【正文】 范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式 [7],[8]。交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。再由于工業(yè)發(fā)達(dá)國家對于原材料、工時(shí)耗用多而獲利少的普通電機(jī)產(chǎn)品不愿意制造，紛紛轉(zhuǎn)向發(fā)展中國家加工和購買，因此國際3市場上對電機(jī)的需求呈上升趨勢。小功率電動(dòng)機(jī)是我國機(jī)電產(chǎn)品出口的主要項(xiàng)目之一，近年來發(fā)展很快，具有良好的前景 [6]。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著我國電子、電氣技術(shù)的迅猛發(fā)展、人們生活水平的不斷提高，對電機(jī)的性能提出了許多新的更高的要求，出現(xiàn)了各種各樣的電器產(chǎn)品，在各種電器產(chǎn)品中使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。尤其是隨著一些高性能的交流調(diào)速方法如“矢量控制技術(shù)”、“直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)”及“同步機(jī)自控式”等方法的出現(xiàn), 交流電機(jī)調(diào)速更是獲得了幾乎可以和直流調(diào)速相媲美的性能。這個(gè)交2變脈動(dòng)磁場可分解為兩個(gè)以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生兩個(gè)大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩為零，所以電動(dòng)機(jī)無法旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為：n=60f/P 式中f為電源頻率、P是磁場的磁極對數(shù)、n的單位是：每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。通常家庭以及沒有三相電源的地方使用單相電機(jī)，功率通常比較小，通常小于750W，工業(yè)和功率較大場所都選用三相電機(jī)。第二類是電動(dòng)機(jī)，它把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，用來驅(qū)動(dòng)各種用途的生產(chǎn)機(jī)械和其他裝置，以滿足人類的不同需求 [1]。本系統(tǒng)成本不高，采用了脈寬調(diào)制技術(shù)組成的 PWM 交直交變頻裝置。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文論文題目： 基于單片機(jī)的單相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) ——電源電路的設(shè)計(jì) 作者姓名 指導(dǎo)教師 所在院系 專業(yè)班級(jí) 　　　 提交日期 ____2022 年 5 月 II基于單片機(jī)的單相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)——電源電路 摘 要本文簡單介紹了單相電機(jī)的工作原理及變頻調(diào)速原理，同時(shí)詳細(xì)介紹了開關(guān)電源的工作原理。本文作者還完成了原理圖和 PCB 板的設(shè)計(jì)以及硬件調(diào)試。第一類是發(fā)電機(jī)，它是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，通過原動(dòng)機(jī)先把各類一次能源蘊(yùn)藏的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電能，經(jīng)輸、配電網(wǎng)絡(luò)送往各工礦企業(yè)、城市、家庭等各種用電場合。另外的區(qū)別是使用的電源不同。電流每變化一個(gè)周期，旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度與電流的變化是同步的。當(dāng)單相正弦電流通過定子繞組時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場，這個(gè)磁場的強(qiáng)弱和方向隨時(shí)間作正弦規(guī)律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個(gè)磁場是交變脈動(dòng)磁場。隨著電力電子技術(shù)、微控制器及控制理論的快速發(fā)展, 近年來交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。目前變頻調(diào)速是交流調(diào)速發(fā)展的主流, 已成為電力傳動(dòng)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。從世界銷售市場統(tǒng)計(jì)，各類電機(jī)年總銷售額為300億美元，小功率電動(dòng)機(jī)占了1/3。