接可靠，真有效值芯片AD736A對輸入信號特性要求不高，對頻率2M的諧波信號也可進(jìn)行積分運算處理，甚至多頻率的交直流混雜信號、波形畸變嚴(yán)重的正弦信號也能獲得真有效值。優(yōu)于傳統(tǒng)整流濾波電路有效值檢測的性能，提高了有效值變化的響應(yīng)，相對交流同步采樣，不對波形敏感。真有效值電路不采集多余參量，控制方法得到優(yōu)化。級聯(lián)兩片十級比較器組成的比較電路應(yīng)用于瞬時比較，不需要同步脈沖驅(qū)動，來實現(xiàn)采樣-保持-轉(zhuǎn)換-鎖存-輸出一系列過程?？刂频膶崟r性高。SPLD器件采用可編程器件實現(xiàn)組合邏輯， 消除了現(xiàn)有穩(wěn)壓電路中的分立元件數(shù)字電路競爭與冒險，提高工作可靠性。SPLD芯片同時不用復(fù)位，掉電數(shù)據(jù)不消失，無效的邏輯單元不會對控制輸出的邏輯運算結(jié)果產(chǎn)生改變。穩(wěn)壓響應(yīng)速度快，控制的實時性得以延續(xù)?？刂齐娐芬?guī)模減小，生產(chǎn)制造工藝簡化。電路板故障調(diào)試維修方便。

圖1為本實用新型基于SPLD的數(shù)字控制電路組成閉環(huán)系統(tǒng)原理圖；圖2為本實用新型有效值電路轉(zhuǎn)換電路圖；圖3為本實用新型LM3914級聯(lián)比較器組成的比較電路圖；圖4為本實用新型SPLD芯片ATF22LV10CQZ組成的邏輯電路圖；圖5為本實用新型邏輯電路內(nèi)部嵌入的軟件邏輯流程示意圖；圖6為本實用新型輸出信號驅(qū)動控制設(shè)備實現(xiàn)穩(wěn)壓原理圖。
具體實施方式
結(jié)合附圖對本實用新型的基于SPLD的數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路結(jié)構(gòu)加以說明。所謂穩(wěn)壓是對交流有效值而言，因此穩(wěn)壓控制宜采用對有效值的直接測量，實現(xiàn)控制的本質(zhì)性。同時輸入電壓往往含有不定量高次諧波的干擾存在，電路需要排除干擾。不能影響對控制量有效值的采集。采集后要依據(jù)此信號進(jìn)行數(shù)字控制必然要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，為了爭取穩(wěn)壓控制的實時性，AD過程速率要快，并且電路愈簡單愈好。本實用新型的基于SPLD的數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路，使用新型集成模擬積分運算芯片實現(xiàn)對控制對象本質(zhì)的真有效值采樣，并用兩片十級比較器LM3914組成比較電路實現(xiàn)對真有效值實行瞬時AD轉(zhuǎn)換，然后應(yīng)用SPLD簡單可編程邏輯處理芯片把AD轉(zhuǎn)換后輸入的數(shù)值，經(jīng)過控制方法優(yōu)化的邏輯算法處理，最終輸出4位二進(jìn)制信號，驅(qū)動4組可控硅對互斥導(dǎo)通，控制補(bǔ)償變壓器設(shè)備對輸入電壓進(jìn)行補(bǔ)償，實現(xiàn)電壓負(fù)反饋的閉環(huán)穩(wěn)壓系統(tǒng)。所述控制電路包含有與補(bǔ)償變壓器設(shè)備依次連接的有效值采集電路、比較電路、數(shù)字邏輯電路及驅(qū)動電路。本實用新型的基于SPLD的數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路包含有與補(bǔ)償變壓器設(shè)備依次連接的有效值采集電路、比較電路、數(shù)字邏輯電路及驅(qū)動電路；通過補(bǔ)償設(shè)備變壓器輸出交流工頻電源信號，通過有效值電路對輸出信號電壓采樣，得到直流信號經(jīng)過比較電路得到數(shù)字表示的信號，經(jīng)可編程數(shù)字邏輯電路處理后，驅(qū)動開關(guān)電路來控制補(bǔ)償設(shè)備變壓器進(jìn)行穩(wěn)壓補(bǔ)償。所述比較電路是由雙芯片十級比較器組成實時比較電路，所述雙芯片均為芯片 LM3914。所述數(shù)字邏輯電路為內(nèi)部嵌入控制邏輯的簡單可編程邏輯芯片組成的，為市售可編程邏輯芯片ATF22LV10CQZ型號。所述補(bǔ)償變壓器設(shè)備由三個變壓器次級依次串聯(lián)在交流工頻主電路火線中；三個變壓器的初級相對次級輸入的同名端相連，同三個異名端引出線組成補(bǔ)償變壓器設(shè)備的輸入部分。