數控直流穩(wěn)壓電源

數控直流穩(wěn)壓電源,數控,直流,穩(wěn)壓電源 www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 盛方單片機整理 作者：未知 緒 論 電源技術尤其是數控電源技術是一門實踐性很強的工程技術，服務于各行各業(yè)。電力電子技術是電能的最佳應用技術之一。當今電源技術融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學科領域。隨著計算機和通訊技術發(fā)展而來的現(xiàn)代信息技術革命，給電力電子技術提供了廣闊的發(fā)展前景，同時也給電源提出了更高的要求。隨著數控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產生的誤差，會影響整個系統(tǒng)的精確度。電源在使用時會造成很多不良后果，世界各國紛紛對電源產品提出了不同要求并制定了一系列的產品精度標準。只有滿足產品標準，才能夠進入市場。隨著經濟全球化的發(fā)展，滿足國際標準的產品才能獲得進出的通行證。數控電源是從80年代才真正的發(fā)展起來的，期間系統(tǒng)的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來的發(fā)展提供了一個良好的基礎。在以后的一段時間里，數控電源技術有了長足的發(fā)展。但其產品存在數控程度達不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點。因此數控電源主要的發(fā)展方向，是針對上述缺點不斷加以改善。單片機技術及電壓轉換模塊的出現(xiàn)為精確數控電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換技術和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數字信號處理器件的研制應用，到90年代，己出現(xiàn)了數控精度達到0.05V的數控電源，功率密度達到每立方英寸50W的數控電源。從組成上，數控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。目前在電力電子器件方面，幾乎都為旋紐開關調節(jié)電壓，調節(jié)精度不高，而且經常跳變，使用麻煩 數字化智能電源模塊是針對傳統(tǒng)智能電源模塊的不足提出的，數字化能夠減少生產過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產品一致性等工程問題，極大地提高生產效率和產品的可維護性。 電源采用數字控制，具有以下明顯優(yōu)點: 1)易于采用先進的控制方法和智能控制策略，使電源模塊的智能化程度更高，性能更完美。 2)控制靈活，系統(tǒng)升級方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必改動硬件線路。 3)控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標準化，可以針對不同的系統(tǒng)(或不同型號的產品)，采用統(tǒng)一的控制板，而只是對控制軟件做一些調整即可。 4)系統(tǒng)維護方便，一旦出現(xiàn)故障，可以很方便地通過RS232接口或RS485接口或USB接口進行調試，故障查詢，歷史記錄查詢，故障診斷，軟件修復，甚至控制參數的在線修改、調試;也可以通過MODEM遠程操作。 5)系統(tǒng)的一致性好，成本低，生產制造方便。由于控制軟件不像模擬器件那樣存在差異，所以，其一致性很好。由于采用軟件控制，控制板的體積將大大減小，生產成本下降。 6)易組成高可靠性的多模塊逆變電源并聯(lián)運行系統(tǒng)。