专利名称：基于spld的数字稳压电源控制电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电工电子领域，尤其涉及一种基于SPLD的数字稳压电源控制电路。
背景技术：
数字补偿稳压方法产生于上个世纪很早时间，其稳压控制的方法主要有两类，一类是采样交流同步采样，逐波比较幅值确定补偿的极性和大小的。通过检测电路产生数字脉冲边沿信号，触发可逆计数器输出匹配信号控制开关驱动电路导通与关断实现补偿稳压的。另一类是通过对工频交流采样，并把采样结果直接送给嵌入式控制系统或经过外围接口芯片在对此信号进行A/D转换后再送入嵌入式控制系统进行处理，单片机首先要对数据进行运算得到包括有效值的各种参量，用于系统的控制和显示等。在第一种电路中由于采样同步的时效性强，对工频交流的谐波干扰敏感，波形畸变严重时电路信号输出无效，甚至周期性变化，造成稳压震荡，器件开启频繁老化加快，此电路目前采用分立器件，利用工频信号驱动，数字电路存在竞争与冒险，并且控制存在滞后。第二类控制方法中，实现补偿稳压的控制方法只是三组控制变压器反电动势的有无和方向，采样和控制系统控制智能化级别相对过高，计算过程复杂对硬件要求高，顾及成本多数稳压的控制系统采用简单的算法，丰富的采集数据处理不到位，虚假信号辨别不出，电路对外界干扰处理不佳。同时MCU存在固有缺陷，内存有可变的数据区和无用的空白区，程序上电、复位、复杂环境、软件缺陷常使程序运行跑偏，产生危险的无效输出。生产现场实际干扰严重，稳压控制经常失效，稳压被旁路。基于可编程逻辑器件的数字电路(SPLD)的控制电路，用于综合稳压电源的控制是一种亟待开发的时尚手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于SPLD的数字稳压电源控制电路，以利于使电路结构简单明了，更加智能化。提高稳压响应速度，系统实时性强，工作可靠性强。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于SPLD的数字稳压电源控制电路，其中所述控制电路包含有与补偿变压器设备依次连接的有效值采集电路、比较电路、数字逻辑电路及驱动电路；通过补偿设备变压器输出交流工频电源信号，通过有效值电路对输出信号电压采样，得到直流信号经过比较电路得到数字表示的信号，经可编程数字逻辑电路处理后，驱动开关电路来控制补偿设备变压器进行稳压补偿。本发明的效果是该数字稳压电源控制电路中采用集成真有效值芯片控制对象选择直接可靠，真有效值芯片AD736A对输入信号特性要求不高，对频率2M的谐波信号也可进行积分运算处理，甚至多频率的交直流混杂信号、波形畸变严重的正弦信号也能获得真有效值。优于传统整流滤波电路有效值检测的性能，提高了有效值变化的响应，相对交流同步采样，不对波形敏感。真有效值电路不采集多余参量，控制方法得到优化。级联两片十级比较器组成的比较电路应用于瞬时比较，不需要同步脉冲驱动，来实现采样-保持-转换-锁存-输出一系列过程。控制的实时性高。SPLD器件采用可编程器件实现组合逻辑，消除了现有稳压电路中的分立元件数字电路竞争与冒险，提高工作可靠性。SPLD芯片同时不用复位，掉电数据不消失，无效的逻辑单元不会对控制输出的逻辑运算结果产生改变。稳压响应速度快，控制的实时性得以延续。控制电路规模减小，生产制造工艺简化。电路板故障调试维修方便。
图1为本发明基于SPLD的数字控制电路组成闭环系统原理图；图2为本发明有效值电路转换电路图；图3为本发明LM3914级联比较器组成的比较电路图；图4为本发明SPLD芯片ATF22LV10CQZ组成的逻辑电路图；图5为本发明逻辑电路内部嵌入的软件逻辑流程示意图；图6为本发明输出信号驱动控制设备实现稳压原理图。
