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畢業(yè)設(shè)計(jì)----基于微控制器的直流斬波器的設(shè)計(jì)-展示頁(yè)

2024-12-13 18:05本頁(yè)面
  

【正文】 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(jí)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(shí)的負(fù)載電流平均值 0I ,此時(shí)負(fù)載電流最小值和最大值等于平均值。 EETtEtt tU ????? onof fon onoREUi Moo ?? 第 7 頁(yè) 共 45 頁(yè) 7 圖 1 降壓斬波電路原理圖及波形 a)電路圖 b)電流連續(xù)時(shí)的波形 c)電流斷續(xù)時(shí)的波形 基于電力電子電路實(shí)質(zhì)上是分時(shí)段線性電路這一思想 ,降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(dòng)勢(shì) ,可列出如下方程: ( 13) 設(shè)此階段電流初值為 10I , RL/?? ,解上式得 ( 14) 在 IGBT 處于斷態(tài)期間 ,設(shè)負(fù)載電流為 2i , 可以列出如下方程: ( 15) 設(shè)此階段電流初值為 20I , 解上式得 ( 16) 當(dāng)電流連續(xù)時(shí) ,有 ( 17) tttOOOb)TEiGtonto f fio i1i2I10I20t1uoOOOtttTE Ec)iGiGtonto f fiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+MRLVDa)ioEMuoiGEERitiL ??? M11dd???????? ???? ?? ??tt eR EEeIi 1101 M???????? ??? ?? ??tt eREeIi 1202 M0dd M22 ??? ERitiL)( 2210 tiI ? 第 8 頁(yè) 共 45 頁(yè) 8 ( 18) 即 IGBT 進(jìn)入通態(tài)時(shí)的電流 初值就是 IGBT 在斷態(tài)階段結(jié)束時(shí)的電流值 , 反過(guò)來(lái) ,IGBT 進(jìn)入斷態(tài)時(shí)的電流初值就是 IGBT 在通態(tài)階段結(jié)束時(shí)的電流值。 2. 保持 開關(guān)導(dǎo)通時(shí)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。由波形可見,負(fù)載電壓 0U 平均值會(huì)被抬高,一般情況下不 允許出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。因此稱為 降壓 斬波電路。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí),負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等,如圖 1b 所示。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小通常使串接的電感 L 值較大。 由圖 1 b)中 V 的柵射電壓 GEU 波形可知, t =0 時(shí)刻驅(qū)動(dòng) V 導(dǎo)通,電源 E 向負(fù)載供電,射極電壓 0U =E ,負(fù)載電流 0i 按指數(shù)曲線上升。斬波電路的典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī),也可帶蓄電池負(fù)載,兩種情況下負(fù)載中均會(huì) 第 6 頁(yè) 共 45 頁(yè) 6 出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì),如圖中 ME 所示。該電路使用一個(gè)全控型器件 V,圖中為 IGBT,若采用半 控器件晶閘管,則需要設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。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]。本課題通過(guò)以降壓直流斬波器為案例,研究、設(shè)計(jì)以單片微機(jī)為核心的直流斬波器,實(shí)現(xiàn)直流電壓的斬波降壓控制。 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。直流斬波器可分為降壓型、升壓和升降壓混合型 [1],這里根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求擬以降壓型斬波器( Buck Chopper) 為案例進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)。因此近年來(lái)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。直流斬波器是 將一 種 直流電壓變換為 另一種 直流電壓的技術(shù), 這種技術(shù) 廣泛應(yīng)用于 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊、計(jì)算機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、工業(yè)儀器儀表、軍事、航天等領(lǐng)域,涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè) ,尤其 被應(yīng)用于無(wú)軌電車、地鐵、列車、船舶、 電動(dòng)車 等交通工具 ,具有加 速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能 , 并 達(dá) 到節(jié)約電能的效果。 