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基于MCU的交流功率调节控制器设计

2020-02-29 23:27单片机 人已围观

简介基于单片机的交流功率调节器的设计是交流功率调节主电路,单片机控制电路,精密检测和控制算法程序的结合。设计应用方便,范围广,实用价值强,节能减排。 以微控制器为控制核...

  基于单片机的交流功率调节器的设计是交流功率调节主电路,单片机控制电路,精密检测和控制算法程序的结合。设计应用方便,范围广,实用价值强,节能减排。
  
  以微控制器为控制核心的交流电源稳压器的优势显而易见,但仍有许多问题需要考虑,抗干扰是主要问题。微控制器在工业领域会受到电磁干扰,特别是 MCU 的外部中断信号容易受到干扰。
  
  该设计选择占空比平均分配模式,即过零触发功率调整模式。在单位时间内,MCU 根据当前的开关占空比分配交流电源的频率,以实现电源的调整。为了实现输出功率的连续调节,需要在电流过零点 触发相应晶闸管导通与关断。该模式可有效避免各 种干扰因素,提高设计的可靠性。
  

  1 交流调功器设计原理

  
  1.1 交流调功器工作原理分析
  
  晶闸管交流功率调节器主要用于功率因数为 1 的电阻负载,例如: 如镍铬,铁铬铝,镍铁电阻丝,钨钼丝,碳化硅棒,远红外电热板等电热元件。适用于 电加热设备的自动和手动温度控制系统,如电阻炉, 电加热器,扩散炉,恒温器,烤箱,炉子等。在交 流功率调节系统中,热电偶主要检测负载温度,并将 其转换为相应的电压信号。电压信号由温度检测电 路转换成与之对应的数字信号,并发送给 MCU。MCU 将数据处理后,与设定的温度进行比较,分析计算输出功率大小,从而决定晶闸管的通断状态,达到控制负载温度大小的目的。基于 MCU 的晶闸管交流功率调节控制器的结构如图 1 所示。
    图 1 晶闸管交流功率调节控制器结构图
  图 1 晶闸管交流功率调节控制器结构图
 
  交流电源调节控制器的主电路包括熔断器,晶 闸管和隔离电流互感器。控制电路包含: ( 1 ) 过零脉冲发生器,( 2) 锯齿波发生器,( 3) 矩形波发生器, ( 4) 过电流截止器,( 5) “和”门逻辑控制器,( 6 ) 脉冲触发电路等电加热器,负载 RL,PID 调节器等通过外部控制开关和功率调节控制器形成闭环控制回 路。温度控制调节仪的功能是将温度传感器采集的 实际温度值与人工设定的参考温度值进行比较,然 后调节开关管的开关状态。以 AC 一个控制周期为基本单位,通过改变触发脉冲占空比的大小来控制 负载消耗功率大小的目的。
  
  一些晶闸管调节器设计有过流保护电路,但保护速度和保护结果可能无法达到预期效果。为了更好地保护电路,在晶闸管调节器中安装了快熔保险丝,以实现过流保护。
 
  
  1.2 晶闸管工作原理分析
  
  晶闸管,又称可控硅整流器,是一种半控型的大 功率转换器装置。他的发明开辟了电力电子技术迅 速发展和广泛应用的新时代,有人称之为继晶体管 发明和应用之后的又一次电子技术革命。可通过小 功率的电子信息电路产生的信号去控制大功率变流 系统,使得电子技术从弱电领域进入到强电领域。由于晶闸管是典型的相控变流器件,所以晶闸管在 交流调功领域得到广泛应用。
  
  晶闸管的结构可以用 PNPN 四层半导体来描述。可以通过图 2 所示的双晶体管模型分析晶闸管的工作原理。
  
  当正向电压EA 连接在晶闸管阳极A 和阴极K 之间,并且在栅极( 控制电极) G 和阴极之间施加适当的控制信号 EG,产生控制传导电流 IG,形成晶体管 V2 的基极电流。产生集电极电流 IC2,并作为晶体管 V1 的基极电流,产生 V1 的集电极电流 IC1。集电极电流 IC1 与 IG 共同作用,使 V2 的基极电流进一步增大。在这个周期中,晶闸管内部形成强烈 的正反馈,导致 V1 和 V2 进入完全饱和导通状态。由于正反馈的作用,使 IC1 比 IG 大得多,导致晶闸管门失去控制。此时,器件无法从晶闸管的栅极控 制其关断半控制器件。
  图 2 晶闸管电气符号及工作原理图
  图 2 晶闸管电气符号及工作原理图
  