為了得到高性能的并聯(lián)運行逆變電源系統(tǒng)，每個并聯(lián)運行的逆變電源單元模塊都采用全數字化控制，易于在模塊之間更好地進行均流控制和通訊或者在模塊中實現(xiàn)復雜的均流控制算法(不需要通訊)，從而實現(xiàn)高可靠性、高冗余度的逆變電源并聯(lián)運行系統(tǒng)。 第一章 系統(tǒng)設計 1.1設計任務與要求 1.1.1設計任務 設計一臺微機控制的數控直流電壓源，為電子設備供電。 在設計過程中，選擇1～2個單元電路使用仿真軟件（例如Multisim2001等）進行仿真調試。 用計算機繪制所有的電路圖和印刷電路圖 1.1.2設計要求 輸出電壓范圍0-30v，步進值為0.1V 電壓調整率Sv<0.05%V； 電流調整率Si<0.03%A； 紋波電壓〈峰峰值<=5mA； 具有過流保護和短路保護功能；用數字顯示輸出電壓 1.2方案的選擇與論證 1.2.1 總體設計方案 根據題目要求設計的框圖，如圖1.1所示： 方案一：此方案采用傳統(tǒng)的調整管方案，主要特點在于使用一套十進制計數器完成系統(tǒng)的控制功能，一方面完成電壓的譯碼顯示，另一方面其輸出作為EPROM 的地址輸入，而由EPROM的輸出經D/A變換后去控制誤差放大的基準電壓，以控制輸出步進。其框圖如圖1.2所示 圖2.1原理框圖 如圖1.2 調整管控制的穩(wěn)壓電源 方案二：采用51系列單片機作為整機的控制單元，通過改變輸入數字量來改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電壓的大小。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實際輸出電壓值的大小，可以經過ADC0809進行模數轉換，間接用單片機實時對電壓進行采樣，然后進行數據處理及顯示。采用軟件方法來解決數據的預置以及電流的步進控制，使系統(tǒng)硬件更加簡潔，各類功能易于實現(xiàn)本系統(tǒng)以直流電源為核心，利用51系列單片機為主控制器，通過鍵盤來設置直流電源的輸出電流，設置步進等級可達0.1V，并可由數碼管顯示實際輸出電壓值和電壓設定值。利用單片機程控輸出數字信號，經過D/A轉換器（DA0832）輸出模擬量，再經過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電電流的變化而輸出不同的電壓。單片機系統(tǒng)還兼顧對恒壓源進行實時監(jiān)控，輸出電壓經過電流/電壓轉變后，通過A/D轉換芯片，實時把模擬量轉化為數據量，經單片機分析處理， 通過數據形式的反饋環(huán)節(jié)，使電壓更加穩(wěn)定，構成穩(wěn)定的壓控電壓源。 圖1.3 單片機控制的穩(wěn)壓電源 1.2.2方案的比較與論證 1.2.2.1數控部分 方案一采用中、小規(guī)模器件實現(xiàn)系統(tǒng)的數控部分，使用的芯片很多，造成控制電路內部接口信號繁瑣，中間相互關聯(lián)多，抗干擾能力差。在方案二中采用單片機完成整個數控部分的功能，同時，8031作為一個智能化的可編程器件，便于系統(tǒng)功能的擴展。 1.2.2.1輸出部分 方案一采用線性調壓電源，以改變其基準電壓的方式使輸出不僅增加/減少，這樣不能不考慮整流濾波后的紋波對輸出的影響，而方案二中使用運算放大器作前級的運算放大器，由于運算放大器具有很大的電源電壓抑制比，可以大大減小輸出端的紋波電壓。在方案一中。為抑制紋波而在線性調壓電源輸出端并聯(lián)的大電容降低了系統(tǒng)的響應速度，這樣輸出的電壓難以跟蹤快變的輸入，方案二中的輸出電壓波形與D/A變換輸出波形相同，不盡可以輸出直流電平，而且只要預先生成波形的量化數據，就可以產生多種波形輸出，使系統(tǒng)陳給有一定驅動能力的信號源。 1.2.2.3顯示部分 方案一中的顯示輸出是對電壓的量化值直接進行譯碼顯示輸出，顯示值為D/A轉換的輸入量，由于D/A轉換與功率驅動電路引入的誤差，顯示值與電源實際輸出值之間可能出現(xiàn)較大偏差。