基于单片机控制单相交流可调稳压电源.doc

毕 业 设 计 题目：基于单片机控制单相交流可调稳压电源 专 业 机电一体化 班 级 姓 名 指导教师 25目 录第一部分 设计任务与调研4第二部分 设计说明7第三部分 设计成果13第四部分 结束语24第五部分 参考文献25第六部分 致谢26 第一部分 设计任务与调研1.1 本课题研究背景及目的在任一半个周期内通过对晶闸管触发角的控制，能够有效地调整输出端电压的有效值，该回路即为交流调压通路。交流调压通路普遍被利用在灯具的控制以及异步电机的软启动，也用以异步电机的调速。过去的电源中常常施用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要多个晶闸管相串联，同理低电压大电流直流电源要多个晶闸管相并联。这些设想都是不实用的，采用交流调压通路可以解决此种弊端。在学习电力电子技术时，主要学到的交流调压电路是斩控式交流调压电路，历史的相控式的调压器，大多采用晶闸管作为开关组件，虽然其控制电路简单，功率较大，但当触发角增大时，功率因素也随即减小，输出电压波形畸变严重，电网存在不利的谐波污染。单相斩控式交流调压通路施用脉冲宽度调制器可以解决其缺点，使输出波形质量提高，实现高效率、小体积、容量大、动态过程快的功能。随着经济的发展与科学的进步，一切工业、农业都离不开电，要得到持续、稳定、可靠的用电，电源起着至关重要的地位。本研究中的数控调压技术是电源技术中实践性最强的一门技术，渗透于各行各业。由于负载的不断变化，使得电网电压时而陡升，时而骤减，电网电压波动及其严重。这些变化会给用电设备带来不可逆的损害，甚至给经济带来巨大的损失。在许多工业场合，需要十分稳定的交流工作电压，又不同于电网电压。比如当发电机拖动时，需要牵引电机从而得到稳定的正弦交流电压，并且在不一样的地方可能用到的电压也不同，所以，稳定度高、可靠性强、效率高的交流稳压电源的研究成为必要。1.2 国内外研究状况及已有成果 近几十年来，电力电子技术已发展趋于完备，并自成体系，电子技术的应用领域越来越普遍，电子设备的类别也越发地多，电子设备与人们日常生活息息相关，任何电子设备都离不开可靠的电源。电力电子技术的飞速发展促发了各用电设备的智能化、集成化、微型化方向发展。用电设备的快速发展对电源的要求也日趋严格，电源技术也属电力电子技术范围，双方共同发展才有了当今的电力电子技术与电源技艺的蓬勃发展。至今，电源技术已成为十分重要的基础性的科技和产业，并且大量应用于每行每业，从平常的起居生活到最高级的科学技术都不能离开电源技术的配合和介入，向着高频率、高效率、高集成度、大电流、低压化发展。与此同时，为适应全球一体化的市场，电源封装技术也日趋国际化。 现今，在国内外电源市场中，各种线性稳压电源、交直流开关电源、高频整流逆变电源、电解质电源、电力操作电源、正弦调制电源、风光互补电源等已占据主导市场。且用户最关心的问题是：产品价格、性能（性价比），是否便携，外观是否精美，品牌效应，及其使用寿命。这一切的硬性要求就驱使着镜内外电源技术朝着插件构造自动化、电气化，产品性能智能化、绿色化，应用技术数字化实用化的方向发展。从而，交流稳压电源有着很广阔的应用范围。1.3 设计及研究方案一般来说，单相交流稳压电源的频率恒定度相对来说较高，但因为有电源的热敏电阻和线路电阻，电网电压的幅值受负荷电流的作用很大，负荷电流越大，电网电压就递减地越快。所以，能够适时地依据负载端电压衰减情况来调节电压的幅值，以得到稳定的输出电压，成为设计单相交流稳压电源的主要任务。设计单相交流稳压电源的关键是能量传递效率高，输出电压波形质量高。因此，为了获得优质的电压波形，一般采用模拟信号来调压，但效率偏低，且调压设备自身损耗大。