具体实施例方式结合附图对本发明的基于SPLD的数字稳压电源控制电路结构加以说明。所谓稳压是对交流有效值而言，因此稳压控制宜采用对有效值的直接测量，实现控制的本质性。同时输入电压往往含有不定量高次谐波的干扰存在，电路需要排除干扰。不能影响对控制量有效值的采集。采集后要依据此信号进行数字控制必然要进行AD转换，为了争取稳压控制的实时性，AD过程速率要快，并且电路愈简单愈好。本发明的基于SPLD的数字稳压电源控制电路，使用新型集成模拟积分运算芯片实现对控制对象本质的真有效值采样，并用两片十级比较器LM3914组成比较电路实现对真有效值实行瞬时AD转换，然后应用SPLD简单可编程逻辑处理芯片把AD转换后输入的数值，经过控制方法优化的逻辑算法处理，最终输出4位二进制信号，驱动4组可控硅对互斥导通，控制补偿变压器设备对输入电压进行补偿，实现电压负反馈的闭环稳压系统。所述控制电路包含有与补偿变压器设备依次连接的有效值采集电路、比较电路、数字逻辑电路及驱动电路。本发明的基于SPLD的数字稳压电源控制电路包含有与补偿变压器设备依次连接的有效值采集电路、比较电路、数字逻辑电路及驱动电路；通过补偿设备变压器输出交流工频电源信号，通过有效值电路对输出信号电压采样，得到直流信号经过比较电路得到数字表示的信号，经可编程数字逻辑电路处理后，驱动开关电路来控制补偿设备变压器进行稳压补偿。所述比较电路是由双芯片十级比较器组成实时比较电路，所述双芯片均为芯片 LM3914。所述数字逻辑电路为内部嵌入控制逻辑的简单可编程逻辑芯片组成的，为市售可编程逻辑芯片ATF22LV10CQZ型号。所述补偿变压器设备由三个变压器次级依次串联在交流工频主电路火线中；三个变压器的初级相对次级输入的同名端相连，同三个异名端引出线组成补偿变压器设备的输入部分。所述驱动电路部分由4组可控硅对并联组成，每组两个双向导通可控硅串联组成，同时4组可控硅对的串联中间还同所述补偿设备变压器的输入部分相连；并联电路的一端经过限流保护装置和保险同补偿设备变压器二次侧串联输出，另一端和零线相连。所述有效值采集电路是补偿变压器设备的稳压输出端引出交流信号，经过一个降压变压器和阻容耦合输入给集成有效值芯片；集成有效值芯片选AD736A。本发明的基于SPLD的数字稳压电源控制电路功能是这样实现的如图1所示，交流工频电源从主电路输入，通过补偿设备变压器输出，有效值电路对输出电压进行真有效值转换得到直流信号，经过比较电路得到信号的数字表示，数字表示信号经可编程数字逻辑电路处理后驱动开关电路控制补偿变压器进行稳压补偿。如图2所示为本发明有效值电路部分。稳压输出的交流工频220V在带抽头变压器T 一次侧输入，二次侧线圈中间抽头接地，两端提供双电源给控制电路供电用，同时其中一端提供信号给有效值测量用。将这一端通过一无极性电容耦合到接地的一系列阻值特定的串联电阻R1，R2，R3，R4。串联的电阻目的在于扩展输入信号的范围。在电阻R2和Rl中间连接点引出信号通过一个功率电阻接入AD736A的Vin，有效值范围2V。同时输入AD736A 的Vin的信号还分别通过二极管Dl的阳极连接到电源-VCC和二极管D2的阳极连接到电源 VCC0电源VCC和-VCC分别通过电容C2、C6与地连接，进行滤波，同时分别与AD736A的+Vs 和-Vs相连。AD736A的Cav通过电解电容C3同-VCC相连，AD736A的Cc通过电解电容C6 接地，AD736A的COM接地。AD736A的Cf通过电解电容C5和rms0UTPUT相连。同时rms0UTPUT 脚还通过电位器VRl和电阻R7接地。VRl用于调节输出有效值的幅度，其抽头输出经过电阻R8输入运放的同相输入端，运放的反向输入端通过电阻RlO接地，同时还和电阻Rll和电容C7相连，Rll和电容C7的另一端还和运放的输出端相连，运放组成有带通滤波的功能的同相输入放大器。有效值转换为直流，输出信号极性不变，幅值大小可标校。如图3所示为本发明双片十级比较器组成的实时比较电路部分，核心是使两片 LM3914芯片的参考基准电位4脚相连，共同连接到一个稳压二极管DWl阴极，同时还经过一个电阻连接到电源VCC，稳压二极管DWl阳极接地，电压钳制在3V，目的是提供一个同对应输入电压正常时的有效值直流参考电压。