在國際市場上，電機(jī)是機(jī)電產(chǎn)品的重要組成部分，每年的世界貿(mào)易額約為35億美元。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。我國是一個(gè)發(fā)展中國家，許多產(chǎn)品的科研開發(fā)能力仍落后于發(fā)達(dá)國家。 國內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當(dāng)今國際上先進(jìn)的產(chǎn)品，國內(nèi)的成套部分在自行設(shè)計(jì)制造的成套裝置中采用外國進(jìn)口公司和合資企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備，自己開發(fā)應(yīng)用軟件，能為國內(nèi)外重大工程項(xiàng)目提供一流的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。2) 負(fù)載換流式電流型晶閘管逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。3) 交交變頻器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。功率部分國產(chǎn)，數(shù)字控制裝置進(jìn)口，包括開發(fā)應(yīng)用軟件。大型船舶電力推進(jìn)，大型熱軋和冷軋交流傳動(dòng)，高速鐵路牽引傳動(dòng)，以及風(fēng)機(jī)水泵高壓變頻節(jié)能傳動(dòng)等等。國際上具有生產(chǎn)、研制新型大功率變頻調(diào)速裝置能力的均是世界知名的大電工電氣公司，由于他們在電力電子技術(shù)發(fā)展的過程中一直是按部就班進(jìn)行的，形成了從功率半導(dǎo)體器件到整機(jī)生產(chǎn)的全套工業(yè)環(huán)節(jié)，市場慣性和企業(yè)本身的龐大機(jī)構(gòu)使得他們不會(huì)馬上轉(zhuǎn)產(chǎn)全新的產(chǎn)品。 課題研究內(nèi)容目前，單相電機(jī)調(diào)速大多通過降壓來實(shí)現(xiàn)，本課題希望通過單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單相交流電機(jī)的 V/F 調(diào)速功能，從而使系統(tǒng)的性能得到顯著的提高。 課題研究意義單相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低廉，使用維護(hù)方便，在小功率電機(jī)應(yīng)用方面，如電冰箱、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)等家用電器，汽車附件等領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位 [11]。近年來，由于微處理機(jī)和大功率晶體管（GTR）的應(yīng)用，交流調(diào)速技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，且大有在調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)，大批取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢。用單片機(jī)作為電動(dòng)機(jī)的核心控制元件，可避免傳統(tǒng)的調(diào)速方案中的一些缺點(diǎn),達(dá)到提高控制精度的目的 [12],[13]。因此，對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源及其驅(qū)動(dòng)控制方式進(jìn)行應(yīng)用性研究，做出適合單相電機(jī)運(yùn)行特性的電源電路及驅(qū)動(dòng)電路，不僅具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。 （a） （b） 圖 11 單相電機(jī)變頻調(diào)速原理圖系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和硬件配置由整流電路、開關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、橋式MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和 PIC 單片機(jī)等組成，本次設(shè)計(jì)采用了 PIC 單片機(jī)，Microchip 公司推出的 PIC 系列單片機(jī)最大的特點(diǎn)是：不搞單純的功能堆積,而是從實(shí)際出發(fā)重視產(chǎn)品的性能與價(jià)格比,靠發(fā)展多7種型號(hào)來滿足不同層次的應(yīng)用要求；精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高。8第 2章 開關(guān)電源簡介 開關(guān)電源簡介開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制 IC 和MOSFET 構(gòu)成。