为了具备高效率的稳压电源，可以采用定周期调节占空比的调压方式。本设计是基于单片机、PWM调制的一种数模结合的设计，可以有效的结合两者的优势。1.4 设计过程及其研究内容1.4.1 设计过程1、整理思路，查阅书籍，上网搜索相关资料，并熟悉所需用软件；2、构成大概模块，然后自己根据课题任务书的内容及要求设计子模块，进行编程仿真等；3、找老师解疑，有些思路衔接不上的地方，经过老师的悉心指导，明白单相交流可调稳压电源的基本原理，及其各子模块的作用和原理；4、根据子模块的仿真成功后，将离散的各部分汇总，形成大致框图；5、通过翻阅书籍弄懂各单片机的作用于控制及其驱动方式，让自己清楚如何实现稳压的原理；6、比较各种方案的利弊，确定最优方案；7、利用软件进行编程仿真，看是否能达到理想的效果；8、给老师审核，查漏补缺，看有哪些不足；9、经过老师的指导，自己再进行修改，最终敲定方案； 第二部分 设计说明2.1 单片机的概述 单片机的全称是单片微型计算机。由于单片机具有易嵌入电子电路系统的优点，故又叫做嵌入式微型处理机。基于单片机所设计的电路的逻辑功用可以由软件进行配备，该特点可使设计灵活性得到提高，当需要修改系统设计时，我们不用大幅度修改电路连线，甚至不用修改。单片机每年数以亿记，对于其应用，它是以过程控制为主，领域及其广泛。正如本设计，一块51单片机芯片上只要接上少有的外围电路，就能执行一台计算机的基本任务。单片机较之其他芯片来说，具有简单和十分可靠的系统结构，可工作106-107钟头不间断、控制力强，速度快、体积小、性价比高和易于产品化、使用方便、易于实现模块化等优点。比如一般单片机价格只需人民币几块钱，开拓的条件较为完善，开发器件也较为齐备，施用素材宽广，后备人才十分丰富，因此，镜内大多高等学院都开设了单片机教程与单片机试验。 1971年出现单片机，历经SCM、MCU、SOC三个历程，初期的SCM单片机全是8位或4位，基于MCS51系列MCU系统的单片机系统一直广泛应用至今。由于各重、轻工业控制阶级要求的进一步发展，16位单片机诞生，90世纪后电子产品的发展，使单片机技术得到显著的进步。随着INTEL i960系列的应用，32位单片机取代16位单片机，并占据市场。2.2 PWM控制技术的概述 Pulse Width Modulation就是对脉冲宽度进行调整的一门技术。也就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，得到我们想要的理想波形。 由采样控制理论知：任意冲量（即面积）对等形制相异的窄脉波加在一个有惯性的环节上时，效果（即环节的输出响应波）几乎一样。如果用傅里叶变换辨析各输出波，则其仅在高频率段稍有差异，在低频率段十分接近。如图2.1所示： 依据面积对等规律，辨析怎样用一连串等幅度而宽度不对等的脉波来替代一下正弦半波。如图2.2(a)所示，把该正弦半波分成N份对等的部分，即把该正弦半波看做是N个脉冲宽度相等、幅值不等且双方不间断的脉波列所构成的波形，也就是各脉冲的幅值按正弦法则变换。如果把该脉波列用相同数量的等幅、宽度不一的长方形脉波替代，使矩形脉冲的中心点与正弦波的中心点对应重叠，同时使两者对应部分面积相等，就可得到如图2.2（b）所示的脉波列，这就是PWM波形。依据面积对等规律，正弦波和PWM波是相同效用的。像这样的脉波宽度随正弦法则变换而变动的且与正弦波等效的PWM波叫做SPWM波形。 图2.1 形制不一而面积一样的各脉波 图2.2 调制波2.3 电路组成框图及工作原理本电路的总体框图如图2.3所示。