一种智能型数字式直流功率调节器的制作方法

1.本发明涉及电源技术领域，具体是一种智能型数字式直流功率调节器。


背景技术：

2.数字电源和模拟电源只是习惯称谓，并无严格的数字、模拟之分。因为即使模拟开关电源，其pwm也包含了时钟、门电路等数字电路；而数字电源则包含处理器，存储器，模数转换芯片adc、也包含基准电压源、功率器件等模拟电路。因此，将数字式电源只理解成纯数字化的电源是不合适的。
3.市面上的直流电源产品如各类适配器，各种电压幅度的直流稳压开关电源等均是模拟电源，多使用在简单易用、参数变更不多的应用场合。模拟电源通过选择的硬件固化电源输出及参数特性，使用过程中不能随需求和环境自由调节。
4.1、模拟电源及开关电源，模拟电源是变压器电源，通过铁芯、线圈来实现，线圈的匝数决定了两端的电压比，铁芯的作用是传递变化磁场，主线圈在50hz频率下产生了变化的磁场，变化的磁场通过铁芯传递到副线圈，在副线圈里就产生了感应电压，于是变压器就实现了电压的转变。
5.开关电源是在电流进入变压器之前，通过晶体管的开关功能，将我们通常50hz的电流频率提升到数万hz，在这么高的频率下，磁场变化频率也达到几万hz，此时可以减少线圈匝数、铁芯体积获得同样的电压转化比，由于线圈匝数、铁芯体积的减少，损耗大大降低，一般开关电源效率达到90%，而体积可以做的小，并且输出稳定，所以开关电源具有模拟电源难以达到的优点。
6.2.半数字式直流调节器参考矽皓公司的专利：直流功率调节器（专利号：202220227101.2）此款直流调功器已具有半数字化直流功率调整的设计，通过一路或者两路模拟量的控制信号对输出电压，输出电流进行调节，已达到改变直流输出功率大小的目的。信号接口电路的设计主要采用逻辑门电路芯片对接受到的输入信号进行解码，获得电压大小，改变脉宽调制信号（pwm）的频率； 获得电流方向的信号，控制输出级电路上晶体管的导通来切换方向。同时功率调节器内部的保护信号，过压过流信号，断路信号也会在逻辑门芯片上进行转换，转换成与传送模拟量的上位机相同的电平标准信号。上位机的控制器对信号进行分析处理。
7.现有技术缺陷：1.模拟电源及开关电源在直流电源主要适应于简单易用、控制参数少、成本低的应用场合；2.模拟电路及开关电源存在常见的误差、老化（包括模拟器件的精度）、温度影响、漂移、补偿等硬件固化造成的问题，不能自我调整。性能和可靠性较差，集成度较低，改变性能时需要更换硬件；3.模拟电源及开关电源内部电路简单，但需附属的外围电路复杂；无接口电路，无
需编程，技术简单，对设计人员要求低；4.半数字式直流调节器使用时需要在上位机程序中规划考虑驱动信号的限制，故障诊断及保护信号的响应等控制逻辑；5.半数字式直流调节器接口电路功能简单，内部无程序和参数存储单元，不能自我诊断；需充分考虑硬件设计时负载特性和使用环境；6.半数字式直流调节器较开关型电源有了可变化的输出，但根据调节器内部功能与上位机之间布置多根输入输出控制线（包括控制功率大小的模拟量信号线，控制方向的信号线，电源启动关闭信号线，故障反馈的信号线和相同电平标准供电线路）。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种智能型数字式直流功率调节器，以解决上述背景技术中提出的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种智能型数字式直流功率调节器，包括主功率回路和数字控制回路，所述数字控制回路采集主控率回路的信号并根据采集到的的信号发出用于控制主功率回路的控制信号，所述数字控制回路包括主控制器、输入信号采集模块、输出信号采集模块和数字电源驱动芯片，主控制器分别连接输入信号采集模块、输出信号采集模块和数字电源驱动芯片，主功率回路包括依次连接的交流输入模块、前级整流滤波模块、主动率变换模块、后级整流滤波模块、极性切换模块和直流输出模块，主动率变换模块上还连接有功率因数校准模块。
10.作为本发明的进一步技术方案：所述输入信号采集模块采集的信号包括输入电压和输入电流。
11.作为本发明的进一步技术方案：所述输出信号采集模块采集的信号包括输出电压和输出电流。
12.作为本发明的进一步技术方案：所述数字电源驱动芯片连接主功率变换模块。
13.作为本发明的进一步技术方案：所述主控制器上还连接有rs485通信接口、变成接口和按键及显示接口。
14.作为本发明的进一步技术方案：所述前级整流滤波模块连接数字控制回路，用于供电。
15.作为本发明的进一步技术方案：所述主控制器上还连接有温度保护信号。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.全数字双极型直流功率调节器可以适合于控制参数较多、实时响应速度快、复杂的高性能的工业自动控制场所；2.新型数字化双极型直流调功器可以使控制智能化，引入的数字信号处理器（dsp）或微处理器（mcu）成为调机器的“大脑”，实现功能的多样化和自我调节系统的稳定性；3.调节器系统的模块化程度高，集成度也更高，数字组件和模拟组件的组合更加优化，外围附属布置简洁明了；4.充分发挥数字信号处理器及微控制器的硬件优势和合理的内置程序设计，使所设计的数字式直流调节器达到高性能指标，同时获得高控制精度。