開關(guān)電源具有工頻變壓器所不具備的優(yōu)點(diǎn)，新型、高效、節(jié)能的開關(guān)電源代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，因?yàn)殚_關(guān)電源內(nèi)部工作于高頻率狀態(tài)，本身的功耗很低，電源效率就可做得較高，一般均可做到 80%，甚至接近 90%。交流電源輸入時(shí)一般要經(jīng)過厄流圈一類的東西,過濾掉電網(wǎng)上的干擾,同時(shí)也9過濾掉電源對電網(wǎng)的干擾；在功率相同時(shí),開關(guān)頻率越高,開關(guān)變壓器的體積就越小,但對開關(guān)管的要求就越高；開關(guān)變壓器的次級(jí)可以有多個(gè)繞組或一個(gè)繞組有多個(gè)抽頭,以得到需要的輸出；一般還應(yīng)該增加一些保護(hù)電路,比如空載、短路等保護(hù),否則可能會(huì)燒毀開關(guān)電源。 開關(guān)電源的三個(gè)條件1) 開關(guān)：電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)而不是線性狀態(tài)；2) 高頻：電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻；3) 直流：開關(guān)電源輸出的是直流而不是交流。 DC/DC變換DC/DC 變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。3) Buck－Boost 電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓 U0 大于或小于輸入電壓 Ui，極性相反，電感傳輸。當(dāng)今軟開關(guān)技術(shù)使得 DC/DC 發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國 VICOR 公司設(shè)計(jì)制造的多種 ECI 軟開關(guān) DC/DC 變換器，其最大輸出功率有 300W、600W、800W 等，相應(yīng)的功率密度為(、17)W/cm3，效率為（80～90）％。 AC/DC 變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。開關(guān)電源模塊作為一種電力電子集成器件，在選用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。 保護(hù)電路開關(guān)電源在設(shè)計(jì)中必須具有過流、過熱、短路等保護(hù)功能，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首選保護(hù)功能齊備的開關(guān)電源模塊，并且其保護(hù)電路的技術(shù)參數(shù)應(yīng)與用電設(shè)備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設(shè)備或開關(guān)電源。分布式供電系統(tǒng)因供電單元靠近負(fù)載，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，供電質(zhì)量好，傳輸損耗小，效率高，節(jié)約能源，可靠性高，容易組成 N＋1 冗余供電系統(tǒng)，擴(kuò)展功率也相對比較容易。在推挽和全橋拓?fù)渲锌赡艹霈F(xiàn)單向偏磁飽和，使開關(guān)管損壞，而半橋電路因?yàn)榫哂凶詣?dòng)抗不平衡能力，所以就不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題。電流控制型的 50W 開關(guān)電源的輸出紋波在 25mV 左右，遠(yuǎn)優(yōu)于電壓控制型。在一定的應(yīng)力水平下，元器件的失效率會(huì)大大下降。2) 多采用集成電路，減少分立器件的數(shù)目。禁止選用塑料封裝的器件。149) 吸收電容器與開關(guān)管和輸出整流管的距離應(yīng)當(dāng)很近，因流過高頻電流，故易升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。關(guān)于降額設(shè)計(jì)：電子元器件的基本失效率取決于工作應(yīng)力(包括電、溫度、振動(dòng)、沖擊、頻率、速度、碰撞等)。不同的元器件降額標(biāo)準(zhǔn)亦不同，實(shí)踐表明，大部分電子元器件的基本失效率取決于電應(yīng)力和溫度，因而降額也主要是控制這兩種應(yīng)力，以下為開關(guān)電源常用元器件的降額系數(shù)：1) 電阻的功率降額系數(shù)在 ～ 之間。市電經(jīng)過由整流橋組成的橋式全波整流電路，成為脈動(dòng)直流。圖 31 全波整流濾波電路 橋式整流電路變換器的最大輸出功率設(shè)計(jì)為 500W，效率為 η= 90%，則輸入功率: Pin=500/=555 （W） （31）所以輸入整流橋電流的有效值為： Pin/220= （A） （32）在實(shí)際使用中，考慮電流的足夠裕量，整流濾波電路中的整流橋選用了 Mic KBPC609。20%或輸入電壓85V~265V（110V－20%~220V＋20%）時(shí)的最高整流輸出電壓可以達(dá)到 370V，因此應(yīng)選擇額定電壓為 400V 的電解電容器或選擇兩只額定電壓為 200V（也可以是250V）的電解電容器串聯(lián)使用。