【正文】 ????? ????????????? ????????????1111 M//201???? ?????????????? TTtt 11 /? ? o2021 IR EmII ???? ?onotEI? ?TIETRI oM2o ?TIETRItEI oM2oono ??REEI Mo ???ooo1 IUEIEI ???EEm /M??? /T?ooon IITtI ???1EETtEtt tU ????? onof fon ono 第 9 頁 共 45 頁 9 假如負(fù)載中 L 值較小，則有可能出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。在這種情況下，假設(shè)電源電流平均值為 1I ，則有 （ 114） 其值小于等于負(fù)載電流 0I ，由上式得 （ 115） 即輸出功率等于輸入功率 ，可降壓斬波器看作直流降壓變壓器。電源只在 IGBT 處于通態(tài)時提供能 量，為 。其中 10I 和 20I 分別是負(fù)載電流瞬時值的最小值和最大值。 根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同，斬波電路可劃分三種控制方式： 1. 保持開關(guān)周期 T 不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間 ont ， 稱為脈沖寬度調(diào)制（ Pulse Width Modulation, 縮寫 PWM）或脈沖調(diào)寬型。負(fù)載的平均電壓為 : （ 11） 式中， ont — V 通的時間； oft — V 斷的時間； ? 導(dǎo)通 占空比； 0U 最大為 E ，減小占空比 ? ， 0U 隨之減小。 t =1t 時刻控制 V 關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管 VD 續(xù)流，射極電壓 0U 近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了在 V 關(guān)斷期間給負(fù)載中的電感提供續(xù)流通道，設(shè)置了續(xù)流二極管 VD。 2 直流斬波電路的分類及原理 [1][2][3][4] 直流斬波電路的分類 直流斬波電路 (DC Chopper)的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電， 它通過周期性地快速開通、關(guān)斷 ，把輸入電壓斬成一系列的脈沖電壓，改變脈沖列的脈沖寬度或頻率可以調(diào)節(jié)輸出電壓的平均值，因此 直流斬波 器的基本作用是進行直流電壓的變換，即調(diào)壓作用 ，也被稱為直接直流 直流變換器 (DC/DC Converter)。 用單片微控制器 MCU 為控制核心、以電力電子器件 IGBT 作為主電路斬波開關(guān)器件，探索 基于微控制器的斬波控制 規(guī)律，以軟件的形式完成斬波器的靈活控制，同時掌握在此基礎(chǔ)上的信號驅(qū)動與隔離方案及電磁兼容（ MEC）效果，進而實現(xiàn)近于實用的直流斬波器的完整電路設(shè)計，包括控制程序、電力電子器件驅(qū)動、信號隔離、電磁兼容等。直流斬波器不僅能起到調(diào)壓的作用 ,還能起到有效抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流的作用 [5][6][7][8]。實驗結(jié)果表明，電路性能穩(wěn)定，工作可靠，達(dá)到預(yù)期要求。 第 1 頁 共 45 頁 1 學(xué)號 : 02417114 畢業(yè)設(shè)計 （ 06 屆） 題 目： 基于微控制器的直流斬波器的設(shè)計 學(xué) 生： 學(xué)院（系）： 計算機 專 業(yè) 班 級： 自動化 校內(nèi)指導(dǎo)教師： 專業(yè)技術(shù)職務(wù)： 校外指導(dǎo)老師： 專業(yè)技術(shù)職務(wù)： 第 2 頁 共 45 頁 2 目錄 1 引言 2 直流斬波電路的分類及原理 直流斬波電路的分類 降壓斬波電路 升壓斬波電路 升降壓斬 波電路 Cuk 斬波電路 3 總體方案 主電路形式 主電路工作原理 IGBT的性能、參數(shù) 主電路元器件參數(shù)計算選型 主電路元件參數(shù)的計算 4 控制電路功能及組成 控制電路核心部件 微控制器選型 微控制器 AT89S51 介紹 控制電路原理 過電流和過電壓報警電路 過電流保護電路 過電流保護電路組成 比較器的選擇 比較器 LM393 的工作原理 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及模數(shù)轉(zhuǎn) 換器 ADC0809 介紹 ADC0809 與單片機的接口 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成及元件計算 5 信號的隔離與驅(qū)動 信號的隔離與驅(qū)動電路組成 驅(qū)動電路基本功能 驅(qū)動與隔離電路工作原理 信號驅(qū)動與隔離電路參數(shù)計算 脈沖變壓器的計算 6 電源電路 電源電路組成 電源電路元件選擇 7 電路實驗 8 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果 第 3 頁 共 45 頁 3 9 結(jié)束語 10 參考文獻(xiàn) 11 致謝 第 4 頁 共 45 頁 4 基于微控制器的直流斬波器的設(shè)計 摘要： 本文介紹一種基于 89S52 單片機控制的直流斬波電路的組成和控制原理、設(shè)計方法及組成系統(tǒng)的軟、硬件。 