基于单片机直流斩波电路的设计说明书.docx

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基于单片机直流斩波电路的设计说明书

基于单片机的直流斩波电路的设计

本文介绍了基于单片机的直流斩波电路的基本方法，直流斩波电路的相关知识以及用单片机产生ＰＷＭ波的基本原理和实现方法。

重点介绍了基于MCS一51单片机的用软件产生PWM信号以及信号占空比调节的方法。

对于实现直流斩波提供了一种有效的途径。

本次设计中以直流降压斩波电路为例。

关键词：

单片机最小系统；PWM；直流斩波：

直流降压斩波电路的原理

  斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图3-1中Em所示

工作原理，两个阶段

t=0时V导通，E向负载供电，uo=E，io按指数曲线上升

t=t1时V关断，io经VD续流，uo近似为零，io呈指数曲线下降

为使io连续且脉动小，通常使L值较大

数量关系

电流连续时，负载电压平均值

a——导通占空比，简称占空比或导通比

Uo最大为E，减小a，Uo随之减小——降压斩波电路。

也称为Buck变换器（BuckConverter）。

负载电流平均值

（3-2）

电流断续时，uo平均值会被抬高，一般不希望出现

斩波电路有三种控制方式：

1）保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型：

2）保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型；

3）导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。

其原理图为：

　　　　　　　　　　　　　　图3-1降压斩波电路的原理图及波形

a）电路图b）电流连续时的波形c）电流断续时的波形

驱动电路更加复杂。

设计方案：

用单片机为控制核心，以电力电子器件ＩＧＢＴ为主电路关键器件，完成直流斩波器的电路设计，包括控制程序设计、电力电子器件驱动、信号隔离及其它的一些保护部分。

指标要求：

输入电压要求：

ＡＣ　220Ｖ　50Ｈz

　　　　　输出电压为0——180Ｖ　　输出功率：

1ＫＷ

设计框图

本设计总体框图如图所示，系统分为五部分：

主电路、控制电路、集中隔离与驱动电路等。

主电路即直流斩波电路，这个电路把输入的220Ｖ电压变为0到180Ｖ的输出电压：

控制电路实现变换控制器的实时控制，综合给定和反馈信号，微控制器处理后为斩波开关器件提供开通、判断信号和保护功能；信号隔离驱动电路完成信号的隔离和为斩波开关器件提供驱动信号；采集电压信号，输出电压模拟量，通过ＡＤ转换器转换成微控制吕能处理的数字量；电流保护电路防止系统过电流而损坏器件；低压电源电路为系统提供稳定的工伯电压；续流电路的作用为：

当斩波开关关断时，电路中电流能连续流过负载。

主电路形式与控制算法

根据设计任务的要求：

主电路输入电压为220Ｖ，输出电压为180Ｖ最大，所以采用降压斩波电路。

降压直流斩波电路可以分为隔离型降压直流斩波电路和非隔离型降压直流斩波电路。

隔离型降压直流斩波　电路的能量输出是由高频变压器耦合完成的，该变压器可以使斩波的输入电源与负载之间实现电气隔离；非隔离型　降压直流斩波电路在工作期间输入源和输出共用一个共同的电流通路。

根据设计任务的要求，本设计选择隔离型ＤＣ－ＤＣ斩波器。

系统的控制核心为微控制器，由于控制新芯片的指令执行速度是一定的，其输出脉冲最小宽度受到限制，因此在控制算法——调整占空比的实施中拟采用保持脉冲宽度不变，而调整脉冲周期的做法。

即斩波开关的关断时间不变，当根据输入电压的要求而相应的改变导通时间，这样同样可以得到通过电压而控制占空比的要求。

ＩＧＢＴ的特性：

作为主电路的关键器件，ＩＧＢＴ的特性对于电路的工作有重要的影响。

主电路工作原理与原理图：

　　主电路如图所示，控制电路产生开关信号控制斩波开关ＩＧＢＴ导通与关断，电感电容起到低通虑波的作用，在斩波开关Ｖ关断期间由二极管完成续流。

在实际工作时，当单片机产生的ＰＷＭ脉冲使Ｖ导通后，电容开始充电，输出电压回到负载两端。

在电容充电过程中，电感内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，此时，续流二极管因反向偏而关断，经过开通时间后，当控制信号使ＩＧＢＴ关断时，在Ｌ两端产生的感应电势使二极管导通，Ｌ储存的能量便通续流二极管完成续流，同时将能量供给负载，经过关断时间，控制脉冲又使ＩＧＢＴ导通，上述过程重复发生。

设计主电路的参数与选型

斩波开关ＩＧＢＴ参数的计算与选型：

根据要求输入的220Ｖ交流电，经三相不可控整流后输出的电压为514Ｖ，为了安全器件留有一定的裕量，所以选择ＩＧＢＴ的额定工作电压为正常工作电压峰的2－3倍，即额定电压为ＶＥ＝1000Ｖ，根据功率为1000Ｗ，Ｖmax为180Ｖ，最大输出电流为5.5Ａ，选择ＩＧＢＴ额定电流大于其即可。

