本科毕业设计交流斩波调压装置的硬件设计.docx
《本科毕业设计交流斩波调压装置的硬件设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《本科毕业设计交流斩波调压装置的硬件设计.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
本科毕业设计交流斩波调压装置的硬件设计
论文题目：
交流斩波调压装置的硬件设计
专业：
自动化
本科生：
**签名：
____________
指导教师：
**签名：
____________
摘要
随着单片机技术的不断发展与成熟，各种智能调压装置不断涌现，交流斩波控制调压技术作为种新型高性能的交流调压技术，在中小交流调压领域获得广泛应用，典型的应用如电动机的软启动和节能电路等。
本装置采用交流斩波电路，用AT89S52单片机为控制器，根据双向电力电子开关的特性，应用单片机技术对电力电子开关的通断时间进行控制，从而设计了一套交流调压装置。
对装置硬件组成、调压原理及方法、系统软件等做了详细介绍。
本装置采用汇编语言编程，实现了控制口稳定输出方波信号，经过调试装置最终可以看出主回路电灯的亮度变化。
关键词：
交流斩波，调压，单片机，电力电子开关
Subject:
TheHardwireDesignofAC-Chopper
Specialty:
Automation
Name:
ChenNanSignature:
Instructor:
GuoXiucaiSignature:
Abstract
WiththecontinuousdevelopmentofSCMtechnologyandmature,intelligencedevicesofvoltageadjustingiscontinuouslydesignedandmanufactured,theexchangechoppercontroltechnologyasasurgeofnewhigh-performanceexchangeregulatortechnology,smallandmedium-sizedexchangessurgeinthebroadfieldofapplication,typicalapplicationssuchassoft-startthemotorandenergy-reservedcircuit.Thedeviceinexchangechoppercircuit,withAT89S52SCMforcontroller,accordingtodouble-waypowerelectronicswitchwiththecharacteristicsofSCMapplicationofelectronictechnologytopowertheon-offswitchtocontrolthetiming,designedadeviceexchangeregulator.Thedesignisalsoresponsibleforhardwarecomponents,principleofvoltageadjustingandsystemsoftware.Byprogrammingbyassemblinglanguage,thedevicecanapproachandguaranteethestablesquarewaveoutputtowardthecontrollinginterface.Thefinalaftermathresultedbydebuggingrelateddevicereflectsthechangeofluminanceonmaincircuitlight.
Keyword:
ac-chopper,voltageregulators,microcontroller,electricalelectronicswitch
1绪论
1.1选题的依据及意义
交流斩波调压技术作为一种高性能交流调压技术，符合电力电子技术的高频化、高效化以及低污染发展趋势，将逐步取代晶闸管相控交流调压，新器件的发展与成熟将加速这一进程，其在一些电动机调速工具有不可比拟的优越性。
丰富的控制种类，多样的双向电子开关组合，为不同使用要求提供高性价比产品，是一种经济型交流调压技术。
与单位功率因数、串联电压源等高性能交流调压技术相比较,其开关应力及容量要求较大，为进一步提高开关变换效率，如何从系统综合角度考虑减小开关应力，降低开关损耗，减少驱动复杂性，提高变换效率是我们钻研设计的新方向。
智能交流电力控制器可广泛用于工业各领域的电压调节，恒压恒流，恒功率调节，适用于电阻性负载、电感性负载、变压器和电机软起控制等。
在当今时代，各行各业中拥有广泛的使用实例和前景，社会各生产行业都有不同等级的需求，尤其是自动化程度高的企业，根本离不开这种实用的技术装置。