方案二中采用三位半的數字電壓表直接對輸出電壓采樣并顯示輸出實際電壓值，一旦系統(tǒng)工作異常，出現(xiàn)預制值與輸出值偏差過大，用戶可以根據該信息予以處理。方案二中還采用了鍵盤/顯示器接口控制器8279。不僅簡化接口引線，而且減小了軟件對鍵盤/顯示器的查詢時間，提高了CPU的利用率。 綜上所述，選擇方案二，使用單片機實現(xiàn)。 1.2.3系統(tǒng)的原理框圖和電路圖 圖1.4 總體原理框圖 第二章 系統(tǒng)的硬件電路設計 2.1電源部分 2.1.1穩(wěn)壓電路結構組成 穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，如圖2.1所示 2.1 電源方框及波形圖 a.整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓U2變換成脈動電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U4。 b.穩(wěn)壓電路：由于得到的輸出電壓U4受負載、輸入電 壓 和 溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓U0。 2.1.2電源設計 電源部分包括：+5V、15V兩大部分： +5V電源只要供單片機部分使用，原理圖如圖2.2所示 對于濾波電容的選擇，需要注意整流管的壓降；7805的最小允許壓降波動10%，所以允許的最大紋波的峰峰值U=9（1-10%）-1.4-5=2.76V C===3600Uf 選取的濾波電容所以選取的濾波電容C=4700Uf/16V 15V電源，其電源電路如圖2.3所示 允許的紋波峰峰值U=18(1-10%)-0.7-12-U=4.9V 按近似電流放電計算，則 C===1430Uf 選取濾波電容選取濾波電容C=2200uF/30V 圖2.2和圖2.3 2.2數控部分 2.2.1AT89C51單片機 AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4K bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器(EPROM)和128 bytes的隨機數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，功能強大AT89C51單片機可提供高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。因此，在這里我選用AT89C51單片機來完成。 主要性能參數： ?與MCS-51產品指令系統(tǒng)完全兼容 ?4K字節(jié)可重擦寫Flash閃存存儲器 ?1000次擦寫周期 ?全靜態(tài)操作：0hz-24hz ?三級加密程序存儲器 ?128x8字節(jié)內部RAM ?32個可編程I/O口線 ?2個16位定時/計數器 ?6個中斷源 ?可編程串行UART通道 ?低功耗空閑和掉電模式 AT89C51 內存空間 1、內部程序存儲器（FLASH）4K 字節(jié)。 2、外部程序存儲器（ROM）64K 字節(jié)。 3、內部數據存儲器（RAM）256 字節(jié)。 4、外部數據存儲器（RAM）64K 字節(jié)。 2.3信號處理電路 2.3.1D/A轉換 電源輸出電壓范圍是0-30V，步長0.1V,共有300個狀態(tài)，而8位的D/A轉換只有256個狀態(tài)，不能滿足要求，因此我需要選用10字長的D/A轉換器來達到設計要求。 MAX504是由美信（Maxim）公司生產的一種低功耗、電壓輸出型10位串行數/模轉換器。MAX504既可用＋5V單電源工作，也可用±5V雙電源工作。該電路采用14引腳DIP型或SO型封裝，圖2示出它的引腳排列，表1介紹它的引腳功能。 