所述驅(qū)動電路部分由4組可控硅對并聯(lián)組成，每組兩個雙向?qū)煽毓璐?lián)組成，同時4組可控硅對的串聯(lián)中間還同所述補(bǔ)償設(shè)備變壓器的輸入部分相連；并聯(lián)電路的一端經(jīng)過限流保護(hù)裝置和保險同補(bǔ)償設(shè)備變壓器二次側(cè)串聯(lián)輸出，另一端和零線相連。所述有效值采集電路是補(bǔ)償變壓器設(shè)備的穩(wěn)壓輸出端引出交流信號，經(jīng)過一個降壓變壓器和阻容耦合輸入給集成有效值芯片；集成有效值芯片選AD736A。本實用新型的基于SPLD的數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路功能是這樣實現(xiàn)的如圖1所示，交流工頻電源從主電路輸入，通過補(bǔ)償設(shè)備變壓器輸出，有效值電路對輸出電壓進(jìn)行真有效值轉(zhuǎn)換得到直流信號，經(jīng)過比較電路得到信號的數(shù)字表示，數(shù)字表示信號經(jīng)可編程數(shù)字邏輯電路處理后驅(qū)動開關(guān)電路控制補(bǔ)償變壓器進(jìn)行穩(wěn)壓補(bǔ)償。如圖2所示為本實用新型有效值電路部分。穩(wěn)壓輸出的交流工頻220V在帶抽頭變壓器T 一次側(cè)輸入，二次側(cè)線圈中間抽頭接地，兩端提供雙電源給控制電路供電用，同時其中一端提供信號給有效值測量用。將這一端通過一無極性電容耦合到接地的一系列阻值特定的串聯(lián)電阻Rl，R2，R3，R4。串聯(lián)的電阻目的在于擴(kuò)展輸入信號的范圍。在電阻R2 和Rl中間連接點引出信號通過一個功率電阻接入AD736A的Vin，有效值范圍2V。同時輸入AD736A的Vin的信號還分別通過二極管Dl的陽極連接到電源-VCC和二極管D2的陽極連接到電源VCC。電源VCC和-VCC分別通過電容C2、C6與地連接，進(jìn)行濾波，同時分別與 AD736A的+Vs和-Vs相連。AD736A的Cav通過電解電容C3同-VCC相連，AD736A的Cc通過電解電容C6接地，AD736A的COM接地。AD736A的Cf通過電解電容C5和rmsQUTPUT相連。 同時rmsQUTPUT腳還通過電位器VRl和電阻R7接地。VRl用于調(diào)節(jié)輸出有效值的幅度，其抽頭輸出經(jīng)過電阻R8輸入運放的同相輸入端，運放的反向輸入端通過電阻RlO接地，同時還和電阻Rll和電容C7相連，Rll和電容C7的另一端還和運放的輸出端相連，運放組成有帶通濾波的功能的同相輸入放大器。有效值轉(zhuǎn)換為直流，輸出信號極性不變，幅值大小可標(biāo)校。如圖3所示為本實用新型雙片十級比較器組成的實時比較電路部分，核心是使兩片LM3914芯片的參考基準(zhǔn)電位4腳相連，共同連接到一個穩(wěn)壓二極管DWl陰極，同時還經(jīng)過一個電阻連接到電源VCC，穩(wěn)壓二極管DWl陽極接地，電壓鉗制在3V，目的是提供一個同對應(yīng)輸入電壓正常時的有效值直流參考電壓。兩芯片的腳6、腳7各自相連后，分別經(jīng)過一個電阻R2、電阻R3同8腳相連，兩芯片腳8分別通過電位器RV1、電位器RV2接地；電位器用于調(diào)整超欠壓每一數(shù)字位表示的模擬量幅值，兩芯片2腳接地；兩芯片5腳相連作為反映交流工頻有效值的直流信號輸入端；芯片Ul的腳1、腳18、腳17、腳16、腳15、腳14、腳13 都通過上拉電阻排接到電源VCC，同時，還分別同邏輯電路中SPLD芯片定義為Ui (i彡7)線網(wǎng)輸入接口相連接 ’芯片U2的腳1、腳18、腳17、腳16、腳15、腳14、腳13都通過上拉電阻排接到電源VCC，同時還分別同邏輯電路中SPLD芯片定義為DiG ( 7)線網(wǎng)輸入接口相連接；作為數(shù)字信號輸出的表示，芯片U1、芯片U2的腳9各自同腳3相連到電源VCC，上述芯片其余各針腳懸空。通過調(diào)整電位器實現(xiàn)超欠壓電壓的兩種情況表示，并把低電平有效的信號送出給 SPLD芯片，此電路的優(yōu)點是實現(xiàn)了電壓信號的瞬時A/D，輸出信號不是超欠壓幅度的二進(jìn)制數(shù)值表示而是數(shù)字量對模擬量的類似進(jìn)度條的線性表示，有利于SPLD芯片軟件邏輯的處理。具體工作過程如下反映工頻交流有效值的Ui直流信號通過LM3914比較器，輸出十個線性點的值，得到模擬電壓的數(shù)字表示，通常數(shù)字補(bǔ)償變壓器只有3個，能實現(xiàn)的負(fù)向補(bǔ)償只有7種組合，所以實際上只用到芯片Ul的7個針腳，即腳1、腳18、腳17、腳16、腳15、腳14、腳13 ；對應(yīng)信號仏、隊、仏、隊、隊、隊、 ，表征電壓227V, 234V, 241V, 248V, 255V, 262V, 269V。