【正文】 T 實(shí)現(xiàn)調(diào)壓與穩(wěn)壓，而用單片機(jī)控制整個(gè)電源的工作。進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集功能、人機(jī)交互功能、告警功能、控制功能、通信功能等，系統(tǒng)電路原理圖的設(shè)計(jì)、印制板的布線等工作。 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 2 PWM 整流技術(shù)的現(xiàn)狀 PWM 整流研究概述 經(jīng)過(guò)幾十年的研究與發(fā)展， PWM 整流技術(shù)己日趨成熟， PWM 整流器主電路己從早期的半控型器件橋路發(fā)展到如今的全控型器件橋路 。PWM 開(kāi)關(guān)控制由單純 的硬開(kāi)關(guān)調(diào)制發(fā)展到軟開(kāi)關(guān)調(diào)制 。當(dāng)前對(duì) PWM 整流器的研究主要是以下幾個(gè)方面 (1)關(guān)于 PWM 整流器的建模研究 PWM 整流器數(shù)學(xué)模型的研究是 PWM 整流器及其控制技術(shù)研究的基礎(chǔ)。而 m和 Dong 丫 Hu等則利用局部電路的 dq 坐標(biāo)變換建立了 PWM 整流器基于變壓器的低頻等效模型電路，并給出了穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析。 (2)關(guān)于 PWM 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究 PWM 整流器經(jīng)過(guò) 20 多年的探索和研究，取得 了很大的進(jìn)展。PWM 開(kāi)關(guān)控制由單純的硬開(kāi)關(guān)控制發(fā)展到軟開(kāi)關(guān)控制 。 對(duì)于不同功率等級(jí)以及不同的用途，人們研究了各種不同的 PWM 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，一般的電壓型 PWM 整流器為 Boost 變換器，正常工作時(shí)，其直流側(cè)電壓須高于交流側(cè)電壓峰值， Ching 一 TsaiPan 等學(xué)者對(duì)一般的 PWM 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并取得了一定的結(jié)果。對(duì)于大功率 PWM 整流器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、整流器組合和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)上。而對(duì)大電流應(yīng)用場(chǎng)合，常采用整流器組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即將獨(dú)立的電流型 PWM 整流器進(jìn)行并聯(lián)組合。與此相似，也可將獨(dú)立的電壓型 PWM 整流器進(jìn)行串聯(lián)移相組合 ,以適應(yīng)高壓大容量的應(yīng)用場(chǎng)合。而電流型 PWM 整流器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)研究相對(duì)較少，有待進(jìn)一步研究。在 PWM 整流器技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，電壓型 PWM 整流器網(wǎng)側(cè)電流控制策略主要分成兩類(lèi) :一類(lèi)是間接電流控制策略 。 間接電流控制實(shí)際上就是所謂的“幅相”電流控制，即通過(guò)控制電壓型 PWM 整流器的交流側(cè)電壓基波幅值、相位，進(jìn)而間接控制其網(wǎng)側(cè)電流。 直接電流控制是一種電流瞬態(tài)跟蹤控制方法，由運(yùn)算求出交流側(cè)電流指令信號(hào)，再引入交流側(cè)電流反饋，通過(guò)對(duì)交流側(cè)電流的直接控制使 其跟蹤指令電流值。在電流內(nèi)環(huán)中，通過(guò)對(duì)功率因數(shù)角的控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功功率的控制。外環(huán)電壓穩(wěn)定與否取決于內(nèi)環(huán)電流能否快速準(zhǔn)確地跟蹤電流給定。 在對(duì) PWM 整流器的研究過(guò)程中，出現(xiàn)了一些較為新穎的控制策略 : 1)PWM 整流器的時(shí)間最優(yōu)控制 常規(guī)的 dq 模型的電壓型 PWM 整流器控制，一般通過(guò)前饋解藕控制，并采用兩個(gè)獨(dú)立的 PI調(diào)節(jié)器，分別控制相應(yīng)的有功、無(wú)功分量。針對(duì)這一問(wèn)題，有學(xué)者提出了直流電壓時(shí)間最優(yōu)控制，其基本方法是根據(jù)時(shí)間最優(yōu)控制算法求解出跟蹤指令電流所需的最優(yōu)控制電壓，并在動(dòng)態(tài)過(guò)程中降低無(wú)功分量的響應(yīng)速度，提高有功分量 的響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間最優(yōu)控制，這也是本文所要借鑒和采用的控制策略。