PS控制板闭环控制系统工作原理的分析
张向帆
(国家新闻出版广电总局552台 福建 福州 350007）
摘要：本文通过DX发射机整流柜的一起故障实例对电源控制板（PS控制板）上的闭环反馈控制系统的工作原理进行分析，并对设备的维护方法提出相应的意见。关键词：PS-ENABLE VREF电压 闭环反馈控制系统0 前言
DX系列固态中波发射机是美国HARRIS公司上世纪90年代生产的数字调幅发射机，在国内使用得最多的是DX-200和DX-600系列；其中DX-600又是由三个DX-200通过并机网络而组成，在DX-600发射机中称为POWER BLOCK，简称PB。PB中功放模块的250V电源和驱动模块的125V电源均由整流柜提供。本文首先对自台出现过的一起250V功放电源故障进行介绍，进而对PS控制板上250V功放电源的控制原理进行分析，最后提出一些在电源系统日常检修中需要注意的事项。1 250V功放电压故障的现象和处理过程
本台的一个PB在一次试机时无法正常加功率，开机指令下达后整流柜的电源显示板和中机柜的LED故障显示板均提示功放电压故障。观察到中机柜的电压表指针在开机瞬间打至280V位置，随后出现射频封锁直至关机。根据故障现象判断是由于开机时可控硅输出的功放电压过高而引起控制电路进行关机保护，随后对整流柜的相关线路进行检查，发现TB4端子排(图1所示)上的250V功放电压取样电路的105号线松动，重新紧固105线后正常开机。图1 PS控制板功放电源控制原理框图
通过分析，整流柜的105号线将250V功放电压的取样信号送至PS控制板后有两个作用:一个作用是进行功放电源的故障检测，第二个作用是作为一个反馈信号参与到J4-12的可控硅相位控制电压的变化中去。结合故障现象，判断是功放电压取样信号的缺失导致了可控硅输出最大电压，形成了一个过压故障。查阅发射机的技术手册，由于专利的原因在手册中对功放电源的控制原理叙述较为简单。于是笔者重新绘制了相关电路，利用仿真软件模拟电源组件的实际工作过程并结合相关资料和技术手册进行分析，整理出了PS控制板上功放电源控制线路的具体工作过程，弄清了该故障发生的原理。功放电源的控制原理如图1所示。为了便于理解，先对PS控制板上的相关概念进行介绍，然后再进行具体的分析。2 PS控制板的PS ENABLE信号和VREF电压
2.1 PS-ENABLE信号的作用整流柜中电源组件的启动和关断都是由PB接口板上的U37芯片(EPLD)来控制的，如图1所示，待机时U37-13输出的PS-ENABLE信号为高电平，此时电源组件停止工作，放电组件开启。当开机指令下达后，PS-ENABLE变为低电平送至PS控制板的J6-13。PS-ENABLE信号为低电平在PS控制板上主要有以下3个作用：1.为点火板提供一个可控硅的“软启动”的指令，也就是允许点火板进行工作。点火板根据PS控制板上J4-12的相位控制电压的大小调节可控硅的导通角稳态输出250V功放电压。开机指令未下达前PS-ENABLE为高电平，此时点火板禁止工作。2.在控制系统未收到整流柜故障信息的情况下依次启动驱动电源、风机电源和功放电源。电源组件启动的同时还使放电组件停止工作。3.启动一个1S故障延时器，在电源组件启动后的1S时间内对250V功放电压、125V二进制电压和驱动电压的故障进行屏蔽，同时这些故障信息也不会在电源显示板上显示出来。当1S的时间到达后，上述的三个故障都会使控制系统发出关机指令，电源组件停止工作。2.2 PS控制板上的VREF电压在早期的设计中，当开机指令下达后，PS控制板的VREF电压从5.6V上升至10V的过程对应着功放电压由0V到250V的斜坡上升，直至输出稳定的250V功放电压。在PS控制板的后期版本中对原线路进行了修改，待机和开机时的VREF都为9.5VDC，因此250V功放电压的步进启动主要是由闭环反馈控制系统和点火板来完成。在PS控制板上当检测到外电205VAC跌落至一定程度时，还将通过间断性地降低VREF电压来避免可控硅的导通角长时间维持在一个较大的变化范围，防止可控硅失去整流作用；也就是所谓的“节电模式”。此外VREF电压还用于功放电源的故障检测电路中。3 250V功放电压的步进启动和稳压原理