两芯片的脚6、脚7各自相连后，分别经过一个电阻R2、电阻R3同8脚相连，两芯片脚8分别通过电位器RV1、电位器RV2接地；电位器用于调整超欠压每一数字位表示的模拟量幅值，两芯片2脚接地；两芯片5脚相连作为反映交流工频有效值的直流信号输入端；芯片Ul的脚1、脚18、脚17、脚16、脚15、脚14、脚13都通过上拉电阻排接到电源VCC，同时，还分别同逻辑电路中SPLD芯片定义为( 7)线网输入接口相连接；芯片U2的脚1、脚18、脚17、脚16、脚15、脚14、脚13都通过上拉电阻排接到电源VCC，同时还分别同逻辑电路中SPLD芯片定义为Di (i ( 7)线网输入接口相连接； 作为数字信号输出的表示，芯片Ul、芯片U2的脚9各自同脚3相连到电源VCC，上述芯片其余各针脚悬空。通过调整电位器实现超欠压电压的两种情况表示，并把低电平有效的信号送出给 SPLD芯片，此电路的优点是实现了电压信号的瞬时A/D，输出信号不是超欠压幅度的二进制数值表示而是数字量对模拟量的类似进度条的线性表示，有利于SPLD芯片软件逻辑的处理。具体工作过程如下反映工频交流有效值的Ui直流信号通过LM3914比较器，输出十个线性点的值，得到模拟电压的数字表示，通常数字补偿变压器只有3个，能实现的负向补偿只有7种组合，所以实际上只用到芯片Ul的7个针脚，即脚1、脚18、脚17、脚16、脚15、 脚14、脚13 ；对应信号仏、队、仏、队、队、队、 ，表征电压227V, 234V, 241V, 248V, 255V, 262V,269V。当外部电压243V时，仏、队、仏低电平，U4、U5、U6、U7高电平。同理；正向补偿七种组合也只是用到芯片U2的7个针脚，即脚1、脚18、脚17、脚 16、脚 15、脚 14、脚 13 ；对应信号 01、02、03、04、05、06、07，表征电压213￥，206￥，19叭，192乂， 185V, 178V, 171V。当外部电压 185V 时，D1^D2, D3、D4 低电平，D5, D6, D7 高电平。如图4所示为本发明可编程数字逻辑处理电路部分。核心电路是简单可编程芯片 ATF22LV10CQZ及其外围电路。ATF22LV10CQZ的脚2、脚3、脚4、脚5、脚6、脚7、脚8对应定义为线网输入接口 Ui (i彡7)，芯片U3的脚9、脚10、脚11、脚13、脚14、脚15、脚16对应定义为线网性输入接口 Di (i < 7)，分别与级联的2片十级比较器组成的实时比较电路中所述的有关芯片引脚相连；芯片U3的脚17、脚18、脚19、脚20被定义为匹配驱动的线网性输出信号sigO, sig28、sigl4、sig7 ；脚21-脚23脚悬空；脚12和脚24分别接地和电源VCC0 线网性输入接口是内部编程输入变量的类型，通过体现如图5所示的数字逻辑处理过程输出类型匹配的线网性输出信号。逻辑电路部分工作内容如下上述14个信号输入SPLD，其中分两组7位，即Di和 Ui (i ( 7)，如前所述分别对应低于220V和高于220V时的情况，两种情况只有一种，低电平有效，当其中任何一组存在低电平位即视为有效，由此判定超欠压情况，如果该组二进制数有效，在其之前填充一位无效高电平位逻辑‘ 1’，并对此8位二进制数进行特殊编码，所谓特殊编码是只保留最高有效位后在按优先编码器进行编码，当出现超压时此编码为定义为负，反之为正。将此编码数值同已经预置数为07H的4位全加器相加并输出4位信号，使能图5中四组可控硅互斥导通，控制补偿变压器设备进行稳压补偿。如图5所示，数字补偿交流稳压的原理是信号数字增量控制互斥导通的开关作用下的变压器电流流向控制，实质是变压器的耦合线圈匝数的控制。如，当输入电压高出220V 接近7V时，变压器Tl，变比η 7/220，电流流过形成反电动势，作用在回路中输出电压稳定在220V。通过控制电流的流向还可以改变反电动势的方向，在输入欠压时进行补偿。