通常濾波電容器的電容量在輸入電壓 220V177。每半個(gè)電源周波（10mS） ，整流器導(dǎo)電時(shí)間約 2mS（ms） ，其余 8mS 為濾波電容器放電時(shí)間，承擔(dān)向負(fù)載提供全部電流，即： （33）UtICO???220V177。 開關(guān)電源電路本文采用了半橋驅(qū)動(dòng)芯片 IR2153 和 LM7805 組成的開關(guān)電源。圖中 IR2153 利用 C6 和 D2 構(gòu)成自舉供電方式，直接驅(qū)動(dòng)高端、低端功率管。電路中通過 7805 進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到+5V 的電壓。 圖 33 IR2153 引腳排列圖VCC：低端邏輯和內(nèi)部MOS管的門極驅(qū)動(dòng)電源電壓；RT： 振蕩器定時(shí)電阻輸入端（此端電壓波形與半橋高端HO相同）；CT： 振蕩器定時(shí)電容輸入端；COM：低端返回端；LO： 低端門極驅(qū)動(dòng)輸出端；VS： 高端浮動(dòng)電源返回端；HO： 高端門極驅(qū)動(dòng)輸出端；VB： 高端MOS管門極驅(qū)動(dòng)浮動(dòng)電源。芯片內(nèi)部設(shè)有死區(qū)時(shí)間控制,死區(qū)時(shí)間通常設(shè)為 ，以免高低側(cè)在交替?導(dǎo)通時(shí)刻產(chǎn)生直通現(xiàn)象。IR2153 的開通時(shí)間為 80ns，關(guān)斷時(shí)間為 35ns， 為 75Ω，并具有輸出關(guān)斷功能，輸出關(guān)斷SR滯后時(shí)間為 660ns。另外，輸出脈沖的寬度保持相等，一旦 Vcc上升到欠壓閉鎖閾值，驅(qū)動(dòng)器能以更加穩(wěn)定的頻率開始起振。它的全稱是可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器（俗稱可調(diào)穩(wěn)壓管）。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為 ，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，?例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路，可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。（TL431 在電路中的作用與工作原理沒有說明）一、TL431 的引腳及主要參數(shù)TL431是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路。 圖 35 TL431封裝形式 3個(gè)引腳分別為陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）和參考端REF。 圖 36 TL431功能模塊示意圖由圖可以看出 VI 是一個(gè)內(nèi)部的 基準(zhǔn)電壓，接在運(yùn)放的反相輸入端。但是, 當(dāng)再增加 VREF 電壓時(shí), 陰極電壓基本停留在 左右, 不再下降。LED1 為指示燈。所以, 要十分引起注意。根據(jù)圖29的TL431使用特性曲線,在TL431設(shè)計(jì)規(guī)程里規(guī)定其陰極電流設(shè)計(jì)需大于1mA， 典型使用陰極電流為10mA。LM7805是常用的三端穩(wěn)壓器，一般使用的是TO220封裝，能提供DC 5V的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣，內(nèi)含過流和過載保護(hù)電路。此外它還有過熱和過壓保護(hù)電路。一般我們在使用三端穩(wěn)壓器比如LM7805等時(shí)，輸入端輸出端都要接電容，那么他們各起什么作用呢？輸入端接電容器其實(shí)相當(dāng)于平滑電容，起到一個(gè)濾波的作用，提高IC工作的穩(wěn)定性。 輸出整流濾波電路輸出整流濾波電路是通過快恢復(fù)整流二極管的整流和濾波電感及濾波電容將高頻變壓器輸出的高頻交變電壓或電流變換成符合要求的輸出電壓或電流。第 4章 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與分析 驅(qū)動(dòng)電路原理圖本文中驅(qū)動(dòng)電路采用六只功率開關(guān)管 MOSFET（IRFP460)，以 IR 公司的IR2130 作為接口驅(qū)動(dòng)芯片。IR2130具有電流反饋和過流、欠壓保護(hù)功能，內(nèi)部集成電流比較器CC和電流24放大器CA，電流檢測由跨接于Vss和Vso之間的無感取樣電阻來實(shí)現(xiàn)，從而省去了通常驅(qū)動(dòng)電路的電流反饋所需要的外部電流放大器和過流檢測所需的外部比較器。 功率器件在全控型器件中，IGBT 和功率 MOSFET 具有輸入阻抗高、開關(guān)頻率高、通態(tài)電壓低、熱穩(wěn)定性好，是本系統(tǒng)的首選。它是電壓型器件，功率增益高，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡單。短時(shí)過載電流一般為額定值的 4