附图说明
17.图1为本发明的方框图；图2为本发明的控制逻辑图；图3为通信接线示意图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.实施例1，如图1-图3所示，一种智能型数字式直流功率调节器，包括主功率回路和数字控制回路，所述数字控制回路采集主控率回路的信号并根据采集到的的信号发出用于控制主功率回路的控制信号，所述数字控制回路包括主控制器、输入信号采集模块、输出信号采集模块和数字电源驱动芯片，主控制器分别连接输入信号采集模块、输出信号采集模块和数字电源驱动芯片，主功率回路包括依次连接的交流输入模块、前级整流滤波模块、主动率变换模块、后级整流滤波模块、极性切换模块和直流输出模块，主动率变换模块上还连接有功率因数校准模块。
20.实施例2，在实施例1的基础上，输入信号采集模块采集的信号包括输入电压和输入电流。输出信号采集模块采集的信号包括输出电压和输出电流。数字电源驱动芯片连接主功率变换模块。主控制器上还连接有rs485通信接口、变成接口和按键及显示接口。前级整流滤波模块连接数字控制回路，用于供电。
21.工作原理如下：本发明的核心是以数字信号处理器或微控制器为中心构成的控制系统。采用整合数字电源技术和工业通信技术，优化组合功率模拟器件和数字芯片器件，将数字电源驱动芯片和脉宽调制器作为控制对象，采用单片集成化程度更高的可编程序控制和电源管理芯片，使各个功能模块之间方便的有机融合，便于构成智能化的分布式数字电源系统。
22.主控制器的关键是电源电压电流的管理，控制信号的数字化处理；新型调节器的设计中采用模数转换器来替代模拟电源中的误差放大器，将感应到的输入输出电压值，电流值和温度值转换成二进制数，进行数字化处理，通过设定的采样速率，获得实时的系统数据，传送给主控制器或存储器内部使用。选择的模数转换器有8位，12位，16位等，模拟信号可以表示2的8次方（256），2的12次方（4096），2的16次方（25536）的离散数值，获得更高的控制精度；数字信号处理器或微控制器强大的内部硬件功能提供了更加方便的硬件配置方案。一是起始运行时，上位机传输给主控制器需要的电压，电流值需求；二是运行中通过模数采样反馈的数字信号，由控制器的控制算法，执行一系列有关数模转换的输出值，这些结果包括误差信号，需输出的驱动器脉宽，驱动器输出的延时时间及回路补偿等参数。根据这些参数，内部数字脉宽调制器将信号传输给电源管理芯片，电源管理芯片驱动主功率电路的功率晶体管，控制调整晶体管的开启和关断，以获得不同的输出电压电流值。输出电压，输出电流和温度限制等参数的参考值在调节器的生产器件被保持在非易失性内存存储器
中，或者通过上位机的通信信号等外部操作实时的调整，改变设定值。例如：需要输出24v的电压值，上位机使用通信方式将24十进制数值传递给调节器的微控制器，微控制器收到信号后解码，在程序内部通过特定的指令和算法转换计算，输出成脉宽调制的频率，驱动功率晶体管。现有数字信号处理器所支持的数字脉宽调制的分辨率最高可达150皮秒（1秒=1000000000000皮秒），这是传统模拟电源望尘莫及的。
23.采用数字信号处理器微控制器系统是减少了硬件电路的设计，在电源控制的基础上增加电源管理和监控等功能，通过将电源的不同信号分配给系统不同的数字组件，采用数字技术处理，即实现了多种控制功能也降低了系统功耗。相比模拟电源，数字式功率电源调节器的一个主要区别是通过软件编程来实现多方面的应用，其具备的可扩展性和重复使用性使用户可以在远程或现场方便的修改运行工作参数，优化调节器系统。
24.输入信号采集模块采集的信号包括输入电压和输入电流。输出信号采集模块采集的信号包括输出电压和输出电流。数字电源驱动芯片连接主功率变换模块。主控制器上还连接有rs485通信接口、变成接口和按键及显示接口。前级整流滤波模块连接数字控制回路，用于供电。主控制器上还连接有温度保护信号。
25.智能型数字式功率调节器的另一个主要特点是工业通信的应用。rs485/modbus rtu通信方式现在已成为工业领域最常用也比较简单的通信方式，能够与个人电脑，工业电脑，嵌入式，微控制器等连接，很容易实现两者的通信。在新型功率调节器的控制系统中，内嵌标准的rs485通信芯片和接口。相比模拟电源和半数字化功率调节器与上位机的连接线缆数量（第4项程序中所提及的每一路控制和保护信号都需要线路连接到上位机），此处应用的一个优点是与上位机只使用标准的3根通信线缆（正电压通信线路，负电压通信线路，信号地线），极大的提升了设备间配线效率，提升了系统稳定性，降低错误率。
26.在多台调节器使用时，也只是3根通信线并联，配线工作简便易行。
27.实施例2，在实施例的基础上，电压源型逆变桥和电流源型整流桥开关管可采用绝缘栅双极晶体管或金属-氧化物半导体场效应晶体管。
28.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
29.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。