设计利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，任务是使自身熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法；掌握各种电力电子电路的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法及实验技能；熟悉各种电力电子装置的应用范围及技术经济指标，对电力电子装置具有独立的设计和调试能力，从而设计出一款性能较好，价格实惠的交流电压控制装置。
意义在于能够设计出一款适用范围广泛，操作简单方便，节省能源的交流调压装置。
可以用来调节功率因数，也可以用来对电动机进行软启动，或者是最直观的自动调节照明装置得明亮程度，在当今建设节约型社会的大潮中做出自己一点小小得贡献。
全控型电力电子器件的发展，新型的交流调压器——斩控式交流调压器出现了，其输入输出都是交流电压，电力电子开关一般都为双向导电开关，利用它来作为整体设计的核心。
1.2电力电子开关的发展和现状
电力电子器件又称作开关器件，相当于信号电路中的A/D采样，称之为功率采样，器件的工作过程就是能量过渡过程，其可靠性决定了系统的可靠性。
根据可控程度可以把电力电子器件分成两类：
（1）半控型器件——第一代电力电子器件；
（2）全控型器件——第二代电力电子器件。
随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。
由于全控型器件可以控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性。
自70年代后期以来，可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR或BJT）及其模块相继实用化。
此后各种高频全控型器件不断问世，并得到迅速发展。
这些器件主要有电力场控晶体管（即功率MOSFET）、绝缘栅极双极晶体管（IGT或IGBT）、静电感应晶体管（SIT）和静电感应晶闸管（SITH）。
现代电力电子器件仍然在向大功率、易驱动和高频化方向发展。
电力电子模块化是其向高功率密度发展的重要一步。
当前电力电子器件的主要发展成果如下：
（1）IGBT：
绝缘栅双极晶体管；
（2）MCT：
MOS控制晶闸管；
（3）IGCT：
集成门极换流晶闸管；
（4）IEGT：
电子注入增强栅晶体管；
（5）IPEM：
集成电力电子模块；
（6）PEBB：
电力电子积木；
如图1-1为IGBT和MOSFET的结构图：
图1-1（a）IGBT结构和符号
图1-1（b）MOSFET结构
1.3IGBT的擎住效应
由IGBT的结构可以看出，在IGBT中，除图中的PNP型三极管外，还存在着一个NPN型寄生三极管，它由J1和J2之间的N型材料、两侧的P型材料和与E极连接的N
材料构成。
这样，IGBT可由图1-2的电路来等效。
在NPN型三极管（图1-2中的T
）的B-E之间有一个与之并联的扩展电阻R
，IGBT工作时电流会流过这个电阻产生压降，相当与给NPN型三极管T
提供正向偏值，偏值电压的大小与集电极电流i
有关。
在一般情况下，该电压不大，不至于使NPN型三极管导通，但如果i
很大R
就可能给T
的发射结提供足够的电压使其导通。
T
一旦导通，就会与PNP型三极管形成正反馈，两个晶体管很快进入饱和状态，此时T
、T
实际上构成了一个晶闸管，门极失去了控制作用。
这就是所谓擎住效应。
IGBT一旦发生擎住现象，就无法控制关断，在使用中这是不允许的。
为防止擎住效应的出现，IGBT的集电极电流不能过大，通常生产商提供一个临界值I
，IGBT的电流应限制在I
以下，以保证不出现擎住现象。
可见，IGBT中的I
与一般双极型晶体管的I
其定义是有区别的。
I
由保证不发生擎住现象的最大集电极电流决定；U
由IGBT内部的PNP型三极管的击穿电压决定，而最大集电极功耗决定于器件的结温。
与MOSFET相似，IGBT的最大允许功耗也与通过的电流脉冲宽大有关，脉冲宽大越宽，允许的功耗越小。
而与MOSFET不同的是，在U
较低时不存在导通电阻随电压减小而减小的现象，即使U
很小，集电极电流也只受I
的限制。
图1-2IGBT的擎住效应
1.4装置概述
交流斩波调压对象为交流电压,要求对正负半波电压均能进行调制,即开关器件必须为双向的,结构上具有对称性。
从能量角度看,开关器件的通断控制着能量的流动及流向,由于能量为不能突变量,它要求电路拓扑时刻提供能量连续通路,即电路具有双向性。
交流斩波调压与直流脉宽调制原理一样,只是斩波调制对象不同,电路结构上要求能对交流电进行双向调制,也就是高频周期矩形波函数对正弦函数的调制,用单片机控制脉冲间隔时间，脉冲给晶体管门极控制电路的通断,从而通过控制占空比来调节输出电压。
硬件电路的设计主要包括单片机系统（控制回路）和交流斩波调压电路（主回路）两部分，系统框图如图1-3：