關(guān)鍵詞: 直流斬波 單片機(jī) IGBT 脈寬調(diào)制 脈頻調(diào)制 驅(qū)動(dòng) 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(yè) 共 45 頁(yè) 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(diǎn),被廣泛用作直流變換器即 DC/DC[5] 。由于 89S52 的應(yīng)用 , 使系統(tǒng)具有外圍器件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、可靠性高等特點(diǎn),系統(tǒng)具備過(guò)壓過(guò)流保護(hù)策略。 第 1 頁(yè) 共 45 頁(yè) 1 學(xué)號(hào) : 02417114 畢業(yè)設(shè)計(jì) ( 06 屆) 題 目: 基于微控制器的直流斬波器的設(shè)計(jì) 學(xué) 生: 學(xué)院(系): 計(jì)算機(jī) 專 業(yè) 班 級(jí): 自動(dòng)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(yè) 共 45 頁(yè) 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(jì)算選型 主電路元件參數(shù)的計(jì)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(guò)電流和過(guò)電壓報(bào)警電路 過(guò)電流保護(hù)電路 過(guò)電流保護(hù)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(jī)的接口 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成及元件計(jì)算 5 信號(hào)的隔離與驅(qū)動(dòng) 信號(hào)的隔離與驅(qū)動(dòng)電路組成 驅(qū)動(dòng)電路基本功能 驅(qū)動(dòng)與隔離電路工作原理 信號(hào)驅(qū)動(dòng)與隔離電路參數(shù)計(jì)算 脈沖變壓器的計(jì)算 6 電源電路 電源電路組成 電源電路元件選擇 7 電路實(shí)驗(yàn) 8 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果 第 3 頁(yè) 共 45 頁(yè) 3 9 結(jié)束語(yǔ) 10 參考文獻(xiàn) 11 致謝 第 4 頁(yè) 共 45 頁(yè) 4 基于微控制器的直流斬波器的設(shè)計(jì) 摘要: 本文介紹一種基于 89S52 單片機(jī)控制的直流斬波電路的組成和控制原理、設(shè)計(jì)方法及組成系統(tǒng)的軟、硬件。本設(shè)計(jì)以單片微機(jī)為核心的直流斬波器實(shí)現(xiàn)直流電壓的斬波降壓控制,斬波開關(guān)元件采用電力電子器件 IGBT。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電路性能穩(wěn)定,工作可靠,達(dá)到預(yù)期要求。 DCDC變換器可分為兩種基本類型 :非隔離型 (輸入源和負(fù)載共用一個(gè)公共端 )和隔離型 (能量轉(zhuǎn)換是用一個(gè)變壓器藕合實(shí)現(xiàn)的 )。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]。隨著以電能為動(dòng)力的交通工具及其它電氣設(shè)備的發(fā)展,直流斬波器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,對(duì)其性能、功能的要求越來(lái)越高,但在斬波器的控制電路方面仍是以分立元件及厚膜電路為主,因此研究以微控制器為核心的直流斬波器對(duì)于其性能的提高和功能的豐富頗有意義。 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(shí)掌握在此基礎(chǔ)上的信號(hào)驅(qū)動(dòng)與隔離方案及電磁兼容( MEC)效果,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)近于實(shí)用的直流斬波器的完整電路設(shè)計(jì),包括控制程序、電力電子器件驅(qū)動(dòng)、信號(hào)隔離、電磁兼容等。由于電力電子器件制造技術(shù) 的發(fā)展,直流斬波器中功率器件的性能已解決,而隨著微控制器(處理器)技術(shù)的迅速發(fā)展,各種功能強(qiáng)大價(jià)格低廉的微控制器不斷推出,微控制器與電力電子器件的結(jié)合構(gòu)成新型直流斬波器是必然趨勢(shì),也是最為靈活的配置方案。 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(guò)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(jìn)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)。 降壓斬波電路 [1] 降壓斬波電路( Buck Chopper)的原理圖及工作波形如圖 1 所示。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。若負(fù)載中
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