【正文】 效率盡可能為100％然而目前在各個(gè)領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的整流電路幾乎都是晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。二極管整流電路雖然位移因數(shù)接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)也很低。直流側(cè)所采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴(yán)重的諧波污染源。還有一種帶斬波的二極管整流電路也可獲得接近1的功率因數(shù)，并已在各種開關(guān)電源中獲得廣泛的應(yīng)用【17】。關(guān)于PWM 整流各種技術(shù)方案的研究在我國已持續(xù)多年,但是,實(shí)用性的技術(shù)方案,尤其是適合于大功率整流的簡單實(shí)用性方案仍是人們探討的問題之一。PWM整流器按其主電路拓樸結(jié)構(gòu)分類有單開關(guān)與多開關(guān)型, 根據(jù)輸入電源相數(shù)分為單相和三相PWM整流電路, 按電路結(jié)構(gòu)和特性分為電壓源型和電流源型。綜上所述, 目前PWM整流器研究主要是探索新的電路拓?fù)浜腿绾翁岣哒髌鞯姆€(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。目前, 數(shù)字PWM 技術(shù)以其控制靈活、高效節(jié)能等優(yōu)勢, 被廣泛應(yīng)用于分時(shí)多路復(fù)用系統(tǒng)、射頻傳輸、光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、通信系統(tǒng)和數(shù)字音頻系統(tǒng)?，F(xiàn)在，PWM 控制電路已朝著模塊化、集成化的方向發(fā)展以及數(shù)字PWM 技術(shù)也不斷向著高頻化發(fā)展。PWM控制技術(shù), 從最初追求電壓波形的正弦,到電流波形的正弦, 再到磁通的正弦。到目前為止, 設(shè)計(jì)人員繼續(xù)努力地追求控制電路的全數(shù)字化實(shí)現(xiàn), 展望未來, 數(shù)字PWM 的研究將更加深入, 引領(lǐng)各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)入數(shù)字化的時(shí)代【18】。在美國德州儀器公司(TI)、Primarion和iWatt 等半導(dǎo)體企業(yè)的推動(dòng)下, 數(shù)字電源技術(shù)正獲得更廣泛的關(guān)注。業(yè)界很多公司都比較認(rèn)同TI 對(duì)數(shù)字電源所下的定義： 數(shù)字電源就是數(shù)字化控制的電源產(chǎn)品, 它能提供配置、監(jiān)控和管理功能, 并延伸到對(duì)整個(gè)回路的控制【21】。數(shù)字電源系統(tǒng)具有數(shù)字化控制的電源轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)層面的電源管理和可編程性等特色?！皵?shù)字電源管理”是指對(duì)電壓和電流等電源輸出進(jìn)行配置。如今, 大量的電源管理和一些電源控制功能是通過電源管理總線(PMBus)來實(shí)現(xiàn)的, PMBus 是系統(tǒng)管理接口論壇所擁有的一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)【21】。本課題主要任務(wù)為硬件設(shè)計(jì)。課題設(shè)計(jì)內(nèi)容要求：（1）設(shè)計(jì)輸入為380V三相交流，輸出為100A/300V直流的PWM 極化電源。 （3）CPU采用89C52單片機(jī)為核心。（5）設(shè)計(jì)直流電流、電壓、給定輸入通道，并備用一路。（7）設(shè)計(jì)32K的RAM，作為記錄數(shù)據(jù)用。（9）顯示與鍵盤電路。（11）硬件要分塊設(shè)計(jì)，每一個(gè)設(shè)計(jì)要原理圖。（13）通道的設(shè)計(jì)要有精度計(jì)算。（15）翻譯一篇與設(shè)計(jì)有關(guān)英文資料。