205VAC电源经可控硅整流后输出250V电压作为224块功放模块的工作电源。在发射机无调制的情况下功放模块的负载（模块的开通数量）无变化，因此功放电压是一个定值。当加入调制后，功放模块的负载随着调制信号作非线性变化，必然使可控硅的输出电压出现波动，尤其是在高调制的情况下。功放电压的不稳定会造成发射机指标出现严重下降，对设备的稳定运行也会造成影响。因此在发射机的运行过程中必须对功放电源进行稳压。图2 闭环反馈控制系统原理图
PS控制板上250V功放电压的步进启动和稳压都将由一个闭环反馈控制系统来完成，图2是整个闭环控制系统的原理图，这个控制系统的启动和关断都是由Q8来控制的。收到PS-ENABLE-L指令后在允许点火板进行工作的同时，Q8截止，C29通过R77进行充电，250V功放电压的步进启动由此开始。下面先对反馈控制环在Q8导通和截止时的状态进行分析，最后再说明它的工作过程。3.1 Q8导通时反馈控制环的状态分析如图2所示，待机时VREF为9.5VDC，电位器R104取中间值5K，PS-ENABLE为高电平时Q8导通，可控硅截止。250V的取样电压来自J1-7，J1-8，其中J1-8为回路。此时J1-7为0V，则U1-1（TP6）的电压计算如下：U1-1=5V (1)计算U2-13的电压值，其中V1、R1为中间量：V1=3.35V (2)R1=K=14.36K (3)U2-13=V=4.11V (4)此时U2-13的4.11V小于U2-12的5V，因此U2-14的电压值为10.6V。J1-4和J1-6为205VAC电流的取样电压，其中J1-6为回路。待机时J1-4为0V，计算此时U1-7(TP1)的电压值:U1-7=V=5V (5)U2-7电压为：U2-7=5V=5V (6)计算U3-7的电压，V2、R2为中间量：V2=7.8V (7)R2=10K/2=5K (8)U3-7== (9)运放U3-7（LM324）采用单电源12V供电，因此U3-7输出0V电压。U3-7的电压经过一个同相放大器（预失真补偿）放大后在U3-8（J4-12）形成可控硅的导通角控制电压送至点火板，此时U3-8也为0V。实际中受到运放的失调电压和元件参数误差的影响，待机时U3-8(TP5)的电压在1 V左右。3.2 Q8截止时反馈控制环的状态分析开机后PS-ENABLE为低电平，Q8截止，此时的状态分两种极限情况进行分析。首先是无功放电压输出时J1-7为0V，由式3.1.a和3.1.f得U1-1和U2-7都为5V。计算U2-13的电压：U2-13==6.3V (10)U2-12为5VDC,U2-13大于U2-12的电压，因此U2-14的电压为0V。计算U3-7的电压：U3-7=+5V=12.5V (11)此时运放U3-7将输出最大电压10.6V，U3-8也为10.6V。这个电压将使可控硅全导通输出最大电压。再来讨论第二种情况，假设可控硅已全导通输出280V电压，此时J1-7为2.24V，U1-1(TP6)为2.76V，这里J1-4设为0V，因此U1-7为5V。 计算U2-13的电压：U2-13==4.7V (12)U2-12为5V，此时U2-13小于U2-12的电压，因此U2-14的电压为10.6V。由4.1的结论可以得出U3-8为0V使可控硅的导通角最小，无电压输出。再来计算一下当U2-14电压为多少的时候， U3-7的电压为0V。下式中V3，R3为中间变量：V3= (13)R3=K=5K (14)0V=V35V (15)解出此时U2-14=8.3V。即当U2-14的电压由10.6V降到8.3V左右的时候U3-7、U3-8的电压开始上升，可控硅开始输出电压。从分析得出结论：待机时点火板禁止工作，Q8导通，U3-8的电压近似0V。可控硅无电压输出。当Q8截止，若J1-7为0V（可控硅无电压输出）,则U3-8为10.6V；这个电压使可控硅全导通。当Q8截止，若J1-7为2.24V（可控硅输出最大电压280V）,则U3-8为0V；这个电压使可控硅的导通角最小。因此在以上Q8截止的两种情况之间存在一个状态，此时U3-8的控制电压刚好使得可控硅输出250V的功放电压，同时将输出电压的取样作为一个反馈量对U3-8的控制电压进行实时调整以消除因负载变化而带来的输出误差，这样就形成了一个带负反馈的闭环控制系统，可控硅的输出电压将一直维持在稳态，这就是250V功放电源稳压的基本原理。3.3 反馈控制环的工作过程为了便于说明先将图2中运放U2-14的周围电路进行等效转换。如图3所示，V4为VREF和U1-1合并后的等效电压，R4为R71、R22和R104合并后的等效电阻，R104取5K。图3 简化的闭环控制系统原理图