  在交流调功控制系统中,为使在交流信号的正 负半周都可调节信号大小,减小晶闸管触发电路个 数,缩小该功率调节控制器的体积,并且结合晶闸管的特性,该设计使用双向晶闸管 BCMlAM 作为核心转换器件。双向晶闸管通常用作交流电压调节、功 率调节、温度调节和非接触式开关。通过控制栅极, 器件可以在主电极的正方向和负方向上触发传导。三端双向可控硅在第一和第三象限中具有对称的伏 安特性。
  

  2 交流调功器设计方案

  
  基于 MCU 的功率调整控制器的系统原理图如图 3 所示。220 V AC 电源通过电源变压器 T1 转换为 12V 交流低压。他通过一个由四个二极管 D1 - D4 和一个滤波电容器C4 组成的桥式整流电路。由C5 组成的桥式整流滤波器电路获得稳定的 DC 电压值。再经过固定式三端稳压器 LM7805 稳压和C10、C11 的滤波后,在稳压电源 VOUT 的输出端产生高精度,高稳定性的 DC 5 V 电压。此电压可控供单片机使用。负载侧可以连接到 220V AC,频率为 50Hz。
  
  过零检测电路通过光耦合器件 MOC3022 检测电压过零点,在信号过零点,光耦 MOC3022 截止, 输出高电平,并发送至 MCU 的 CPU 单元,控制相应晶闸管的开/ 观。光耦合器具有良好的电气绝缘和抗干扰能力,可以完全隔离负载输入,安全性高。
  
  为了模拟该交流调功控制器对实际负载温度高低的调节作用,设立三个按键开关,描述在不同情况下控制晶闸管改变交流电的通、断周期比,实现负载输出功率的调节。具体操作过程如下:
  图 3 交流功率调节系统原理图
  图 3 交流功率调节系统原理图
  
  当按键 S2 按下时,系统执行第一种模式,在交流电五个周期内通两个周期断三个周期。当按键 S3 按下时,系统执行第二种模式,在交流电五个周期内通 三个周期断两个周期。当按键 S4 按下时,系统执行第三种模式,在交流电五个周期内通五个周期断零个 周期。通过在不同时间接通和断开双向晶闸管,改变 交流导通状态循环次数与断开状态循环次数的比率, 从而调节负载上消耗的平均功率。
  

  3 仿真验证

  
  为了验证本设计的可行性,设计了一款控制输出周期为 65ms 的交流功率调节控制器。通过光电耦合器件 MOC3022 检测输出电压过零点,当光耦输出为高电平时,触发双向晶闸管导通。通过设置晶闸管的通断周期比,调整输出功率的大小。经前述分析可知: 系统的负载电压与电流的通态周期和电源周期之间的关系是 N/ M。当占空比分别为 20% ,40% ,60%时,仿真测试波形如图 4 所示。
  图 4 仿真输出波形图
  图 4 仿真输出波形图
  
  由图 4 可以看出。
  
  ①当控制周期为 M = 5,N = 1,则占空比为 20% 。
  
  输出功率 P = 0.2P 额;
  
  ②当控制周期为 M = 5,N = 2,则占空比为 40% 。
  
  输出功率 P = 0.4P 额;
  
  ③当控制周期为 M = 5,N = 3,则占空比为 60% 。
  
  输出功率 P = 0.6P 额。
  
  仿真测试结果表明,通过调节交流输出电压的通断周期,可有效控制输出功率的大小。在实验验证时,负载为 100W 的灯泡,可以观察到当输出功率大小不同时,可清晰的观察到灯泡的闪烁频率明显不同。不过,此种调节方式为断续调节方式,不适合负载电流断续的情况。但是此种调节方式简单易行,在灯光控制应用方面有较大的优势,有很大的应用市场。
  

  5 结论

  
  根据对基于 MCU 的交流功率调节控制器的分析与设计,得出:
  
  ( 1) 在主电路中,使用双向晶闸管代替两个反并联晶闸管,这提高了系统的稳定性和简单性。
  
  ( 2) 单片机控制的交流电源调节器采用过零检测和比较控制方式,有效提高了系统的抗干扰性。
  
  ( 3) 通过在线检测,在功率调节控制端可以输出相应的电压调节信号,有效的实现了调功系统的稳定性和精确性。
  
  但是在滤波算法和时效上有待进一步的改进, 以达到更加精确和实时性的目的。

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