這一研究主要包括兩類(lèi)電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)重構(gòu)方案 :一種是通過(guò)功率估計(jì)，另一種是通過(guò)電流的偏差求導(dǎo)重構(gòu)電動(dòng)勢(shì)。 3)電網(wǎng)不平衡條件下的 PWM 整流器控制 一般的策略研究總是假設(shè)電網(wǎng)是平衡的。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)不平衡時(shí)，以三相電網(wǎng)平衡為約束所設(shè)計(jì)的整流器會(huì)出現(xiàn)不正常運(yùn)行，表現(xiàn)為 :PWM 整流器直流側(cè)電壓和交流側(cè)的低次諧波幅值增大，且產(chǎn)生非特征波形，同時(shí)損耗相應(yīng)增大。 4)對(duì)電流型 PWM整流器的進(jìn)一步研究 隨著超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，電流型 PWM 整流器克服了自身的一些缺陷，在近些年里取得了成功應(yīng)用。目前，電流型 PWM整流器的研究主要集中在數(shù)學(xué)建模及特征分析、網(wǎng)側(cè)電流畸變和諧振抑制及控制策略、網(wǎng)側(cè)濾波參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和不平衡電網(wǎng)條件 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 PWM 整流的基本原理 在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。而與之相關(guān)的面積等效原理，它是 PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。而當(dāng) PWM 整流器向電網(wǎng)傳輸電能時(shí)，則運(yùn)行于有源逆變工作狀態(tài)。當(dāng) PWM 整流器運(yùn)行于有源逆變狀態(tài)時(shí)，其網(wǎng)側(cè)電壓、電流反相 (負(fù)阻特性 )。 (2)功率因數(shù)可控或?yàn)閱挝还β室驍?shù) 。 (4)諧波抑制能力強(qiáng)。三相整流器的 8種開(kāi)關(guān)模式如 表 21 所示。 O， i。 O 時(shí)的 PWM 控制對(duì)應(yīng) 8種開(kāi)關(guān)模式的電流回路。具體到圖 22g 所示情形，模式 6為電感儲(chǔ)能，模式 5 為電容充電，通過(guò)電壓 閉環(huán)控制，改變 PWM 波的調(diào)制度或調(diào)節(jié)不同模式下的占空比即可對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)或者是當(dāng)負(fù)載變化時(shí)抑制直流輸出電壓的波動(dòng)。 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 圖 22 三相 pwm整流器不同開(kāi)關(guān)模式時(shí)的電流回路 基于單片機(jī)控制 PWM 整流電源的設(shè)計(jì) 8 由于對(duì)三相橋施以 SPWM 控制，會(huì)在交流端產(chǎn)生一個(gè)正弦 PWM 波，其基波與調(diào)制波頻率相同且相位相同，可見(jiàn)在三相橋的交流輸入端 到電源中點(diǎn)可看作基波幅值可調(diào)節(jié)的交流電源，以 a相整流電路為例可作等效電路如圖 23 所示，并于圖 24 給出了 a 相在整流運(yùn)行時(shí)的相量圖，圖中 R為等效回路電阻 圖 23 a等效電路圖 由圖 23 可知，在電源電壓凡和整流器交流輸入端電壓 U。也必定為正弦波，而只要對(duì)橋臂施以 SPWM 控制即可使得 U。電路的相量圖如圖 24 所示 。和 I。和 I。 圖 24 單位功率因數(shù)整流運(yùn)行 圖 23所示的電壓型 PWM整流器，可以任意控制其輸入電流的變化。 。 聯(lián)立式 ()()，得 a相交流側(cè)電壓 (t)開(kāi)關(guān)函數(shù)表達(dá)式為 : (t)=(2 )/3 () 表 22 給出了不同開(kāi)關(guān)模式調(diào)制時(shí)的 (t)的值。 (2)網(wǎng)側(cè) a相電感 端電壓 (t) 由三相整流器交流側(cè)回路易得網(wǎng)側(cè) a 相電感端電壓 (t) (t)= (t) (t) 表 22 三相整流器不同開(kāi)關(guān)模式調(diào)試時(shí)的交流測(cè)電壓 (3)網(wǎng)側(cè) a相電流 ia(t) 當(dāng)忽略整流器網(wǎng)側(cè) a相等效電阻時(shí)， a相電流 ia(t)即為 (t)=1/L* (t)dt=1/L* (4)直流側(cè)電流 (t) 當(dāng)忽略三相整流器橋路損耗時(shí)其交、直流側(cè)的功率平衡關(guān)系為 聯(lián)立式并化簡(jiǎn)得 : 又有 ia+ib+ic=0，因此可得，在任意開(kāi)關(guān)模式下， (t)復(fù)現(xiàn)了不同相的網(wǎng)側(cè)電流或其相基于單片機(jī)控制 PWM 整流電源的設(shè)計(jì) 10 反值。 