整流滤波数字调压比较 器交流采样脉冲驱动 三角波 幅度控制 微机控制交流Buck 交流输出 衰减取样整流采样A/D转换键盘给定 如下： 首先通过对小电流低电压进行采样，作为数字交流调压的输入小信号，并对此进行线性调压，把正弦交流信号经过幅值校调后与三角波通过PWM调制得到出口端按照正弦规律变换的长方形波，又通过脉冲驱动电路放大该信号进行输出，再经Buck滤波得到波形平滑的、幅值较大的正弦交流波。为了避免波形过冲，影响波形质量，也为了加快其响应速度可采用PID算法进行控制。为了能够及时、持续、高精度的调节电压达到稳定电压的效果，引入闭环调节控制，对校调后的出口端正弦交流电压进行简单的利用电阻分压、整流、采样、电容滤波，然后经模数转换后作为检测值送微处理器与载入的给定值做对比，然后经过PID算法将其偏差值转换成交流调压电路的驱动量，用以控制DAC0832的数字调节，达到对交流电压的闭环负反馈控制，实现在单片机的控制下有稳定的交流电压的输出。 本设计交流电源的输出电压控制是运用调节占空比的PWM方式，十分符合要求交流电压稳定性高、波形畸变率几乎为零的条件。经过开关晶体管脉冲驱动电路和交流Buck滤波续流电路，使电源电压输出波形质量高、无波形畸变、也没有明显的谐波污染，且输出效率高的优点。当负载变化时，由于数字量是二进制8位（即可控量化级数达到256），因此，交流稳压的精度极高，能进行微调，实现无差调压。2.4 D/A转换与数字交流调压 对于数字入口稍调模拟控制信号的输出有两种方案：一是数模转换，二是数字电位器，两者都是模拟输出随入口的数字输入变化而变化的。由于元件库中没有数字电位器，我们可用DAC0832芯片来完成数字调压。将其应用于交流稳压通路，如图2.4的数字控制的交流调压通路。 由于只是模拟一个单相交流可调稳压电源的设计，故正弦波本该直接采用源于市电的220V/50Hz的正弦波，本设计采用低电压约4V小电流的正弦信号源以此来替代。将标准电压入口端接入该采样电压，来自单片机的数字量来驱动DAC0832运行，与标准电压共同作用可改变输出正弦交流电压幅值。DAC0832芯片的数字量采用二进制8位，可控量级数是2的8次方，且调压步进值大约为10mV，调压过程不间断，连续可调。 图2.42.5 脉冲宽度调制脉冲调制波的占空比由正弦波与三角波脉冲宽度的差值来确定，差值越小，脉冲宽度越窄，差值越大，脉冲越宽。如图2.5所示，能够清楚的描述PWM调制波形成的基本原理。 图2.5 PWM波产生原理图PWM的产生由三角波产生电路（载波）正弦波产生电路（调制波）和一个比较器组成。可以用一个正弦信号源和一个三角波信号源及其比较器组成，如图2.6所示。三角波应加到比较器的反相入口端，正弦波加到比较器的同相入口端，则比较器的出口端会生出一种随正弦波变化的脉冲调制波。为了系统的稳定，进而保护单片机，驱动电路必不可少。驱动电路不仅能驱动相关模块，而且起到隔离单片机的主电路与控制电路，以保护系统。图2.6 用信号源产生调制波电路 2.6 交流Buck滤波交流Buck滤波的电路接线图如图2.7所示，从图中能够清楚的知道交流降压电路的组成。LC滤波电路也被称为无源滤波器，它是历史的谐波抵补设备，此设备不用提供电源，故称之为无源，该装置设备包括滤波电容器、电抗器及其电阻器这几个主要部分，同谐波源并联，不仅起滤波作用，而且还起到无功补偿的作用。为了滤去高次谐波可以采用LC滤波电路，将逆变电路输出的方波电压经过滤波电路后输出成正弦电压信号。电感在通路中最常见的就是和电容一起，形成LC滤波通路。由于电容具有“阻直流，通交流”的特点，且电感具有“通低频，阻高频，通直流，阻交流”的本领，我们可以将带有很多扰乱信号的直流电经过LC滤波通路，其电容能阻止大部分直流扰乱信号，其余的交流信号经过电感和地接通，从而克制干扰信号,在出口端也就可以获得较干净的正弦交流电。图2.7 降压电路原理图 第三部分 设计成果3.1 DAC0832 芯片 DAC0832与计算机完好匹配且是8分辨率的D/A转换硅钢片。