图1-3交流斩波调压装置框图
2斩波器调压原理概述
2.1斩波器的科学内容及分类
2.1.1斩波器的内容
斩波器是用于将不可空电源变换成适合于负载要求的可控电源，也可称为电压变换器。
斩波器是电源与负载之间的藕合装置，可以实现电能的高效率变换，因此得到广泛的使用。
2.1.2斩波器的分类
斩波器按其输入电流的种类分为直流斩波器和交流斩波器。
2.2直流斩波器
2.2.1直流斩波器的控制原理
斩波电路是斩波器的重要组成部分，可将直流电源电压变成脉冲电压。
如图2-1（a）为基本斩波电路原理图，通过对电力电子开关S的通断控制，获得如图2-1（b）所示的脉冲电压。
S导通时，ud=U：
S阻断时，ud=0.设斩波周期为T，每一周期内，S导通的时间为ton，S阻断时间为toff。
定义D=ton/T为占空比或斩控系数，用于表示一个周期中电力电子开关导通所站的时间比例。
调节占空比，可以实现对输出电压的控制。
占空比的调节范围为0≤D≤1，根据负载要求来进行确定。
（a）（b）
图2-1基本斩波电路
2.2.2斩波电路电能的转换、传递
斩波电路的电能转换与传递由电力电子开关控制实现。
2.2.3斩波电路的控制方式
（1）定频调宽：
固定电力电子开关的通断控制周期T，调整一周期内导通的时间ton，使占空比得到控制。
（2）定宽调频：
固定一周期内导通的时间ton，调整电力电子开关的通断控制周期T，使占空比得到控制。
（3）调频调宽：
同时调整电力电子开关的通断控制周期和一周期内导通的时间ton，使占空比得到控制。
2.2.4直流斩波器的主要类型
（1）降压型直流斩波器
降压斩波电路的原理图及波形如图2-2：
图2-2降压斩波电路的原理图及波形
t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。
t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。
通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。
（2）升压型直流斩波器
升压斩波电路的原理图及波形如图2-3:
图2-3升压斩波电路a）和其工作波形图b）
假设L和C值很大。
V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。
V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。
（3）升-降压型斩波器
如图2-4所示：
V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。
同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。
V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。
负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。
图2-4升降压斩波电路及其波形
a）电路图b）波形
（4）丘克电路
丘克电路如图2-5所示：
V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流。
V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有电流。
输出电压的极性与电源电压极性相反。
电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。
（与升降压斩波电路相比）：
输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。
图2-5Cuk斩波电路及其等效电路
a）电路图b）等效电路
（5）Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
a）b）
图2-6Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
a）Sepic斩波电路b）Zeta斩波电路
两种电路相比，具有相同的输入输出关系。
Sepic电路中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入、输出滤波，反之，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。
另外，与上面所述的两种电路相比，这里的两种电路输出电压为正极性的。
2.3斩波器主电路结构类型及控制方式
2.3.1半控器件构成的斩波器
直流斩波器用全控型电力电子器件作为电力电子开关电路简单、控制灵活，得到了越来越广泛地应用。