可見(jiàn)，當(dāng)慣性時(shí)間常數(shù) RC 取值越大，其直流電壓 (t)的脈動(dòng)幅值就越小。單片機(jī)具有體積小、重量輕、耗能省、價(jià)格低、可 靠性高和通用靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此也廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星定位、汽車(chē)火花控制、交通自動(dòng)管理和微波爐等專(zhuān)用控制上。 單片機(jī)并沒(méi)有超脫馮它不求規(guī)模大，只求小而全。在一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片上構(gòu)造了 完整的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，故稱(chēng)之為單片機(jī)。從 CPU、存儲(chǔ)器到輸入輸出端口，一應(yīng)俱全。CPU 時(shí)鐘高達(dá) 12MHz，完成單字節(jié)乘法或除法運(yùn)算僅需要 4Ns。 一般微處理器和有關(guān)元器件分軍用和民用兩級(jí)，民用產(chǎn)品主要用于辦公室及機(jī)房環(huán)境 ，工作溫度在 0℃ 700℃ ,軍用產(chǎn)品要求在惡劣環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，工作溫度在 65℃125℃ 。工業(yè)產(chǎn)品可靠性比民用產(chǎn)品強(qiáng)，價(jià)格較軍用品低。 近年來(lái)，在國(guó)際上出現(xiàn)了 Mechanics 和 electronics 復(fù)合成的 Mechtronics 這個(gè)新詞，我國(guó)譯為“機(jī)電一體化”。機(jī)電一體 化產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)電器控制的實(shí)時(shí)性、高可靠性、可編程和一定的人工智能。正是針對(duì)上述種種要江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 求而設(shè)計(jì)的單片機(jī)自然成為機(jī)電一體化控制器的最佳選擇。 第二階段 :19741978 年，初級(jí)單片機(jī)階段，以 Intel 公司的 MCS48 為代表， 8位單片機(jī)。以 Intel 公司的 MCS51, Motorola 公司的 6801 和 Zilog 公司的 Z8等為代表。廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、外部設(shè)備控制、宏觀控制、局部網(wǎng)絡(luò)及家用計(jì)算機(jī)中。例如 Mostek 公司的 MK6800、 Intel 公司 的 MCS96 等。單片機(jī)己經(jīng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。這里所說(shuō)的長(zhǎng)壽命，一方面指用單片機(jī)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品可以穩(wěn)定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指與微處理器相比的長(zhǎng)壽命。可以預(yù)見(jiàn)，一些成功上市的相對(duì)年輕的 CPU 核心，也會(huì)隨著 I/O功能模塊的不斷豐富，有著相當(dāng)長(zhǎng)的生存周期。 8 位、 16位、 32 位單片機(jī)共同發(fā)展是當(dāng)前單片機(jī)發(fā)展的另一個(gè)動(dòng)向之一。隨著移動(dòng)通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭， 32 位單片機(jī)應(yīng)用得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。過(guò)去認(rèn)為由于 8位單片機(jī)功能越來(lái)越強(qiáng) ， 32 位機(jī)越來(lái)越便宜，使 16 位機(jī)單片機(jī)生存空間有限，而 16位單片機(jī)的發(fā)展無(wú)論從品種和產(chǎn)量方面，近年來(lái)都有較大幅度的增長(zhǎng)。 MUP 發(fā)展中表現(xiàn)出來(lái)的速度越來(lái)越快是以時(shí)鐘頻率越來(lái)越高為標(biāo)志的。改善單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)序，在不提高時(shí)鐘頻率的條件下，使運(yùn)算速度提高了很多。在單片機(jī)應(yīng)用中，可靠性是首要因素，位了擴(kuò)大單片機(jī)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域，提高單片機(jī)自身的可靠性是一種有效的方 法。 