由司控器控制的连续可调供电系统的设计

摘要本系统实现由司控器控制的连续可调供电系统的设计。司控器通过该系统可输出0～97%Ue连续平滑变化电压，并以此控制机车的平稳启动、无级调速，且损耗小、效率高。本系统由光电隔离模块，数制转换模块，DA转换模块，12V～5V降压模块及电压放大模块组成。

【关键词】光电隔离模块 数制转换模块 DA转换模块 避免过热

1 引言

随着科学技术的进步，传统司控器的调速方式已经不能满足高效率、低损耗的要求。同时由于传统司控器的设计无保护功能，常出现“失控”现象，给生产和人身安全带来严重威胁。所以设计高效、安全的司控器供电系统是非常必要的。本模块在完成电压转换，数制转换等模块的基础上不仅设计了系统保护电路，还在电压放大模块采用了多个场效应管的并联的模式，很好的避免了大电流的产生和模块过热的问题。

2 设计要求

要求5位格雷码经该系统处理后输出0～97% 110V直流电压，系统额定电流为 1A，电压线性度为2%。输出电压可连续、平滑变化且无突变。

3 系统硬件结构

本设计由12V转+5V/-5V降压模块、光耦隔离模块、数制转换模块、DA转换模块及电压放大模块组成，110V电源和5路0～24V格雷码由分别由外部和司控器提供。外部12V直流电压经过降压模块，输出系统所需的+5V、-5V电压，分别供给数制转换模块、DA转换模块以及电压放大模块使用。外部提供的110V直流电源作为大功率场效应管的参考电源对系统最终输出电压进行放大。连续可调供电系统硬件结构图如图1所示。

数模转换模块的信号电压范围为0～5V，所以司控器产生的5位0～24V的格雷码必须通过光耦隔离电路转换为0～5V 数字信号，才能被后面电路模块进行数模转换，然后经放大器、电压放大模块输出连续可调的0～110V电压。

3.1 硬件主要模块介绍

3.3.1 光耦隔离电路

由于从司控器得到的信号为8位24V的格雷码，为了使其转换为与后面数制转换电路电压匹配的TTL电平，本系统使用光耦隔离电路进行电压匹配。图2为光耦隔离电路原理图。

图中D5二极管为防止光耦中的二极管击穿起到保护作用。当输入的格雷码为高电平时，光耦器件中二级管发亮，光敏三极管接受光信号导通，此时+5V、 R26、光敏三极管和地形成回路，PNP三极管由于没有基极电流处于截止状态，MSB端输出高电平信号；当输入的格雷码为低电平时，光耦器件中光敏三极管未接受光信号，处于截止状态，此时+5V经过 R26为PNP三极管提供基极电流，三极管导通， MSB端输出低电平信号。因参考电压为+5V，所以输出为0～5V的数字信号，实现了与后面电路的电压匹配。

电阻参数设定：

二极管的额定电流为： If= 10mA～20mA，且 R25 =（VIN―1.2）/If

据上式算得R25≈512Ω；

又因为光敏三极管Ic«； 1mA 且Ic=（Vcc―0.4）/ R26

据上式算得 R26 »； 4.4KΩ，此模块选用了5.1KΩ电阻。

3.3.2数制转换与DA转换模块

本设计采用芯片74LS136实现5位格雷码到5位二进制数的转换，图3为电流放大模块原理图：

DAC0832为电流输出型转换器，其输出电流范围为0～20mA，要获得对应的模拟电压，就必须外接运算放大电路将电流转换为模拟电压。此模块用的是8位数模转换芯片DAC0832，要实现5位二进制数控制的电压满量程可调，本设计采取以下措施，实现满量程可调：首先高三位置零（接地），低五位置1，然后改变运放输出的负反馈电阻，使它达到满量程电位。由实验验证，当低5位全部置1时，调节电阻到82K左右时候，输出达到3.5V，基本满足系统要求，所以将可调电阻设定在82K。

3.3.3电路保护和散热问题的解决

本系统要求额定电流为1A，为了避免因电流过大将板子烧坏，在电源端串联一额定电流为1A的保险管对系统进行保护。另外，采用两个大功率场效应管并联的模式，减少负载时过热的问题。

4 测试结果

设定负载为110Ω时，用信号源给予系统不同的输入信号，给定的110V参考电压，可得到表1测量结果。实验证明，本系统可以输出0～97%110V电压，且效率可以达到87%。

5 总结

完成了司控器可调供电系统的硬件设计、参数选定以及散热问题的解决，并对各个模块进行了优化，不仅达到了设计要求，使系统输出连续可调、无突变电压，而且具有安全性、效率高、低损耗等特点。

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作者单位

同济大学上海市201814