但是全控型电子器件在容量上目前还与晶闸管有一定的差距，因此在一些大功率的直流斩波器中，仍然有用晶闸管做电子开关的直流斩波器电路。
特别是在一用些直流电驱动的电动车辆中，如无轨电车、工矿牵引电机车等，晶闸管直流斩波器还较大数量地被使用。
普通晶闸管和车辆斩波电路中常用的逆导型晶闸管都是半控型器件，用其构成电力电子开关必须要有辅助关断电路，因此这类斩波器的主电路结构要比全控型器件复杂，控制起来也比较麻烦，并且其工作频率较之全控器件要低得多，因此储能元件的参数也比较大，不可避免地要增大设备的体积和重量。
（1）晶闸管定宽调频斩波器
晶闸管定宽调频型斩波器的主电路原理图如图2-7所示。
图中VT为主晶闸管，它与周围的电容C、电感L
和L
、二极管VD共同组成电力电子开关，L
为滤波电感，VDR为续流二极管。
直流电源U通过上述斩波电路为直流电动机M供电。
可以看出，这是一个降压型直流斩波器。
在晶闸管触发脉冲的作用下，上述电子开关开通。
经过一段时间的延时后，在辅助电路的作用下电子开关自行关断。
电子开关导通的时间是一定的，相当于斩波器输出脉冲宽度一定，所以称为“定宽”；调节晶闸管触发脉冲的间隔时间，可以得到不同频率的输出脉冲，这就是“调频”。
占空比的调节是通过改变触发脉冲间隔来实现的，所以不同的触发脉冲间隔对应着不同的输出电压。
图2-7定宽调频型斩波器主电路原理图
（2）晶闸管定频调宽式斩波器
晶闸管脉冲宽度可调斩波器主电路原理图如图2-8所示。
图中VT
称为主晶闸管，VDR为续流二极管，L
为滤波电感，M为直流电动机。
图中的其它元件组成换流电路，其中VT
为辅助晶闸管，其作用是控制脉冲宽度、关断主晶闸管。
电路工作时，主晶闸管与辅助晶闸管的触发信号为同一频率，主晶闸管先导通，延迟一段时间后辅助晶闸管又导通，主晶闸管在同时关断。
两晶闸管触发脉冲的时间间隔即为负载电压的脉冲宽度，改变两晶闸管的触发脉冲时间间隔就可以改变输出电压的脉冲宽度，进而调节负载电压。
图2-8定频调宽晶闸管斩波器主电路
（3）逆导型晶闸管斩波器
逆导型晶闸管的结构为一个普通型晶闸管与一个整流二极管反向并联。
晶闸管的阳极与二极管的阴极连接，称为阳极；晶闸管的阴极与二极管的阳极连接，称为阴极。
在给逆导晶闸管阳极加正电压、阴极加负电压时，器件在门极的控制下导通，当电压阴极为正、阳极为负时，器件处于导电状态。
用逆导型晶闸管构成直流斩波器的主电路，电路的结构可以简化。
图2-9为一种用逆导型晶闸管作为核心器件构成的脉冲宽度可以调节的斩波器原理图。
其中为VT
主晶闸管，其作用是向负载输出斩波脉冲。
VT
为辅助晶闸管，其作用是触发导通后引发换流电路的振荡，关断主晶闸管。
VDR为续流二极管。
VT
与L、C组成换流电路。
图2-9逆导型晶闸管组成的斩波器
2.3.2全控型器件构成的斩波器
全控型电力电子器件本身就是一个单向导电的电力电子开关，用其构成直流斩波器时，可以大大的简化主电路。
如图2-10所示：
图2-10全控型器件构成的斩波回路
2.4斩控式交流调压器
2.4.1交流调压器的发展
由于全控型电力电子器件的更新，斩控式交流调压器开始被广泛应用，其工作原理与直流斩波器类似。
斩控式交流调压器的输入、输出都是交流电压，其电力电子开关应是双向导电的，双向电力电子开关一般由多个电力电子器件组合而成。
2.4.2几种交流斩波调压方式
交流斩波调压对象为交流电压，要求对正负半波电压均能进行调制，即开关器件必须为双向的，结构上具有对称性。
从能量角度看，开关器件的通断控制着能量的流动及流向，由于能量为不能突变量，它要求电路拓扑时刻提供能量连续通路，即电路具有双向性。
常见的双向电子开关有如下图2-11几种：
图2-11双向电子开关
可见双向电子开关且有完美对称性，其中图2-11（c）双向电子开关对称性不够，只能用于不带零线的三相交流斩波电路中。
2.5典型的斩控式交流调压电路
2.5.1单份反申联双向电子开关斩控式交流调压电路
图2-12所示的为单管反串联双向电子开关斩控式交流调压电路的原理图，图中Vl、VDI、VZ和VDZ构成双向斩波开关，VF一和Vnrl、VFZ和VDFZ构成双向续流开关。
在实际电路中，双向开关由采用带有反并联二极管的单IGBT功率模块反向串联组成.这种连接IGBT与二极管特性配合好，并可减小引线电感对换流的影响。
Lif、Cif和L。
长Cof分别组成低通输入、输出滤波器。
图2-12管反串联双向电子开关斩控式交流调压电路
该拓扑采用带电流检测的非互补控制方式，开关模式由电压极性决定，避免了调压器中主开关和续流开关换相过程引起的共态运行，开关器件无换相过电压。
整个工作过程分为有源状态、死区状态以及续流状态。
输出电压、电流极性相同时，续流开关可不加缓冲电路。
主开关缓冲电路经优化设计后，可保证主开关开通电流小于1.5倍通态电流，改善开关过程电压、电流变化轨迹，大大减小器件开关损耗。
对输出电压波形的傅里叶分析结果表明，除基波以外还含有其它谐波，谐波频率在开关频率及其整数倍两侧分布，开关频率越高，越容易滤除。