该芯片接口电路简单、价格低廉、易于控制转换，广泛应用于单片机应用系统。0832电流稳定时间约为1us，输入方式可以是单缓冲、双缓冲或径直输入，由+5V+15V的纯一电源对其提供直流电。输出形式有单极性输出与双极性输出方法两种，本研究是双极性DA变换。DAC0832是双列直插式的硅钢片，引脚如图3.7所示：DAC0832是双列直插式芯片，引脚如图3.7所示： 图3.1各引脚的功能如下：(1）CS:片选信号，低电位有用；(2）ILE：同意数据锁存的控制信号，高电位有用；(3）XFER：转送控制信号，低电位起作用。用以控制WR2，选中DAC寄存器；(4）WR1：写信号1，入口信号，低电位有用。当WR1发生作用时，片选信号CS和ILE也必须同时起作用。写信号1用来把CPU数据总线输送的数据锁存在输入寄存器当中；(5）WR2：写信号2，低电位有用。当WR2发生作用时，XFER也必须同时作用；(6）Rf：反馈输入电阻，变动Rf端外接电阻值的大小可调节变换满量程的精密度；(7）VREF：标准电压输入，用以将附加的高准确度电压源和内部电阻网连接起来。VREF的范围为-10V+10V；（8）AGND：模拟信号地；（9）DGND：数字信号地。 DAC0832与单片机的连接电路如图3.2所示，80C51的P0口径直和0832的数字输入端DI0-DI7连接，80C51的WR与0832芯片的WR1连接，WR2和XFER径直接地，0832采用单缓冲方式。 图3.2 与单片机的接口电路图3.2 ADC0808 芯片 ADC0808是精密度为8位的CMOS组件，主要包括模拟信号输入端、数字量输出端、变换信号启动输入端、变换信号结束输出端这四种基本信号引脚端。由于其包括8位逐次逼近型的AD转换部分、8通路的模拟多路电门及通路寻址逻辑电路，故此可以将该芯片作为数据采集系统。0808可以对径直输入8个单端的模拟信号进行不同时AD变换，广泛应用于过程控制、多点循环检查和运动控制中。引脚如图3.3所示： 图 3.3各引脚的功能如下： (1）VREF：参照电压输入端，供应片内电阻网络的参照电压。当单极性输入时，VREF(+)=5V，VREF(-）=0V；当双极性输入时，VREF(+)VREF(-）分别接正、负参照电压； (2）ALE：同意数据锁存的控制信号，高电位有用。应用时，此信号经常和START信号连接在一起，用来锁存通路地址与起动A/D变换； (3）START：A/D变换起动信号，正脉波起作用。如果在进行变换的同时又收到新的启动脉冲，那么原本的变换历程立即被中断，又再一次开始变换； (4）EOC：变换终止信号，高电位起作用。此信号能作为被CPU查询的信号，也能作为中断请求信号； (5）OE：同意输出信号端。当在中断的工作方式下；（6）GND：地；（7）VCC：主电源输入端。3.3 80C51芯片 8051单片机内部各构件是通过时钟信号来协调同步工作的，在其指令系统中，根据各指令的操作的繁简度，可分为单字节、双字节、和三字节80c51由进步的CMOS技艺制作，包含非易失性flash程序存储器，采用高性能的静态设计，所以，具有时钟终止而不丢失数据且运作可从时钟终止处还原的特点，同时，能够提供非常宽的频率范围，最低至零。单片机各引脚功能如图3.4所示： 图3.4各引脚功能如下：(1）VCC：电源端，接+5V；(2）VSS：接地端；(3）XTAL1、XTAL2：晶体振荡通路反相入口端与出口端；(4）PSEN：外ROM读选通信号；(5）RST：复位信号输入端；(6）EA：内外ROM选择端。