圖2.5 MAX504封裝圖 表1 MAX504的引腳功能 引腳序號 引腳名稱 引腳功能 1 BIPOFF 雙極性偏置/增益電阻端 2 DIN 串行數據輸入端 3 CLR/ 清除端，異步置位DAC寄存器所有位 4 SCLK 串行時鐘輸入端 5 CS/ 片選端，低電壓有效 6 DOUT 串行數據輸出端 7 DGND 數字地 8 AGND 模擬地 9 REFIN 參考電壓輸入端 10 REFOUT 參考電壓輸出端，若不用應接至VDD 11 VSS 電源負端 12 VOUT DAC模擬輸出地 13 VDD 電壓負端 14 RFB 反饋電阻端 2.4鍵盤與顯示部分 2.4.1顯示部分 顯示數據以串行方式從89C51的P12口輸出送往移位寄存器74LS164的A、B端，然后將變成的并行數據從輸出端Q0～Q7輸出，以控制開關管WT1～WT3的集電極，然后再將輸出的LED段選碼同時送往數碼管LED1～LED2。位選碼由89C51的P14～P16口輸出并經譯碼器74LS138送往開關管Y1～Y8的基極，以對數碼管LED1～LED8進行位選控制，這樣，4個數碼管便以100ms的時間間隔輪流顯示。由于人眼的殘留效應，這4個數碼管看上去幾乎是同時顯示。 2.4.2鍵盤部分 鍵盤是有無數個按鍵組成的開關矩陣，它是一種廉價的輸入設備。一個鍵盤通常包括數據鍵，字母鍵以及一些功能鍵。操作人員可以通過鍵盤向計算機輸入數據、地址、指令或其他的控制命令，實現(xiàn)簡單的人機對話。 用于計算機系統(tǒng)的鍵盤通常有兩種：一類是編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識別有專用硬件識別。另一類是非編碼鍵盤，即鍵盤上鍵入及閉合鍵的識別由軟件實現(xiàn)。 鍵盤接口應具有的功能： 鍵掃描功能，即檢測是否有鍵按下 鍵識別功能，確定被按下建所在的行列的位置 產生相應的鍵的代碼 消除按鍵彈跳及對付多鍵串鍵 這里我要選用的是非編碼3x3鍵盤結構，能自動消除鍵抖動影響，具有對按鍵同時按下的保護，能把鍵盤信息存入堆棧，也可向CPU發(fā)中斷請求，得到響應后，使CPU獲取按鍵信息，還可接受CPU隊間信息的查詢。 對每個鍵我們都賦予了特定的功能： 0------每按鍵一次增加10V 1------每按鍵一次減少10V 2------每按鍵一次增加1V 0 1 2 3------每按鍵一次減少1V 3 4 5 4------每按鍵一次增加0.1V 6 7 8 5------每按鍵一次減少0.1V 7-----清除顯示 8-----開始顯示 AT89C51和8279鍵盤、顯示器接口 下圖2.11是AT89C51、8279與鍵盤和顯示器的接口電路，當有鍵按下時，8279可用中斷方式通知C51。編程實現(xiàn)的功能是：當有鍵0-8按下時，完成健值獲取，并用LED輸出顯示鍵值。 2.5輸出電路 2.5.1穩(wěn)壓輸出部分 這部分將數控部分送來的電壓控制字轉換成穩(wěn)定電壓輸出，電路主要由D/A轉換、穩(wěn)壓輸出、過流保護指示和延時啟動等幾部分組成，電路圖如圖 所示 電壓輸出范圍為0-29.9V，步長0.1V，共有300種狀態(tài)，所以上面提到選用10位D/A轉換器MAX504。設計中用兩個電壓控制字代表0.1V，當電壓控制自從0，2，4???到598時，電源輸出電壓為0.0，0.1，0.2???到29.9V。當MAX504基準電壓采用+15V時，D/A轉換電路滿幅，輸出為15.0V（電壓控制字為1023時）。由于世紀最大用到電壓控制字598 ，因此D/A轉換部分最大輸出電壓 V1=(598/1023)*15=8.77 D/A轉換部分輸出的電壓作為穩(wěn)壓輸出電路的參考電壓。穩(wěn)壓輸出電路的輸出與參考電壓成比例，范圍是0-29.9V，穩(wěn)壓輸出部分采用典型的串聯(lián)反饋穩(wěn)壓電路，也可以認為是以參考電壓作為輸入的直流功率放大器。這部分電路主要有運放U3A和三極管T1、T2構成，T2時大功率三極管。