图3中的运放U2-14和C27、C28、R3组成了一个比例积分放大器，即PI控制器。C28用来改善控制环的动态特性，当负载出现急剧变化时能够提高闭环响应，维持控制环的稳定。图2中的R104为PI控制器的增益调整电阻，用来设定可控硅的输出电压。令V5=V4-5V，则U2-14的输出电压与V5对时间的积分成正比关系。当V5>0（V4>5V）时，U2-14的电压处于下降通道，C27通过C28，R3放电。V5<0（V4<5V）时，U2-14的电压处于上升通道，C27通过C28，R3充电。V5与U2-14的电压相位相反。R77和C29有延时作用，因此在驱动电源和风机电源启动后，反馈控制环并不是立刻开始工作的；关机指令下达后则同时关断所有的电源并开启放电组件。PS控制板收到PS-ENABLE-L的信号后，Q8截止，C29通过R77充电（延时），当U2-13的电压由4.11V升至5V时，PI控制器开始启动，此时V5>0（V4>5V）,U2-14电压由待机时的10.6V开始下降，当降至8.3V时U3-7、U3-8电压由零开始上升，可控硅的导通角逐渐变大开始有电压输出。一旦可控硅的输出端有电压输出，J1-7的取样电压将作为一个反馈量加入到反馈控制环中去。J1-7电压上升，TP6（U1-1）电压下降，则V5减小，U2-14电压下降趋势减缓，U3-8输出的相位控制电压的上升趋势也趋缓。当可控硅输出电压高于250V时，J1-7的取样电压使V5<0（V4<5V），U2-14电压由下降变为上升，则U3-8的控制电压由上升变为下降，可控硅的输出电压开始下降。当J1-7的取样电压下降至V5再次大于0时，U2-14的电压又开始下降促使U3-8的控制电压上升，可控硅的输出电压将再次上升；如此周而复始，可控硅的输出电压始终维持在250V左右。若在此过程中PS-ENABLE变为高电平，点火板禁止工作的同时Q8导通；C29通过R56迅速放电使U2-14电压变为10.6V，U3-8的控制电压近似0V，则可控硅输出端无电压。需要指出的是仅仅依靠J1-7的取样电压作为反馈量并不能使整个闭环系统稳定工作，U3-8的控制电压将会在稳压的过程中出现“振荡”；此时经过LC滤波后输出的功放电压将出现正弦波似的跃动，这种情况易造成设备出现过压过流，因此在反馈环中加入了205VAC电流的取样电压（J1-3）用以增大系统的阻尼程度使可控硅能够稳态输出。反馈环的阻尼程度和当前负载的大小成正比。图4 射频封锁启动下TP5的波形
图4显示了在射频封锁情况下电源组件启动时TP5的电压波形，此时只有驱动模块开启。启动初期波形有一个明显的“振荡”，电压最后稳定在2V左右。图5为发射机低功率开启下TP5的波形，当1S故障延时结束后随着射频封锁的解除，功放模块逐渐开通， TP5的电压由2V逐渐上升至3V左右。图5 低功率启动下TP5的波形
从图4和图5可以看出，J4-12(TP5)控制电压的大小和功放模块的负载成正比；换而言之，随着模块开通数量的增加需要可控硅的导通角变更大。在高功率无调制的情况下TP5的电压约为3.8V，此时的功放电压为一定值（实际上会有微小的变化）；加入调制后功放电压将在250V附近做非线性的小幅波动，TP5的电压在4.5V左右（这个数值在不同的设备上可能会有差异）。图6是整个闭环反馈控制的流程图，图中略去了205VAC的电流取样信号。图6 闭环反馈控制流程图（结合图3）
图7 预失真电路的VI和Vo关系图
如前所述在反馈控制环中运放U2-14用作一个PI控制器，其输出电压呈非线性变化。为了使可控硅的输出电压与可控硅导通角之间为正弦函数的对应关系，要求U3-8(TP5)的控制电压近似于线性变化。图2中的运放U3-8和周围的电阻、二极管、晶体管组成了一个带有“预失真”补偿的同相放大器（对数放大器），它的增益与U3-7的电压成正比。通过非线性补偿将U3-7输出电压中的非线性分量“抵消”掉，实现了U3-8（TP5）控制电压的线性化。图7是这个电路输入电压和输出电压的关系曲线图，在输入电压呈线性变化的情况下输出一个非线性变化的电压。
评论 点击评论