關(guān)鍵詞： 直流斬波 單片機 IGBT 脈寬調(diào)制 脈頻調(diào)制 驅(qū)動 隔離 The design of the DC chopper controlled by the microcontroller Abstract:The position, designing method and controlling principle of the DC chopper based on 89S52 are introduced, and the software and hardware of the system are showed in this paper. The center of the control system of the chopper is posed of the single chip microputer .The main circuit uses IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) as the chopper switching. Because of the outstanding features of single chip microputer 89S52, there are advantageous performance in this chopper. The system has a little elements, simple configuration, high reliability, high accuracy. The paper also introduce the way which deals with over current and over voltage protection. The experimental results has given in the paper. Key words:DC chopper single chip microcontroller IGBT PWM PFM driving and insulating circuit 第 5 頁 共 45 頁 5 1 引言 直流斬波電路由于具有效率高、體積小、重量輕、成本低、穩(wěn)壓范圍寬、濾波效率高、不需要大容量的濾波電容等特點，被廣泛用作直流變換器即 DC/DC[5] 。因此近年來隨著電力電子器件的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了以全控型電力電子器件為斬波開關(guān)的直流斬波電路。 目前，直流斬波器的控制電路普遍采用單純硬件電路，尚未出現(xiàn)以微控制器為控制核心的直流斬波器。它包括 6種基本斬波電路形式：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、 Cuk 斬波電路、Sepic 斬波電路、 Zeta 斬波電路 [1][2][3][4]。斬波電路的典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負(fù)載，兩種情況下負(fù)載中均會 第 6 頁 共 45 頁 6 出現(xiàn)反電動勢，如圖中 ME 所示。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小通常使串接的電感 L 值較大。因此稱為 降壓 斬波電路。 2. 保持 開關(guān)導(dǎo)通時間 ont 不變，改變 開關(guān)周期 T ， 稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻率型。 由式（ 14）、式（ 15）、式（ 16）、式（ 17）、式（ 18）得出： （ 19） （ 110） 式中， ； ； ； 把式（ 27）和式（ 28）用泰勒級數(shù)展開得 （ 111） 上式表示了平波電抗器 L 為足夠大，負(fù)載電流完全平直時的負(fù)載電流平均值 0I ，此時負(fù)載電流最小值和最大值等于平均值。從負(fù)載看，在整個周期 T中負(fù)載一直在消耗能量，消耗的能量為 。 從而可以得到如下 關(guān)系： （ 116） 其中 ont 為 IGBT 處于通態(tài)的時間； oft 為 IGBT 處于斷態(tài)的時間； T 為開關(guān)周期； ?為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?。利用解析方法可對電流斷續(xù)的情況進行解析。 此時負(fù)載電流平均值為 （ 120） 降壓直流斬波電路的特點： Buck 型斬波器電路簡單，調(diào)整方便，可靠性高，對功率管及續(xù)流二極管的耐壓要 求低，只要求等于或大于最高輸入電源電壓即可，輸出電壓紋波低，但輸入電流是脈動的，這將會引起對輸入電源的電磁干擾，所以在實際應(yīng)用中常在電源與斬波器之間增加一個輸入濾波網(wǎng)絡(luò)。 圖 2 升壓斬波電路及其工作波形 E VRL VDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOtt?????? ??? ?m emt ??? )1(1lnx11??? ???eemEmT ttT EttTEtU ?????? ?????? ???????? xonMxonono 1)( ?R EUREmT tttitiTI t t moxon0 0 21o on x dd1 ???????? ????????? ?? ? ? ? 第 10 頁 共 45 頁 10 a) 電路圖 b) 波形 假設(shè)電路中電感 L 足夠大，電容 C 值也足夠大，當(dāng) V 處于通態(tài)時，電源 E 向電感L 充電，充電電流基本恒定為 1I ，同時電容 C 上的電壓向負(fù)載 R 供電，因 C 值很大，基本保持輸出電壓 0U 為恒值。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期消耗電感 L 積蓄的能量與釋放的能量相等，即 (21) 化簡得 (22) 上式中的 t / oft ? 1,輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路（ Boost Converter） 。 根據(jù)電路結(jié)構(gòu)可以得出電流的平均值 0I 為 (26) 由式 (13)即可得出電源電流 1I 為 (27) 基于電力電子電路實質(zhì)上是分時段線性電路這一思想 ,升壓斬波電路解析如下 ： 在 IGBT 處于通態(tài)期間 ,設(shè)負(fù)載電流 1i , ME 為反電動勢 ,可列出如下方程 ：