4.2 PID控制算法的编程4.2.1 PID算法概述 简单地说，PID控制，就是运用比例（Proportional）积分(Integral)微分（Differential）算法，对通路中的偏向量进行匡正，由实施器调整参数，使测量值几乎恒定在给定值，从而完成控制某些参数的效用。 比例调节是根据“偏向的大小”去动作，其出口变动量和入口偏向量成比，调节平缓，反应速度快，可以有效地制止各种扰动，是一种最基本的调节规律，其不足之处是无法消除余差，所以只可以用在对被调参数精度要求低的那些场合。常用比例度（Kp）来表示比例调节效果的强弱。Kp越大，代表着对比增益越大，比例调试效果则越强；反之，Kp越小，被调参量余差就越小，但也伴随着调试系统的稳定性能的降落。 积分调节是根据“偏差是否存在”去动作，其输出变化量和输入偏差对时间的积分是成正比的。出口变动只有在偏向全部消逝的时候才能终止，所以能够有效地清除被调参数的余差。积分调试的不足之处是调试不及时，所以难以单独使用，常常和比例调试相称使用，做比例积分（PI）调试。用积分时间（Ti）来代表积分效果的强弱。Ti越小，则代表着积分进度越快，积分调节效果越强。需要注意的是当积分调整效果过强时会引起挑分散振荡。微分调节是依据“偏差变动快慢”去动作。其输出变更量和输人偏差变更快慢是成正比例的。它的效用是克制被调参数的所有变动，有“提前”调整的效用，对带有大容量且滞后的多容对象有明显的调整效用，可以增强系统的动态特性。一旦偏差变化停止，就没有微分作用了，所以不可以单独使用，常常和比例调节或者比例积分调节相结合，构成PD或是PID调节。用微分时间Td来示意微分作用的调节强度。Td越大，微分调节作用就越强。但Td过大时会增强调节系统的振荡倾向。一般来说，小时间常数的对象不会使用微分调节。 PID控制算法包含微分先行、增量式算法、位置式算法这三种简单的算法。此三种PID算法虽然很简单，但各具特点，大体上都可以满足一般控制的要求，本设计采用的就是增量式PI算法。4.2.2 PID控制算法基本原理 PID控制算法的表达式如下： （4-1）其间：U(t)控制器的出口信号； e(t) ：控制器的偏差信号； KP ：控制器的比例系数； Ti ：控制器的积分时间； TD：控制器的微分时间；PID控制系统的规律框图如图4.1所示： C(s)+R(s)测量装置比例环节Kp积分环节Ki/s微分环节KDs被控系统G(s)U(s) 图4.1 原理框图4.2.3 增量式PID控制算法增量式PID控制算法就是说数字调节器的输出仅仅是控制量的增量。由位置式PID控制算式能够推算出增量式PID控制算式。前一时刻的输出量为： （4-2）第k时刻的输出增量： （4-3）其中：积分系数：微分系数：4.2.4 PID算法编程思路编程思路可由流程框图如4.2所示：开始 设定参数a,b,c 令e(k-2)=e(k-1)=0读取A/D转换值e(k)=r(k)-m(k)赋比例积分系数 u(k)= K0 e(k)+ K1 e(k-1)+ K2 e(k-2)U(k)=U(k-1)+kU(k)U(k-1)e(k-1)e(k-2)e(k)e(k-1)结束 N 图5.1 PWM调制单相交流稳压电源的电路仿真图5.2.1 稳压过程一般说来，负载的变动与输入电流的变化都会引起输出电压的变动。对于稳压电源性能的验证，当负载大范围的变化时，电流大范围变化，而电压变化小，就说明着该稳压电源的稳压性能高。在实际生产中可以变化L值与C值来达到生产指标与技术指标。对于仿真图来说，电压表只能看到有效值，而观察示波器可以看到瞬态值与波形，提高输出波形质量，比如有无高次谐波，有无波形失真等。电阻的大小表示实际负载的大小，电阻越大，代表负载越小，也就是图中安培表的示数也将对应的越小，由图5.2所示；而反之，电阻越小，代表负载越大，也就是对应的负载电流越大，如图5.3所示。 