第一章為概述，主要是對(duì)課題來源及研究意義、課題研究的相關(guān)發(fā)展背景、課題的總體要求及規(guī)劃進(jìn)行了了說明；第二章對(duì)極化電源主電路包括整流主電路和控制電路的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)的論證，并對(duì)極化電源主電路進(jìn)行了MATLAB仿真，還根據(jù)電路的實(shí)際需要提出了PWM控制與驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案；第三章介紹了PWM控制與驅(qū)動(dòng)電路及CPU與存儲(chǔ)器擴(kuò)展設(shè)計(jì)，包括PWM控制與驅(qū)動(dòng)電路、CPU核心AT89C52的介紹，存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路；第四章介紹了I/O擴(kuò)展電路及外部電路擴(kuò)展設(shè)計(jì)，包括I/O擴(kuò)展電路、A/D轉(zhuǎn)換器MAX197的介紹和精度計(jì)算、輸入通道的設(shè)計(jì)、鍵盤和顯示電路、RS485通訊電路、電源電路以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的抗干擾措施；第五章對(duì)本論文的結(jié)論進(jìn)行概述和討論。這里采用了PWM電路，通過對(duì)輸出電流、電壓采樣與單片機(jī)給定的值比較，得到一個(gè)誤差值，再通過PID調(diào)節(jié)器計(jì)算出功率組件(IGBT)的占空比，由PWM電路控制功率組件（IGBT）以此占空比開通或截止，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電流或電壓的目的。顯然，隨著氧化時(shí)間延長，最初給定的電流密度，將隨著膜層的生長、被氧化面積的減少等因素而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，在間隔時(shí)間內(nèi)，實(shí)際電流密度并不是工藝規(guī)定的特定數(shù)值，即傳統(tǒng)的工藝參數(shù)與實(shí)際操作中的氧化參數(shù)是不相符的。本文介紹一種基于單片機(jī)全數(shù)字化閉環(huán)PID調(diào)節(jié)PWM控制的極化電源，該電源可實(shí)現(xiàn)輸出多種工藝的電流，并對(duì)不同材料進(jìn)行加工，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。目前實(shí)際中應(yīng)用較多的是三相PWM整流器。穩(wěn)壓電路是采用新一代大功率器件IGBT實(shí)現(xiàn)的降壓斬波電路。本文在三相單開關(guān)Buck型PWM整流的基礎(chǔ)上，采用諧波對(duì)消與數(shù)字PWM技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)方案，較好解決了輸入電流諧波和輸出電壓瞬態(tài)偏離問題，且實(shí)現(xiàn)簡單【17】。 數(shù)字控制電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制電路硬件設(shè)計(jì)方案。它是一種低功耗、高性能，片內(nèi)含8KB內(nèi)存的8位單片機(jī)，與MCS—51單片機(jī)兼容。（3）數(shù)據(jù)采集：采用MAX197進(jìn)行多路數(shù)據(jù)采集（電壓、電流、溫度等）。（5）模擬輸入通道：電路中反饋電壓、電流等模擬量經(jīng)過AD620轉(zhuǎn)換成數(shù)字量接入數(shù)據(jù)采集端口。（7）電源監(jiān)控及看門狗：采用了一片MAX813L芯片構(gòu)成電源監(jiān)控及看門狗電路以提高系統(tǒng)工作的可靠性。 軟件設(shè)計(jì)方案 單片機(jī)程序有主程序和若干子程序組成。還有幾個(gè)主要的功能模塊：A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字濾波模塊、顯示模塊、通訊模塊、PWM占空比調(diào)制模塊等。系統(tǒng)開機(jī)后，首先執(zhí)行初始化程序，包括各標(biāo)志位的設(shè)置、自檢等。（a）為主程序流程圖，（b）為中斷服務(wù)程序流程圖。AC—DC變換電路采用的是三相不可控二極管橋式整流電路，DC—DC變換電路采用的是Buck型斬波電路。在橋式電路中，當(dāng)某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè)，該線電壓向負(fù)載供電。本電源系統(tǒng)輸入為380V交流，輸出為100A直流。流過電感L的電流最大值 公式（）式中，為負(fù)載電阻；為負(fù)載電流；為占空比；為開關(guān)周期【4】。算得，則開關(guān)管VT和續(xù)流二極管VD的電壓定額為 公式（）開關(guān)管VT和續(xù)流二極管VD的電流定額為 公式（）濾波電感的計(jì)算，由 公式（）得濾波電感量為 公式（）當(dāng)=，L最大【4】。續(xù)流二極管選用硅二極管2CZ200A/N，其承受的最大反向電壓1200V，最大平均電流為200A。在仿真中，我們采用通用的不可控二極管橋式模塊，并由脈沖發(fā)生器Pulse來產(chǎn)生IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)。模型中連接了多個(gè)示波器，用于觀察線路中各部分電壓和電流波形，并且通過傅里葉分析來檢測輸出電壓的直流分量和諧波。 