经优化设计的滤波器滤波后，可认为输出电压仅含有基波。
该拓扑在热水器、静电除尘器等中、小功率阻性负载应用中具有较大的优势。
2.5.2双开关斩控式交流调压电路
如图2-13所示的为双开关斩控式交流调压电路原理图，在这种拓扑结构中，斩波开关和续流开关都是由四个独立的单功率开关反并联续流二极管构成，与前面提到的单管反串联双向电子开关斩控式交流调压电路有异曲同工之妙，但结构上却更加清晰明了，便于分析，目前有文献报道它通过附加缓冲电路已应用在大功率场合。
在该电路拓扑中，开关模式取决于电源电压的极性。
在电源电压的正半周，VSZ和VS4导通，Vsl和VS3按某一固定占空比调制导通。
当电源电压极性改变时，开关模式就相反。
因此，无论电流方向如何，电流通路总是存在的。
图2-13双开关斩控式交流调压电路
因为在电源电压的半周内，有两个开关导通，开关损耗明显减少。
电路的工作可分为三种模式，即有源模式、死区时间模式和续流模式。
VSl，VS2导通时定义为有源模式，在这个过程中，电感电流流经电压源，能量是流向负载还是取自负载取决于电感电流的方向。
下面分析电源电压正半周电流路径。
电源供电时：
电源→VSl→负载→VD2→电源；负载馈电时：
负载→VD1→电源→VS2→负载。
当两个调制开关关断时定义为死区时间模式，电流路径根据电感电流的方向而不同，自左至右时：
电感L→负载→VS4→VD4→电感L；自右至左时：
负载→VDI→电源→VSZ→负载。
在续流模式中，电感电流流经VS3和VS4，依方向不同，电流有两个路径：
负载→VS4→VD4→电感L→负载，以及负载→电感L→VS3→VD3→负载。
2.5.3单管双向电子开关斩控式交流调压电路
图2-14所示的为单管双向电子开关斩控式交流调压电路原理图，在单管双向电子开关中全控开关只有一个，其它由四个不控的快恢复二极管构成。
该拓扑为一种经济型单管交流调压电路，开关管对整流脉动输出电压进行斩波，从而达到调压目的。
可以看出这种拓扑结构简单，无需续流回路，且只有一路驱动信号，是一种经济型交流调压电路。
但这种电路只能用于阻性负载，所需的滤波电容比较大，且要求电容能通过较大的交流电流。
该拓扑有较大的浪涌电流，由于电容积分效应，电路动态响应速度变慢，故其仅适用于成本低、性能要求不高、容量较小的交流调压中。
图2-14单管双向电子开关斩控式交流调压电路
为了提高电路的变换效率，软化开关轨迹，提高器件使用寿命，文献提出了一种单开关双振ZCS斩波调压技术电路，如图2-15所示.该技术通过对滤波、谐振参数综合考虑，实现了开关导通和关断过程在较大范围内的零电流或准零电流切换，从而软化了开关过程。
图2-15单开关双振ZCS斩波控制调压电路
此外，单管双向电子开关调制对象与直流斩波相似，在开关软化设计上可参照直流斩波缓冲电路设计。
文献提出了具有最简结构的无源无损缓冲电路的通用性很强，可应用于此类电路中的软化开关过程，能提高效率。
3单片机应用及简介
3.1简述
斩波调压过程中很重要的一个环节就是电力电子器件门极通断过程的控制，交流斩波调压控制回路的设计思路就是通过单片机P1.0口输出频率固定脉宽可变的脉冲信号，控制门极开通时间，从而可以调节斩占空比，达到控制调压的目的。
3.2单片机的发展
单片机的发展到目前为止大致可分为五个阶段：
第一阶段（1971~1976）：
单片机发展的初级阶段。
第二阶段（1976~1980）：
低性能单片机阶段。
第三阶段（1980~1983）：
高性能单片机阶段。
第四阶段（1983~80年代末）：
16位单片机阶段。
第五阶段（90年代）：
单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。
3.3单片机的应用
（1）测控系统。
（2）智能仪表。
（3）机电一体化。
（4）智能接口。
（5）智能民用产品。
3.4单片机的基本结构
3.4.1单片机的内部结构
MCS—52系列单片机是由8大部分组成的。
3.4.2单片机外部引脚说明
MCS—52系列单片机芯片均为40个引脚，HMOS工艺制造的芯片采用双列直插方式封装，其引脚示意及功能分类如图3-1：
图3-1AT89S52单片机引脚图
引脚说明：
（1）电源引脚
Vcc（40脚）：
典型值＋5V。
Vss（20脚）：
接低电平。
（2）外部晶振
X1、X2分别与晶体两端相连接。
当使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。
（3）输入输出口引脚：
P0口：
I/O双向口。
作输入口时，应先软件置“1”。
P1口：
I/O双向口。
作输入口时，应先软件置“1”。
P2口：
I/O双向口。
作输入口时，应先软件置“1”。
P3口：
I/O双向口。
作输入口时，应先软件置“1”。
（4）控制引脚：
RST/Vpd
升级会员 