一種程控高壓充電系統(tǒng)設計

?充電系統(tǒng)廣泛應用于物理試驗、開關技術等研究課題。早期的充電系統(tǒng)主要是通過手動調(diào)節(jié)調(diào)壓器來改變高壓電源的輸出，充電過程易受操作人員主觀影響，穩(wěn)定度低，難以實現(xiàn)整個實驗過程的自動控制；部分系統(tǒng)采用了電動調(diào)壓器，通過控制電機帶動調(diào)壓器進行電壓調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中滯后現(xiàn)象明顯，且電動調(diào)壓器體積功率普遍較大，不利于小型充電系統(tǒng)使用；基于串聯(lián)諧振的高頻高壓充電電源體積小、效率高，但成本高，線路復雜；充電設備多用于高電壓、大電流的場合，瞬時放電產(chǎn)生的空間干擾和地線干擾相當嚴重，對示波器等精密測試儀器有一定的影響。因此，研制穩(wěn)定可靠的程控高壓充電系統(tǒng)很有必要。

1 系統(tǒng)概述
??? 某試驗需要一臺充電設備，要求單極性充電，充電電壓-20～-80 kV連續(xù)可調(diào)，充電時間小于100 s，儲能設備為電容器，充放電過程不允許人員在場，所有操作必須在屏蔽間完成。

2 系統(tǒng)設計
??? 程控高壓充電系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。主控部分位于屏蔽間內(nèi)，包括觸摸屏和信號轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)高壓設置，充電啟停，接地瀉放等控制命令的發(fā)送，以及充電系統(tǒng)工作狀態(tài)和實際電壓的顯示；充電系統(tǒng)位于實驗間，包括信號轉(zhuǎn)換，PLC，調(diào)壓模塊，高壓采樣等，通過接收主控部分的控制命令，完成儲能電容充電等動作。為實現(xiàn)屏蔽間和實驗間的完全隔離，采用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)。

2．1 觸摸屏
??? 屏蔽間內(nèi)除了放置程控高壓充電系統(tǒng)的主控部分，還包括操作臺，示波器等其他物理實驗需要的儀器設備，從而要求程控高壓充電系統(tǒng)的主控部分體積小，易于觀測，操作簡便。用觸摸屏作為監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面，除節(jié)省PLC的I／O點數(shù)之外，還提高了生產(chǎn)監(jiān)控能力，簡化了操作面板。綜合比較后采用IO英寸的觸摸屏作為主控設備，并嵌入操作臺，和其他儀器設備的操作窗口位于一個平面，方便操作人員的使用。圖2為觸摸屏控制界面，具有指針和數(shù)字兩種實際電壓顯示方式，通過鍵盤輸入設置電壓，控制按鍵按照功能互鎖，避免誤操作。需要注意的是，為了有效提高觸摸屏和PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸效率，在觸摸屏編程過程中，最好將使用的數(shù)據(jù)區(qū)設置為一段連續(xù)的PLC寄存器地址。

2．2 充電控制
??? PLC是整個充電控制的核心，充電開始后，首先輸出一個0～10 V的直流信號到調(diào)壓模塊，控制調(diào)壓模塊輸出一個0～220 V交流電壓到高壓電源，經(jīng)過高壓電源升壓整流后給儲能電容充電，再通過高壓側(cè)并聯(lián)的高壓分壓器，把0～-80 kV的高壓信號轉(zhuǎn)換為0～-8 V的低壓信號，隔離調(diào)理后送到PLC，PLC獲取后和設置電壓對比，調(diào)整輸出的直流信號，實現(xiàn)充電過程的閉環(huán)控制。但是，從PLC輸出直流信號到高壓電源穩(wěn)定輸出高壓，有一個滯后時間，如果采用簡單閉環(huán)控制，會造成控制過程失調(diào)，高壓輸出震蕩，無法達到指標要求。因此，系統(tǒng)使用了PID控制方法。