D/A轉換電路輸出的電壓V1接到運放U3A的同相端，穩(wěn)壓電源的輸出經R5、RW3和R6組成的取樣電路分壓后送到運放U3A的反相端，經運放比較放大后，驅動由T1和T2組成的復合調整管。當電路平衡時，D/A輸出電壓V1與取樣電壓V2相等，R5=500Ω,R6=340Ω,51Ω電位器RW3調在中間位置，設穩(wěn)壓電源輸出電壓為VOUT，則 V2=[(R6+51/2)/(R5+R6+51)]* VOUT =[(340+25.5)/(500+340+51)]* VOUT =0.294VOUT 因為 V1=V2 VOUT=V1/0.294=3.4V1 所以 VOUT=3.4V1=3.4*8.79V=29.9V 2.5.2輸出電壓顯示電路 為了實現(xiàn)輸出電壓的實時監(jiān)控，使用ICL7107搭接的數字電壓表對其輸出電壓采樣測量，并輸出顯示，用戶可以從顯示器上看見兩個電壓值：其一為單片機設置的電壓值，即期望值，其二為輸出電壓的實測值。正常工作時兩者相差很小。一旦出現(xiàn)異常情況，用戶可以看到期望值不符，從而采取相應的措施。 輸出電壓測量/顯示電路如圖 第三章 系統(tǒng)的軟件設計 軟件要實現(xiàn)的功能是：鍵盤對單片機輸入數據，單片機對獲得的數據進行處理，送到10位數模轉換器（MAX504）,再送到數字電壓表，實現(xiàn)數字量對電壓的控制。 圖3.1單片機模塊方框圖 3.1主控程序 進中斷 主控程序首先進行系統(tǒng)初始化，然后讀入預置電壓值，輸出相應的電壓控制字，等待鍵盤輸入。根據鍵盤的不同輸入，用散轉方式轉入相應的應用程序，執(zhí)行后，若用戶又輸入“清除顯示”，則輸出電壓控制字0，返回初始狀態(tài)，等待下一次按鍵?？驁D如圖3.2所示。 負載電壓測量 輸入電壓設定值 圖3.2 主程序流程圖 圖3.3中斷服務程序流程圖 3.2中斷程序 過流保護由中斷實現(xiàn)，在中斷服務程序中進行各項報警和保護操作，中斷服務程序框圖如圖3.3所示。 鍵盤中斷程序中將一標志置“1”，表示有鍵鍵入，并將鍵盤碼讀入賦給一個變量。在主程序和哥哥應用程序中讀取此標志和變量值，作為進行各項操作的依據，讀后將標志清零。 3.3鍵盤顯示程序 圖3.4鍵中斷流程圖 圖3.5 顯示流程圖 第四章電路擴展 4.1抑制紋波 本題對紋波要求非常高，對于本系統(tǒng)，造成紋波的主要因素是工頻干擾、負載波動和數字調節(jié)的過沖噪聲。其中第三項是數字控制系統(tǒng)必然存在的，不可避免；因此，主要從抑制工頻干擾和提高負載容量上來抑制紋波。 ◆在電源端即進行濾波。系統(tǒng)的工頻干擾主要由電源變壓器引入，因此在電源端進行濾波對抑制工頻干擾是十分必要和十分有效的。本系統(tǒng)的兩個電源都在輸出端進行了三極管有源濾波。 4.2保護電路 保護電路由T3和R8構成，設Lm為保護動作電流，則當電源輸出電流I增加到Im時，R8上的壓降Im*R8使得T3管導通，分掉了復合管的基極電流，使輸出I不再增加。電路中Im定為2A，T3的導通電壓為0.6V，則R8=0.6V/2A=0.3Ω。 過流時的中斷申請由運放U3B產生。當過流發(fā)生時，穩(wěn)壓源輸出經取樣后得到的電壓V2低于D/A轉換輸出電壓 v1，U3A輸出正向飽和，使得U3B的反向端電位升高，U3B輸出低電平，產生中斷申請信號。 4.3延時啟動 5.3系統(tǒng)誤差分析 從電路的原理框圖可以看出，系統(tǒng)的主要誤差來源于三個方面： (1）MAX504的量化誤差 MAX504為10位D/A轉換器，滿量程為30V的量化誤差為1/2LMBS=(1/2)*(1/210)*30V=14.65Mv。按滿度歸一化的相對誤差為 （1/2）*（1/210）=0.05% (2)基準電壓溫漂引入的誤差 LM336在0—40OC范圍內漂移不大于4Mv， 故相對誤差=2mV/5V=0.04%。 結束語 附錄 程序清單 14