经查询相关的数据，选择西门子的ＢＳＭ25ＧＢ120ＤＮ2型ＩＧＢＴ，其最大工作电流为25Ａ，额定工作电压为1200Ｖ，这样器件的安全系数就大。

电感Ｌ的计算:

主电路中的Ｌ的作用就是为虑波、能量转换与减小电流变换率的作用，直流斩波电路输入电压最大值为500Ｖ，输出最大为180Ｖ，ＩＧＢＴ开通时间为512us，由以上数据可得最大开关周期

＝512/0.35＝1.5ms，又因为电阻Ｒ为180/5.5＝33欧，根据

算行得Ｌ>50mh，所以取Ｌ为50mH.

电容Ｃ的计算:

电容Ｃ2是虑波电容，它可以使输出电压稳定，通常设计时是按负载的情况来选择电容的大小，使

，由上面可知Ｒ＝33欧，Ｔ＝1.5ms，算得Ｃ＝25uf，为使虑波效果更好，我们取Ｃ2＝1000uf。

二极管Ｄ的计算:

Ｄ的作用是在ＩＧＢＴ判断时起到续流的作用，迅速的释放电感Ｌ中存储的能量，防止因电感Ｌ的能量无法释放而感应出高电压而击穿开关器件。

主电路的输入电压为514Ｖ，当ＩＧＢＴ导通时Ｄ承受的反向电压即为514Ｖ，为保留一定的裕度，我们取Ｄ的反向电压为1.5*514Ｖ＝700Ｖ，当ＩＧＢＴ判断期间，Ｌ的续流大小为5.5Ａ，可选择型号为ＨＦＡ15ＴＢ60的快速恢复二极管。

控制电路的组成与功能:

控制电路如下图所示，控制电路由单片机与ＡＤ转换器加外围电路组成。

控制电路实现变换器的实时控制，综合给定，经处理后为开关器件提供开通、判断信号与保护信号，控制电路实现实时控制，产生ＰＷＭ信号。

控制选用单片机与电钟信号电路与复位电路、报警电路。

电钟电路与复位电路电单片机系统的必要组成，控制单片机的机器周期与功能复位。

由单片机的一个输出位品输出占空比可调的俯冲信号，经三极管进行俯冲放大，用脉冲变压器进行电气隔离，进而控制ＩＧＢＴ的与判断。

控制电路的核心——ＡＤＣ转换单片机系统:

由于系统电路工作于高速开关状态，电力电子器件工作于强脉冲电流，电磁干扰严重，因此微处理器选型从如下方面考虑：

满足功能要求；满足抗干扰要求；满足速度要求；良好的性价比。

单片微机系统作为自动控制装置的核心，具有功能强、体积小、可靠性高、易开发、易于扩展等优点，尤以ＡＴＭＥＬ公司司生产的89Ｃ51应用比较广泛，89Ｃ51也可以满足上述的要求。

其电路原理图为：

控制主电路

控制电路其它部分过电流过电压保护电路、过电压过电流报警电路、模数转换电路组成。

过电流与过电压保护电路：

保护电路在系统中不可缺少，良好的保护措施可以大提高系统的可靠性。

过电流出现的原因是系统电路或负载不正常，因此必须保证电路中有可靠的过电流保护电路，该电路的作用是防止电路中电流过磊而损坏元件。

过电流判断采用比较器，将输入电流信号和参考信号进行比较，得到过流信号送到单片机的位口Ｐ3.2，单片机作出过流处理响应，判断ＩＧＢＴ，起到过电流保护作用。

过电流保护电路由比较器，二极管、滑动变阻器、电阻组成。

（过电流与过电压保护电路）

过电流与过电压保护报警电路

过电流过电压报警电路由发光二极管和电阻组成，起到过电流过电压报警的作用，工作原理：

通过程序控制单片机Ｉ/Ｏ端口电平的高低，进而控制发光二极管的亮灭。

系统通过对Ｐ1.3与Ｐ1.6端口的置1或置0，控制端口电平的高或低，当端口电平为高电平时，发光二极管两端压差为0，发光二极管不亮；当二极管电平为低时，发光二极管被驱动，灯亮。

（过电流与过电压保护报警电路）

模数转换器

　　模数转换器ＡＤＣ0809与单片机89Ｃ51的接口电路如上图所示，ＡＤＣ0809与单片机的接口可以采用查询方式和中断方式。

本系统采用中断方式，这样可使控制参数——占空比紧随输入而变。

当转换结束时，ＥＯＣ输出高电平脉冲，经单片机中断后，读取ＡＤ转换结果并存储到定时器中，随后产生相应的方波，然后启动ＡＤＣ0809的下一次转换。

由于ＡＤＣ0809片内无时钟，所以必须外接一个振荡电路提供时钟信号，这里采用单片机的时钟信号。

当选择地址时，给ＡＤＣ一个信号以启动它的转换和转换结束后取相应的数据。

作为改变占空比而设置的输入电压为从0到5Ｖ代表着占空比从0到35%，通过改变可调电阻，ＡＤＣ输入通道ＩＮ0的电压大小不一样，ＡＤＣ将其转换成相应的数字量并送到单片机中进行要示求的产生脉冲信号，进而变成可调占空比的脉冲信号。