當(dāng)外部電壓243V時，R、U2、U3低電平，U4、U5、U6、U7高電平。同理；正向補(bǔ)償七種組合也只是用到芯片U2的7個針腳，即腳1、腳18、腳17、腳 16、腳 15、腳 14、腳 13 ；對應(yīng)信號 01、02、03、04、05、06、07，表征電壓213￥，206￥，19叭，192乂， 185V, 178V, 171V。當(dāng)外部電壓 185V 時，D1^D2, D3、D4 低電平，D5, D6, D7 高電平。如圖4所示為本實用新型可編程數(shù)字邏輯處理電路部分。核心電路是簡單可編程芯片ATF22LV10CQZ及其外圍電路。ATF22LV10CQZ的腳2、腳3、腳4、腳5、腳6、腳7、腳8 對應(yīng)定義為線網(wǎng)輸入接口 Ui (i彡7)，芯片U3的腳9、腳10、腳11、腳13、腳14、腳15、腳16 對應(yīng)定義為線網(wǎng)性輸入接口 Di (i < 7)，分別與級聯(lián)的2片十級比較器組成的實時比較電路中所述的有關(guān)芯片引腳相連；芯片U3的腳17、腳18、腳19、腳20被定義為匹配驅(qū)動的線網(wǎng)性輸出信號sigO, sig28、sigl4、sig7 ；腳21-腳23腳懸空；腳12和腳24分別接地和電源 VCC0線網(wǎng)性輸入接口是內(nèi)部編程輸入變量的類型，通過體現(xiàn)如圖5所示的數(shù)字邏輯處理過程輸出類型匹配的線網(wǎng)性輸出信號。邏輯電路部分工作內(nèi)容如下上述14個信號輸入SPLD，其中分兩組7位，即Di和 Ui (i ( 7)，如前所述分別對應(yīng)低于220V和高于220V時的情況，兩種情況只有一種，低電平有效，當(dāng)其中任何一組存在低電平位即視為有效，由此判定超欠壓情況，如果該組二進(jìn)制數(shù)有效，在其之前填充一位無效高電平位邏輯‘ 1’，并對此8位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行特殊編碼，所謂特殊編碼是只保留最高有效位后在按優(yōu)先編碼器進(jìn)行編碼，當(dāng)出現(xiàn)超壓時此編碼為定義為負(fù)，反之為正。將此編碼數(shù)值同已經(jīng)預(yù)置數(shù)為07H的4位全加器相加并輸出4位信號，使能圖5中四組可控硅互斥導(dǎo)通，控制補(bǔ)償變壓器設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)壓補(bǔ)償。如圖5所示，數(shù)字補(bǔ)償交流穩(wěn)壓的原理是信號數(shù)字增量控制互斥導(dǎo)通的開關(guān)作用下的變壓器電流流向控制，實質(zhì)是變壓器的耦合線圈匝數(shù)的控制。如，當(dāng)輸入電壓高出220V 接近7V時，變壓器Tl，變比η 7/220，電流流過形成反電動勢，作用在回路中輸出電壓穩(wěn)定在220V。通過控制電流的流向還可以改變反電動勢的方向，在輸入欠壓時進(jìn)行補(bǔ)償。變壓器Τ2、變壓器Τ3分別是14 220,28 220。當(dāng)輸入電壓高出或低于220V時，就可以控制補(bǔ)償變壓器正補(bǔ)償和負(fù)補(bǔ)償以及不補(bǔ)償。通過4位在初值基礎(chǔ)上可增減的二進(jìn)制數(shù)值對應(yīng)控制四組可控硅I和II、III和IV、V和VI、VII和VIII四組互斥導(dǎo)通就來實現(xiàn)補(bǔ)償。當(dāng)外網(wǎng)輸入電壓為M5V時，經(jīng)比較電路，D1, D2, D3> D4, D5, D6, D7全部為高電平即 7 禮仏、隊、仏低電平，隊、隊、隊、叫高電平，即78Η，此時為超壓，幅度為U3檔。在其前面填充一位并保留最高有效位U3其余位均置‘1’，即FBH，對其補(bǔ)碼編碼即03Η。此值為負(fù)，同預(yù)置數(shù)07Η相加得04Η，即二進(jìn)制0100信號。分別控制如圖5中的I和II、III和IV、V和VI、 VII和VIII四組互斥導(dǎo)通就來實現(xiàn)補(bǔ)償。將其中分立數(shù)字電路元件實現(xiàn)的復(fù)雜邏輯運算通過可編程器件來實現(xiàn)是本實用新型的主要特點。本實用新型通過以簡單可編程邏輯芯片ATF22LV10CQZ為例，介紹了一種穩(wěn)壓控制電路，這不能被認(rèn)為是對本實用新型權(quán)利要求的限制。如果本領(lǐng)域的技術(shù)人員依據(jù)本實用新型做出了非實質(zhì)性的、顯而易見的改變或改進(jìn)，都應(yīng)該屬于本實用新型權(quán)利要求保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求1.