图5.2 大负载时的电压波形 5.3 小负载时的电压波形 由两图对比可知，当负载大范围变化时，从图中的安培表可以看出从2.32A到1.91A变化了410mA，而电压基本稳定在38V，即稳定在我们的给定值。电流有很大的变化，电压几乎不变，很好的达到了稳压的效果。5.2.2调压过程 为了输出可调电压12-60V±1V，本研究的单相交流电源能够在其要求范围内调整电压。如若需要更大范围的调整可以通过降低载波频率、提高直流电源电压以及适当减小电感参数，反复尝试取妥协点值，以达到波形几乎无失真，传输效率高的电压波形。 取电压为某设定值，调负载电流极大极小而电压不变或变化很小，说明该电压值确实被稳定了；同理取三种不同电压值测电流，不仅说明稳压，还说明可调范围大小。所以可以通过键盘给定值为12V,观察负载大范围变化时的稳压波形情况，如图5.4和5.5所示，然后通过键盘给定60V，观察其负载大范围变化的波形情况，如图5.6和5.7所示。图5.4 大负载时的电压波形 图5.5 小负载时的电压波形 图5.6大负载时的电压波形图5.7 小负载时的电压波形 由以上两组四个波形仿真图可以清晰的看到该电源实现了12到60V电压的可调及其稳压效果。 第四部分 结束语本次毕业设计的完成让我懂得了从理论跨越实际不是那么简单，它要求对大学五年所学的全部相关知识是熟知并知其用，设计的过程比较费神，但是只要有一点点小的收获，就会更加努力去挖掘。对于单相交流稳压电源的设计，侧重点主要是在稳定其幅值，最开始由于元件库中没有数字电位器，所以只能用分散的模块完成此设计，但后来在高老师的指导下，知道了怎样用单片机来控制DAC0832进行数字调压，这是一项突破性的设计。对于各元器件的选型与参数也是一大难点，参数设置不合理将会导致稳压效果不明显，波形失真度高，例如LC滤波电路的L值与C值的选定，L值过大，电流值变化小，L值过小，滤波不明显，存在着高次谐波，应该配合设定电容C的值。再者，另一突破点就是知道了利用PWM调制可实现连续无级可调，而变压器会间断，不能实现无触点可调。在编写程序时，主要是编写PID算法主程序，这次编程让我知道了有些东西必须要熟记，不能只是有个印象，要用到时，就会发现难以下手。本设计采用的是增量式PID算法编程，目的是为了使输出波形平缓避免过冲，达到稳压的最优效果。将近两个月的设计，让我受益颇多，从自主独立学习到和同学讨论，再到求助老师，这中间环节感觉到了自己所学的东西的离散型，不完整性，浅显性，通过不断的查找资料，连贯了自己的思路，让自己对这个设计有了大体的想法，但是各模块电路的设计也并非易事，需要自己沉下心来，仔细琢磨、钻研，不要遇到一点小问题就想放弃，太多的盲点是由于自己所学的只是基本原理，真正应用起来还不能够得心应手，可见理论与实际相结合之重要。本设计对于以往的电源设计具有突破性的飞越。随着电子科学与技术的发展，物联网也占据了重要地位，而物联网的驱动设备与设备之间离不开交流稳压电源，此种稳压电源具有极其广泛的发展前景与应用场合。第五部分 参考文献1 曾屹，刘辉.单片机原理与应用M.长沙：中南大学出版社，2009.5:6-102 王新.微型计算机控制技术M.北京：中国电力出版社，2009:14-183 王兆安，刘进军.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2009.5（2013.1重印）：8-154 陈光东，赵性初.单片机原理与接口技术M.武汉：华中科技大学出版社：16-295 林渭勋.现代电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2006：7-126 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