在本次设计中当电压达到最大5Ｖ时，代表占空比最大

复位电路与时钟电路

上电复位电路要求接通电源后，单片机实现复位操作，开机瞬间必须保证ＲＳＴ引脚上出现10了上的稳定电压，单片机就可以进行可靠的复位操作，单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，即程序计数器ＰＣ＝0000Ｈ，程序从0000Ｈ地址单元开始。

复位电路还有另一作用即：

在发生过电流过电压时，要进行复位退出报警循环，判断电路。

信号隔离与驱动电路

如图报示，它由电阻Ｒ1，三极管，变压器，稳压管组成。

脉冲变压器耦合方式其特点为隔离后可以直接驱动ＩＧＢＴ，不必再次充立驱动电路，使电路结构简单。

当单片机的位口Ｐ1.0输出为高电平时，三极管导通，变压器初级得到驱动信号并耦合到次级，进而驱动ＩＧＢＴ：

当单片机的位口Ｐ1.0输出为低电平时，三极管不导通，进而判断ＩＧＢＴ。

　相关参数的选择：

电阻Ｒ8为使三极管的基极限流电阻，为使三极管导通时间可靠的进入饱和状态，应使基极电流为5ma为宜，所以电阻Ｒ＝（5-0.7）/5＝1Ｋ

电阻Ｒ6是门极阻尼电阻，作用是使开关器件ＩＧＢＴ更好的导通和判断，减小寄生振荡。

电阻Ｒ可取为10

ＩＧＢＴ的栅电压为2~6Ｖ，为此将电压钳制在5Ｖ左右，所以取Ｄ6Ｄ9的电压为5Ｖ。

系统原理图，系统程序

系统主电路图

过电流过电压佑护电路

过电流过电压报警电路

系统程序：

*****

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG0003H

LJMPIT0P

ORG0013H

LJMPIT1P

MAIN:

MOVSP,#60H******系统程序初始化****

MOVTMOD,#11H

SETBIT0

SETB　IT1

SETBEA

SETBEX1

SETBEXO

SETBPX0

MOVDPTR,#7FF8H　　　　　　　　**发送ＡＤＣ地址**

MOVX@DPTR,A

WAIT:

AJMPWAIT

IT0P:

CLRP1.0　　　　　　　****过电流电压时佑护程序，判断ＩＧＢＴ**

LOOP:

CLRP1.3

ACALLDELAY

SETBP1.3

CLRP1.5

ACALLDELAY

SETBP1.5

AJMPLOOP

RETI

IT1P:

CLRP1.0　　　　　　　　　　　**产生950us的低电平程序**

MOVTL1,#4AH

MOVTHO,#0FCH

SETBTRO

DLY:

JNBTF0,DLY

SETBP1.0　　　　　　　　**根据输入产生相应时间的高电平***

CLRTR0

CLRTFO

MOVDPTR,#7FF8H

MOVXA,@DPTR

MOVTL0,A

MOVTH0,#0FFH

CLRA

SETBTR0

DLY1:

JNBTFO,DLY1

CLRTF0

CLRTR0

MOVXA,@DPTR

RETI

DELAY:

MOVTL1,#18H　　　　　　　**1ms延时程序**

MOVTH1,#OFCH

SETBTR1

DLY2:

JNBTF1,DLY

CLRTR1

CLRTF1

RET

设计的心得体会

作了一周的课程设计，使我有了很多的心得体会，可以说这次直流斩波电路的性能研究的课程设计是在大家共同努力和在老师的精心指导下共同完成的。

通过这次设计加深了我对这门课程的了解，也加深了对这门课程的设计。

以前总是觉得理论结合不了实际，但通过这次设计使我认识到了理论结合实际的重要性。

但由于我知识的限制，设计还有很多不足之处，希望老师指出并教导。

通过对电路图的研究，也增强了我们的思考能力。

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

很感激学校给了我们这次动手实践的机会，让我们学生有了一个共同学习，增长见识，开拓视野的机会。

也感谢老师对我们无私忘我的指导，我会以这次课程设计作为对自己的激励，继续学习。

参考文献

[1]梁延贵主编,现代集成电路实用手册可控硅触发电路分册,北京:

科学技术文献出版社.2002.2

[2]王兆安主编,电力电子技术.第四版.北京:

机械工业出版社.2004.1

[3]王云亮主编,电力电子技术.第一版.北京.电子工业出版社.2004.8