主電路MATLAB仿真模型線路圖仿真電路中，設(shè)置模型參數(shù)如下：(1) 電源參數(shù)設(shè)置：三相電源的線電壓峰值為380*sqrt(2),頻率為50Hz(2) 輸出端濾波電感參數(shù)：橋式不可控輸出濾波環(huán)節(jié)C=1560μF，濾波電感量L=1mh。仿真步驟如下：（1）在模型中設(shè)置參數(shù)，設(shè)置脈沖發(fā)生器脈沖周期T=，脈沖寬度為56％，IGBT和二極管的參數(shù)可以保持默認(rèn)值。啟動(dòng)仿真。仿真結(jié)果如下：示波器scope2中顯示了輸出電壓和輸出電流波形，其中輸出電壓在300V電壓附近小幅震蕩，并逐漸趨于穩(wěn)定。在試驗(yàn)中，也通過傅里葉分析來檢測輸出電壓和輸出電流的直流分量，由圖可知，電路輸出直流電壓和輸出直流電流分別趨于穩(wěn)定在300V和100A。 輸出電壓和電流的直流分量同時(shí)，示波器scope1中顯示了流過續(xù)流二極管和開關(guān)管的電流idv和ig的波形。 由于單片機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進(jìn)行連續(xù)控制。 電流閉環(huán)控制對(duì)輸出電流采用增量式PID控制，其算法如式： 公式（）其中為給定電流與反饋電流之差。 電壓閉環(huán)控制對(duì)輸出電流采用增量式PID控制，其算法如式： 公式（）其中為給定電壓與反饋電壓之差。 MATLAB下的電流閉環(huán)仿真MATLAB是控制系統(tǒng)的一種分析和仿真軟件，利用它可以方便準(zhǔn)確的對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，為了驗(yàn)證數(shù)字PID算法在本控制方案中的可靠性。 PID調(diào)節(jié)后的輸出電壓和輸出電流的波形，（a）（b）。 本文介紹了運(yùn)用數(shù)字PID算法結(jié)合數(shù)字PWM控制實(shí)現(xiàn)電源的穩(wěn)定直流輸出電壓或電流控制的方案，并運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真，證明了系統(tǒng)的可行性。 PWM控制的設(shè)計(jì)方案論證隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而本文介紹的是在極化電源應(yīng)用采用的脈寬PWM法?？梢酝ㄟ^調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制輸出電流的目的。本方法所要求的單片機(jī)的工作速度盡量快。 優(yōu)點(diǎn)： 簡化了PWM的硬件電路，降低了硬件的成本。缺點(diǎn)：開關(guān)導(dǎo)通實(shí)時(shí)性差。本設(shè)計(jì)中采用占空比、死區(qū)時(shí)間、工作頻率等參數(shù)可由微處理器送來的數(shù)據(jù)控制的數(shù)字式PWM集成控制器IXDP610，本PWM控制芯片的工作頻率可以達(dá)到300kHz。本系統(tǒng)單片機(jī)通過數(shù)據(jù)輸入通道采集實(shí)際電壓/電流信號(hào)，根據(jù)該信號(hào)在其內(nèi)部采用數(shù)字PID算法對(duì)PWM占空比進(jìn)行調(diào)整，并傳送給IXDP610占空比寄存器從而控制開關(guān)管按要求開通或截止，以達(dá)到輸出電壓電流的閉環(huán)控制。 IXDP610數(shù)字式PWM控制器、功能和主要特點(diǎn)德國IXYS公司新近推出了數(shù)字式PWM控制器IXDP610，該控制器的占空比、死區(qū)時(shí)間、工作頻率等參數(shù)可由微處理器送來的數(shù)據(jù)控制。IXDP610采用雙列直插式18引腳標(biāo)準(zhǔn)集成電路封裝，各引腳的名稱、功能可介紹如下：引腳D0~D7八位數(shù)據(jù)輸入總線，只用于數(shù)據(jù)輸入。引腳9 GND芯片工作參考地端，使用中與用戶給該芯片供電的電源地端相連。引腳12 VCC整個(gè)芯片工作的電源連接端，接用戶給該芯片供電的直流電源。引腳14 ，輸出脈沖禁止端，低電平有效，在該端接低電平時(shí)，兩脈沖輸出端被置為低電平，使用中接用戶保護(hù)電路的輸出。引腳16 異步系統(tǒng)復(fù)位端，在該端接低電平時(shí)，整個(gè)內(nèi)存芯片被復(fù)位，輸出變?yōu)榈碗娖?，工作模式設(shè)為8位，內(nèi)部頻率除法器不起作用，為直通，控制寄存器數(shù)據(jù)變?yōu)?1000111，死區(qū)時(shí)間變?yōu)樽畲?。引腳17 ，整個(gè)芯片的寫控制端，使用中與單片機(jī)或微機(jī)系統(tǒng)的寫控制端線相連。其主要特點(diǎn)如下：（1）兼容于微處理器總線，IXDP610的控制信號(hào)D0~DSEL、和CLK信號(hào)都是TTL電平，可以直接和微處理器的數(shù)據(jù)總線、控制總線相連。