?PID調(diào)節(jié)的實質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分和微分的函數(shù)關系進行運算，其運算結果用以輸出控制，從而減小時滯，防止超調(diào)，獲得穩(wěn)定的輸出數(shù)據(jù)。但由于被控對象的工作過程具有多樣性，使得PID參數(shù)的正確獲取較為復雜，需要通過反復調(diào)試，獲取盡可能多的實驗數(shù)據(jù)后確定。PID控制在PLC中既可用PID硬件模塊實現(xiàn)，也可用軟件實現(xiàn)，應根據(jù)實際的控制系統(tǒng)規(guī)模以及成本等因素選取。本系統(tǒng)采用的是S7-200系列的PLC，實際編程中直接使用PLC內(nèi)部的PID控制指令，主要解決高壓過沖和振蕩兩個問題。
??? 單相交流調(diào)壓模塊集同步變壓器、相位檢測電路、移相觸發(fā)電路和輸出可控硅于一體，當改變控制電壓的大小，就可改變輸出可控硅的觸發(fā)相角，即實現(xiàn)單相交流電的調(diào)壓。考慮到電網(wǎng)電壓的波動和負載在啟動時一般都比其額定電流大幾倍，及晶閘管芯片抗電流沖擊能力較差等因素，在選取模塊電流規(guī)格時應留出適當裕量。阻性負載的模塊標稱電流應為負載額定電流的2倍；感性負載的模塊標稱電流應為負載額定電流的3倍。另外，調(diào)壓模塊的過電壓能力差，若模塊內(nèi)部未自帶過電壓保護線路，可以外接阻容吸收回路或壓敏電阻進行保護。
??? 光電隔離模塊的作用是將高壓地和控制地分開，從而保護后端的模擬采樣等控制線路。選用時要選擇合適的頻帶范圍和驅(qū)動能力，確保不影響正常的數(shù)據(jù)傳送。
??? 按照模擬量隔離模塊的接線方式，其輸入端等效電阻和高壓分壓器的低壓臂電阻并聯(lián)，當輸入端等效電阻不能明顯大于高壓分壓器的低壓臂電阻時，就會影響到高壓分壓器的分壓比。除了選擇較大輸入阻抗的隔離模塊外，還可以使用運放設計中間電路，利用其高輸入阻抗的特性進行匹配，或者通過軟件校正。
2．3 信號轉(zhuǎn)換電路
??? S7-200PLC支持多種通信協(xié)議，比如點到點接口協(xié)議(PPI)、多點接口協(xié)議(MPI)、Profibus協(xié)議、用戶定義的協(xié)議等。觸摸屏和PLC之間采用RS 485協(xié)議通訊，為避免實驗過程中儲能電容放電產(chǎn)生的高壓脈沖干擾通過串行總線耦合到屏蔽間內(nèi)部，設計了針對RS 485協(xié)議的光電／電光轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的光纖傳輸。由于RS 485屬于半雙工協(xié)議，標準的協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片都需要控制數(shù)據(jù)流方向，一般采用的方式是用一根信號線來控制，實現(xiàn)收發(fā)的切換，這種方式不但需要增加電路，還需要進行編程控制。本系統(tǒng)采用的思路則巧妙的由硬件本身完成了接收和發(fā)送的自動轉(zhuǎn)換，電路簡單，抗干擾能力強，可靠實現(xiàn)了RS 485信號和TTL信號的轉(zhuǎn)換。
??? 1414T和2412T是一對標準的光電收發(fā)器件，最高數(shù)據(jù)傳輸速度為5 Mb／s，傳輸距離超過1 km，完全滿足RS 485信號的傳輸要求。對于1414T光發(fā)射器必須提供足夠的正向驅(qū)動電流才能發(fā)出所需光功率，而2412T是集電極開路輸出，通過一個上拉電阻即可獲得光信號經(jīng)光電二極管轉(zhuǎn)換成的電信號。根據(jù)光電收發(fā)器件的電器特性，增加必要的驅(qū)動、反向等電路后，系統(tǒng)能夠可靠進行TTL信號的光纖傳送和轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)RS 485信號的長距離光纖傳輸。電路原理圖如圖3所示，其中Q1應根據(jù)使用的串口通訊速度選取合適的開關管，并根據(jù)光纖的長度來調(diào)節(jié)R3的阻值，以改變光發(fā)射功率，確保光傳輸穩(wěn)定可靠。

3 結 語
??? 此程控充電系統(tǒng)完全滿足設計要求，已經(jīng)應用于多項物理實驗，抗干擾能力強，可靠性好。簡單修改觸摸屏和PLC程序，可以配合不同指標的高壓電源組成各種充電系統(tǒng)，通用性好，使用范圍廣。通過修改通訊協(xié)議，還可以用計算機替代觸摸屏，將充電系統(tǒng)納入整個實驗控制系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。系統(tǒng)中使用的RS 485光傳輸電路，可以廣泛用于高壓大電流場合，有效提高主控設備的抗干擾能力。