变压器Τ2、变压器Τ3分别是14 220,28 220。当输入电压高出或低于220V时，就可以控制补偿变压器正补偿和负补偿以及不补偿。通过4位在初值基础上可增减的二进制数值对应控制四组可控硅I和II、III和IV、V和VI、VII和VIII四组互斥导通就来实现补偿。当外网输入电压为245V时，经比较电路，D1, D2, D3> D4, D5, D6, D7全部为高电平即 7 礼仏、队、仏低电平，队、队、队、叫高电平，即78Η，此时为超压，幅度为U3档。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，对其补码编码即03Η。此值为负，同预置数07Η相加得04Η，即二进制0100信号。分别控制如图5中的I和II、III和IV、V和VI、 VII和VIII四组互斥导通就来实现补偿。将其中分立数字电路元件实现的复杂逻辑运算通过可编程器件来实现是本发明的主要特点。本发明通过以简单可编程逻辑芯片ATF22LV10CQZ为例，介绍了一种稳压控制电路，这不能被认为是对本发明权利要求的限制。如果本领域的技术人员依据本发明做出了非实质性的、显而易见的改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
权利要求
1.一种基于SPLD的数字稳压电源控制电路，其特征是所述控制电路包含有与补偿变压器设备依次连接的有效值采集电路、比较电路、数字逻辑电路及驱动电路；通过补偿设备变压器输出交流工频电源信号，通过有效值电路对输出信号电压采样，得到直流信号经过比较电路得到数字表示的信号，经可编程数字逻辑电路处理后，驱动开关电路来控制补偿设备变压器进行稳压补偿。
2.根据权利要求1所述的基于SPLD的数字稳压电源控制电路，其特征是所述比较电路是由双芯片十级比较器组成实时比较电路，所述双芯片均为芯片LM3914。
3.根据权利要求1所述基于SPLD的数字稳压电源控制电路，其特征是所述数字逻辑电路为内部嵌入控制逻辑的简单可编程逻辑芯片组成的，为市售可编程逻辑芯片 ATF22LV10CQZ 型号。
4.根据权利要求1所述基于SPLD的数字稳压电源控制电路，其特征是所述补偿变压器设备由三个变压器次级依次串联在交流工频主电路火线中；三个变压器的初级相对次级输入的同名端相连，同三个异名端引出线组成补偿变压器设备的输入部分。
5.根据权利要求1所述基于SPLD的数字稳压电源控制电路，其特征是所述驱动电路部分由4组可控硅对并联组成，每组两个双向导通可控硅串联组成，同时4组可控硅对的串联中间还同所述补偿设备变压器的输入部分相连；并联电路的一端经过限流保护装置和保险同补偿设备变压器二次侧串联输出，另一端和零线相连。
6.根据权利要求1所述基于SPLD的数字稳压电源控制电路，其特征是所述有效值采集电路是补偿变压器设备的稳压输出端引出交流信号，经过一个降压变压器和阻容耦合输入给集成有效值芯片；集成有效值芯片选AD736A。
全文摘要
本发明提供一种基于SPLD的数字稳压电源控制电路，所述控制电路的交流工频电源从主电路输入，经过补偿设备变压器输出，有效值电路对输出电压采样，得到直流信号经过比较电路得到输出电压的数字表示，此数字信号经可编程数字逻辑电路处理后驱动开关电路控制补偿变压器进行稳压补偿，形成一个典型的恒压闭环控制系统。本发明的效果是该数字稳压电源控制电路中的控制信号基于工频交流有效值信号，不存在交流同步采集中对波形敏感的问题。SPLD器件采用可编程器件实现组合逻辑，控制方法优化，稳压响应速度快，系统实时性强，工作可靠性。SPLD芯片使用使稳压控制电路规模小，生产制造工艺简化，效率提高。电路板故障调试维修方便。
文档编号H02M7/12GK102163930SQ201010611699
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者李书亭 申请人:川铁电气(天津)集团有限公司