（3）占空比可以在0~100％之間動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制。（5）開關(guān)頻率可達(dá)300KHZ（6）死區(qū)時(shí)間可編程，以防止開關(guān)管重疊導(dǎo)通。（8）輸出可受軟件控制，全部變?yōu)榈碗娖健ｉ_關(guān)頻率由外部時(shí)鐘頻率、內(nèi)部頻率除法器的狀態(tài)以及脈寬計(jì)數(shù)器控制。如果/8=0，DIV=0（選擇7位工作模式，頻率除法器為直通），PWM信號(hào)周期為時(shí)鐘周期乘上128；如果/8=0，DIV=1（頻率除法器為二分頻），PWM信號(hào)周期為256倍的時(shí)鐘周期。如果=，/8=0，DIV=0，則開關(guān)頻率就是300KHZ【8】。由于功率管的關(guān)斷需要一定的時(shí)間。 控制鎖存器的位定義位名稱功能描述Bit0DT0死區(qū)時(shí)間設(shè)置位，所有的組合都有效。Bit1DT1Bit2DT2Bit3保留，一般置為0Bit4LOCK為1時(shí)，控制鎖存器（除stop位外）禁止訪問Bit5DIV決定內(nèi)部頻率除法器的工作，為1時(shí)頻率除法器為二分頻器，為0時(shí)，頻率除法器為直通Bit6/8脈沖寬度計(jì)數(shù)器7位/8位選擇，為0時(shí)，計(jì)數(shù)器為7位，為1時(shí)，計(jì)數(shù)器為8位。占空比基本上由占空比鎖存器的予設(shè)置決定。當(dāng)采用7位模式工作時(shí)，占空比=PW數(shù)/128100％當(dāng)采用8位模式工作時(shí)，占空比=PW數(shù)/256100％式中，PW數(shù)為占空比計(jì)數(shù)器的予設(shè)值。以上式中可以看出，采用8位模式時(shí)，占空比的控制精度比7位模式高一倍，但是在相同的時(shí)鐘頻率下開管頻率則低一倍。當(dāng)由低變高后，不會(huì)立即輸出信號(hào)，要等到下一個(gè)PWM周期開始時(shí)才會(huì)輸出信號(hào)。當(dāng)=0時(shí)，輸出OUT1和OUT2變?yōu)榈碗娖剑虼?，該DPWM的輸出受和雙重控制，由于STOP是通過命令寫入的，因此又稱為軟禁止。GND：電源地線。 EXB841驅(qū)動(dòng)器1. IGBT驅(qū)動(dòng)電路主要設(shè)計(jì)要求在工業(yè)應(yīng)用中，對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的主要要求有：（1）動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖。一般取+15V 左右的正向柵壓比較恰當(dāng)，取5V的反向柵壓讓IGBT能可靠截止。IGBT柵極極限電壓一般為,驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此范圍可能破壞柵極。2. EXB841管腳引線功能簡介。構(gòu)成應(yīng)用電路是該端通過一個(gè)限流電阻連接于外部IGBT的柵極4用于連接外部電容，以防止過流保護(hù)電路誤操作（絕大部分場合不需要電容）5過流保護(hù)輸出端6集電極電壓監(jiān)視器7，8，10，11空腳9輸入電源電壓的接地端14驅(qū)動(dòng)信號(hào)的負(fù)相輸出端15驅(qū)動(dòng)信號(hào)的正相輸出端（1）工作頻率可達(dá)40KHZ（2）內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)具有2500Vac/m高隔離度的光耦合器。（5）外形封裝設(shè)計(jì)成具有高密度安裝的SIL型封裝。因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延遲時(shí)間，所以此混合型IC特別適合工作于高約40KHZ的開關(guān)頻率。 EXB841的典型應(yīng)用電路在不同的開關(guān)頻率下，當(dāng)應(yīng)用電路輸出功率不同時(shí)，所對(duì)應(yīng)的柵極串聯(lián)電阻Rg和耗散電流Icc有所不同，供設(shè)計(jì)參考【9】。 PWM控制與驅(qū)動(dòng)電路的接線圖圖中，EXB841產(chǎn)生的過流保護(hù)信號(hào)接在IXDP610的控制端，當(dāng)EXB841發(fā)生過流故障時(shí)，過流保護(hù)輸出端輸出低電平給端，兩脈沖輸出端被置為低電平，開關(guān)管截止。MAX7375為硅振蕩器，用于取代陶瓷諧振槽路、晶振或晶體振蕩器模塊，在微控制器和UART的3V、 5V應(yīng)用中用作時(shí)鐘源，可有效降低系統(tǒng)成本?？芍苯赢a(chǎn)生振蕩頻率，無需瑣相環(huán)(PLL)。與典型晶振和陶瓷諧振電路不同的是，MAX7375具有高度抗震和抗EMI特性。較寬的工作溫度范圍，使該款振蕩器非常適合室內(nèi)和汽車環(huán)