EFT 技術(shù)是一種抗干擾技術(shù)，它是指在振蕩電路的正弦信號(hào)受到外界干擾時(shí)，其波形上會(huì)迭加各種毛刺信號(hào)，人使用施密特電路對(duì)其整形，則毛刺會(huì)成為觸發(fā)信號(hào)干擾正常的時(shí)鐘，在交替使用施密特電路和 RC 濾波電路時(shí)，就可以消除這些毛刺另其作用失效，從而保證系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)正常工作。其次，低噪聲布線技術(shù)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)。這樣，就使電源噪聲穿過(guò)整塊芯片，對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部電路造成干擾。這樣， 不僅降低了穿過(guò)整個(gè)芯片的電流，另外還在印制電路板上容易布置 去耦電容，從而降低系統(tǒng)的噪聲。 OTP是一次性寫(xiě)入的單片機(jī)。由于掩膜需要一定的生產(chǎn)周期，而 OTP 型單片機(jī)價(jià)格不斷下降，使得近年來(lái)直接使用 OTP 完成最終產(chǎn)品制造更為流行。近年來(lái) ， OTP 型單片機(jī)需量大幅度上揚(yáng)，為適應(yīng)這種需求許多單片機(jī)都采用了在編程技術(shù)（ In Sytem Programming）。解決了批量寫(xiě) OTP芯片時(shí)容易出現(xiàn)的芯片寫(xiě)入器接觸不好的問(wèn)題，使得 OTP 的裸片得以廣泛使用，降低了產(chǎn)品的成本。 MCS51 單片機(jī)特點(diǎn) 單片微型計(jì)算機(jī) (SingleChip Microputer),簡(jiǎn)稱(chēng)單片計(jì)算機(jī) .就是將 CPU,RAM,ROM,定時(shí) /計(jì)時(shí)器和多種接口集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)其主要特點(diǎn)如下 : 1片內(nèi)存儲(chǔ)容量較小 : 原因是受集成度的限制 .ROM 一般小于 8KB,RAM 一般小于 256B,但可以在外部擴(kuò)展 .通常ROM,RAM 可分別擴(kuò)展至 64KB. 2可靠性高 : 因?yàn)樾酒前垂I(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的 ,故抗干擾的能力優(yōu)于 PC 機(jī) . 系統(tǒng)軟件 (如 :程序指令 ,常數(shù) ,表格 )固化在 ROM 中 ,不易受病毒破壞 . 許多信號(hào)的通道均在一個(gè)芯片內(nèi) ,故運(yùn)作時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠 . 3便于擴(kuò)展 : 片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必 需的部件 ,片外有很多供擴(kuò)展用的 (總線 ,并行和串行的輸入/輸出 )管腳 ,很容易組成一定規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) . 4控制功能強(qiáng) : 具有豐富的控制指令 :如 :條件分支轉(zhuǎn)移指令 ,I/O 口的邏輯操作指令 ,位處理指令 . 5實(shí)用性好 : 體積小 ,功耗低 ,價(jià)格便宜 ,易于產(chǎn)品化 . 以上 MCS51 系列以其優(yōu)良的性?xún)r(jià)比 ,在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用 . 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 4 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體框 圖 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 R3C4整 流濾 波電 路鍵 盤(pán)顯 示A T 8 9 C 5 1A D C 0 8 0 9IGBTN P W M 和 驅(qū) 動(dòng) 電 路123三 相 交 流 輸 入U(xiǎn) 0H e a r d 2L 1D 1 41系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 基于單片機(jī)控制 PWM 整流電源的設(shè)計(jì) 14 系統(tǒng)主回路電路圖 42 系統(tǒng)主回路電路圖 AC 端為輸入端，輸入一三相可控電源，經(jīng)整流濾波后變?yōu)橹Я鞣讲?。此過(guò)程為模擬信號(hào)的變換。此時(shí)振蕩器產(chǎn)生一方波輸入到脈寬調(diào)制（ PWM）中，此過(guò)程為 PWM 一啟動(dòng)過(guò)程。調(diào)制出來(lái)的方波基本符合我們所要求的輸出電源。 整流濾波 高頻變換器 調(diào)寬方波 整流濾波 脈寬調(diào)制 比較器 取樣器 振蕩器 基準(zhǔn)電壓 控制電路 AC DC 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 元件的選擇 單片機(jī)的選型 AT89C51 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— Flash Progr