一種基于SPLD的數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路，其特征是所述控制電路包含有與補(bǔ)償變壓器設(shè)備依次連接的有效值采集電路、比較電路、數(shù)字邏輯電路及驅(qū)動電路；通過補(bǔ)償設(shè)備變壓器輸出交流工頻電源信號，通過有效值電路對輸出信號電壓采樣，得到直流信號經(jīng)過比較電路得到數(shù)字表示的信號，經(jīng)可編程數(shù)字邏輯電路處理后，驅(qū)動開關(guān)電路來控制補(bǔ)償設(shè)備變壓器進(jìn)行穩(wěn)壓補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SPLD的數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路，其特征是所述比較電路是由雙芯片十級比較器組成實時比較電路，所述雙芯片均為芯片LM3914。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于SPLD的數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路，其特征是所述數(shù)字邏輯電路為內(nèi)部嵌入控制邏輯的簡單可編程邏輯芯片組成的，為市售可編程邏輯芯片 ATF22LV10CQZ 型號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于SPLD的數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路，其特征是所述補(bǔ)償變壓器設(shè)備由三個變壓器次級依次串聯(lián)在交流工頻主電路火線中；三個變壓器的初級相對次級輸入的同名端相連，同三個異名端引出線組成補(bǔ)償變壓器設(shè)備的輸入部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于SPLD的數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路，其特征是所述驅(qū)動電路部分由4組可控硅對并聯(lián)組成，每組兩個雙向?qū)煽毓璐?lián)組成，同時4組可控硅對的串聯(lián)中間還同所述補(bǔ)償設(shè)備變壓器的輸入部分相連；并聯(lián)電路的一端經(jīng)過限流保護(hù)裝置和保險同補(bǔ)償設(shè)備變壓器二次側(cè)串聯(lián)輸出，另一端和零線相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于SPLD的數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路，其特征是所述有效值采集電路是補(bǔ)償變壓器設(shè)備的穩(wěn)壓輸出端引出交流信號，經(jīng)過一個降壓變壓器和阻容耦合輸入給集成有效值芯片；集成有效值芯片選AD736A。
專利摘要本實用新型提供一種基于SPLD的數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路，所述控制電路的交流工頻電源從主電路輸入，經(jīng)過補(bǔ)償設(shè)備變壓器輸出，有效值電路對輸出電壓采樣，得到直流信號經(jīng)過比較電路得到輸出電壓的數(shù)字表示，此數(shù)字信號經(jīng)可編程數(shù)字邏輯電路處理后驅(qū)動開關(guān)電路控制補(bǔ)償變壓器進(jìn)行穩(wěn)壓補(bǔ)償，形成一個典型的恒壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。本實用新型的效果是該數(shù)字穩(wěn)壓電源控制電路中的控制信號基于工頻交流有效值信號，不存在交流同步采集中對波形敏感的問題。SPLD器件采用可編程器件實現(xiàn)組合邏輯，控制方法優(yōu)化，穩(wěn)壓響應(yīng)速度快，系統(tǒng)實時性強(qiáng)，工作可靠性。SPLD芯片使用使穩(wěn)壓控制電路規(guī)模小，生產(chǎn)制造工藝簡化，效率提高。電路板故障調(diào)試維修方便。
文檔編號H02M7/04GK201966815SQ20102068499
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者李書亭 申請人:川鐵電氣(天津)集團(tuán)有限公司