蓄电池供电的脉冲功率电源系统研究

论文摘要

为了满足某装置野外实验需要以及系统的紧凑化和小型化,本文研究的脉冲功率电源系统采用蓄电池供电,通过高压逆变模块对24V直流进行逆变升压后给储能电容器充电,储能电容器向负载放电产生功率脉冲。对于所使用的不同高压逆变模块,本文通过对不同充电方式的比较分析,选择了充电效率较高且便于自动化控制的充电方式。为确保实验操作人员安全和自动化,本脉冲功率电源的控制系统采用了基于计算机的自动化控制方案。控制系统由基于计算机的远程控制中心(即上位机)和基于AT89C52单片机的现场控制部分(即下位机)构成,实现了计算机远程操作。采用自顶向下和自底向上相结合的设计原理,根据实验需要,进行了硬件电路和测控软件的设计。在硬件电路的设计上,通过计算和软件仿真等手段,选择合适的电路参数;同时,在分析控制系统的干扰来源及耦合途径的基础上,采取多功能开关隔离、光电隔离和变压器隔离等抗干扰措施提高控制系统在恶劣工作环境的抗干扰能力。在软件设计上,通过合理的软件流程设计,采用高效的二进制通信协议,分别以Visual Basic 6.0开发平台和C语言编写了上位机和下位机测控软件。实现了对不同高压逆变模块的充电控制、同步延时控制、μs信号的峰值检测以及与多外围设备通信等的控制和测量功能。本脉冲功率电源系统产生的同步控制信号,延时精度小于1μs,且根据所驱动负载的要求,延时可以任意设置。此外,同步脉冲信号具有一定的驱动能力,可直接用于驱动微秒雷管等。在对本脉冲功率电源系统控制系统的硬件和软件进行调试后,选择合适的电路参数,进行了使用不同高压逆变模块对储能电容器的充电实验。在充电实验基础上,进行了驱动由脉冲变压器、脉冲形成线和二极管构成的强流电子束加速器的实验研究。实验结果表明,本脉冲功率电源系统工作稳定可靠,能够完成相应的控制和测量任务,取得了良好的应用效果,达到了预期的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 脉冲功率电源的分类及发展现状
• 1.2 蓄电池加逆变模块和电容器构成的脉冲功率电源系统
• 1.3 本文研究意义和主要工作
• 第二章 电容器直流充电规律分析
• 2.1 最佳充电过程分析
• 2.2 恒压充电
• 2.3 线性升压充电
• 2.4 逐级台阶升压充电
• 2.5 小结
• 第三章 控制系统硬件设计
• 3.1 控制系统工作原理
• 3.2 控制系统上位机硬件设计
• 3.3 控制系统下位机硬件设计
• 3.3.1 通信接口设计
• 3.3.2 数据转换电路设计
• 3.3.3 同步控制电路设计
• 3.3.4 峰值检测电路设计
• 3.4 可靠性设计
• 3.4.1 干扰来源
• 3.4.2 干扰途径
• 3.4.3 干扰措施
• 3.5 小结
• 第四章 控制系统软件设计
• 4.1 控制系统软件设计原理
• 4.2 控制系统通信协议
• 4.3 上位机软件设计
• 4.4 下位机软件设计
• 4.4.1 下位机软件设计原理
• 4.4.2 串口中断处理程序
• 4.4.3 充电控制程序
• 4.5 小结
• 第五章 系统调试与实验
• 5.1 控制系统调试
• 5.1.1 线性隔离电路调试
• 5.1.2 同步控制电路调试
• 5.1.3 峰值检测电路调试
• 5.1.4 软件调试
• 5.1.5 其他调试
• 5.2 充电控制实验
• 5.2.1 逐级台阶升压充电实验
• 5.2.2 恒流充电实验
• 5.3 驱动负载实验
• 5.3.1 实验装置
• 5.3.2 实验结果及分析
• 5.4 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 主要工作成果和结论
• 6.2 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 控制系统通信协议
• 1. 数据结构
• 2. 上位机指令
• 3. 下位机指令
• 附录B 上位机程序部分源代码
• 1. 上位机数据发送子程序源代码
• 2. 上位机数据接收、处理子程序源代码
• 附录C 下位机程序部分源代码
• 1. 下位机与上位机通信子程序源代码
• 2. 下位机与GPS 通信子程序源代码
• 3. 下位机与数字罗盘通信子程序源代码
• 4. 下位机与电导率仪通信子程序源代码
• 5. 充电控制子程序源代码
• 6. 下位机主程序源代码
• 7. 多通道A/D 采样子程序源代码
• 8. D/A 转换子程序源代码