智能数控开关电源设计本科论文.docx
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智能数控开关电源设计本科论文
智能数控开关电源设计
摘要:
开关电源是利用现代电子电力技术控制功率开关管(MOSFET,IGBT)的导通和关断的时间比来稳定输出电压的一种新型稳压电源。
它是在电子、计算机、通信、电气、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置。
具有电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点。
本次设计的主要目的是实现一个单片机控制开关电源,开关电源在日常生活中应用非常广泛,如今是数字化时代,用单片机实现电子产品十分方便,所以在这次设计中使用了单片机实现。
在这次设计文档中,详细阐述了开关电源,方案论证,总体结构设计,通过键盘预置期望输出电压值,模/数转换器对输出电压进行采样,由软件控制单片机输出相应的脉冲宽度,对开关电源进行脉宽调制,输出预期的电压。
并采用PID算法控制输出电压稳定,构成可输出3v到12v的可调电压,并显示实时电压和预置值。
关键字:
开关电源,PID算法,闭环控制,数控
TheDesignofIntelligentNCSwitchingModePowerSupply
Abstract:
Switchingmodepowersupplyisanewpowersupplywhichmakesuseofmodernpowerelectronicstechnologytocontroltherateofpowerswitch(MOSFET,theIGBT)turn-onandturn-offtime.Itisapowerelectronicdevicewhichiswidelyusedinthefieldofelectronics,computer,communications,electrical,aerospace,militaryandhomeappliancesandsoon.Ithastheadvantagesofhighpowerconversionefficiency,smallsize,lightweight,highcontrolaccuracyandfast.
ThemainaimofthedesignistorealizeSwitchingModePowerSupplycontroledbyaMicroprocessorControlUnit.SwitchingModePowerSupplyarewidelyappliedtodailylife.Indigitaltimes,itisveryconvenienttoproduceelectronicproductswhichusesMicroprocessorControlUnit,sointhisdesign,youwillseeMicroprocessorControlUnit.Inthisdesigndocuments,thispaperdescribindetailtheSwitchingModePowerSupply,theciteofthescheme,thedesignofgeneralstructure.Setexpectedoutputvoltagevaluesatfirstthroughthekeyboard,thesamplingofoutputvoltagevaluesbyd/aconverter,theMicroprocessorControlUnitcontroledbysoftwareoutputcorrespondingpulsewidth,switchpulsewidthinSwitchingmodepowersupply,outputthevoltagevalueswhichexpected.Stabilizetheoutput3vto12vadjustablevoltage,whichstabilizetheoutputvoltagevaluescontroledbyPIDanddisplayreal-timevoltageandthepresetvalue.
Keyword:
SMPS,PIDalgorithm,closed-loopcontrol,CNC
摘要...........................................................................................................................................Ⅰ
Abstract.....................................................................................................................................Ⅱ
1绪论
1.1开关电源的研究背景
21世纪是信息化的时代,信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大,而这些电子设备、产品都离不开电源。
开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势,尤其是高频开关电源正变得更轻,更小效率更高,也更可靠,这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。
从开关电源的组成来看,它主要由两部分组成:
功率级和控制级。
功率级的主要任务是根据不同的应用场合及要求,选择不同的拓扑结构,同时兼顾半导体元件考虑设计成本;控制级的主要任务则是根据电路电信号选择合适的控制方式,目前的开关电源以PWM控制方式居多。
1.2开关电源的分类
开关电源种类繁多,按不同的标准,大致有以下几种分类:
1、按激励功率开关晶体管的方式来分
自激型,开关管兼作振荡器中的振荡管;
他激型,功率开关管的导通和截止由外加激励信号控制。
2、按调制方式来分
脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,PWM),它在保持振荡频率不变的情况下,通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小,通过取样电路、耦合电路等的构成反馈闭合电路,来稳定输出电压;
频率调制(PulseFrequencyModulation,PFM),它在保持占空比不变或关断时间不变的情况下,通过改变振荡器的振荡频率来稳定并调节输出电压的幅度;
混合调制,通过调节导通时间的振荡频率来完成稳定并调节输出电压复读的目的,相对于脉冲和频率同时改变。
3、按功率开关电路的结构形式来分
非隔离型,主电路中无高频变压器;
隔离型,主电路中有高频变压器,具有软开关特性的谐振型。
4、按储能电感与负载的连接方式来分
串联型,储能电感串联在输入和输出电压之间;
并联型,储能电感并联在输入和输出电压之间。
5、按控制方式分
电压控制型,反馈回路中提取输出端的电压作为反馈信号;
电流控制型,不单提取了输出端的电压作为反馈信号,还另外构造一个以电流为控制信号的反馈回路。
6、按连接晶体管的方式来分
单端式,仅使用一个晶体管作为电路中的开关管,它具有价格低、电路结构简单等特点,但输出功率不能提高;
推挽式,使用两个开关晶体管,将其连接成推挽功率放大器形式,它的特点是开关变压器必须具有中心抽头;
半桥式,使用两个开关晶体管,将其连接成板桥的放大形式,适用于输入电压较高的场合;
全桥式,使用四个开关晶体管,将其连接成全桥的放大形式,其特定是输出功率较大。
1.3开关电源的发展趋势
21世纪开关电源的技术追求和发展可以概括为以下四个方面:
1、小型化、薄型化、轻量化、高频化。
开关电源的体积、重量主要是由储能元件决定,因此开关电源的小型化,实质上就是尽可能地减小其中储能元件的体积。
在一定范围内,开关频率的提高,不仅能有效地减小电容、电感及电压器的尺寸,而且还能够抑制干扰,改善系统的动态性能,因此,高频化是开关电源的主要发展方向。
2、高可靠性。
开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍,因此提高了可靠性。
从寿命角度出发,电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。
所以,要从设计方面着眼,尽可能使用较少的器件,提高集成度,这样不但解决电路复杂、可靠性差的问题,也增加了保护等功能,简化了电路,提高了平均无故障时间。
3、低噪声。
开关电源的缺点之一是噪声大。
单纯的追求高频化,噪声也会随之增大。
采用部分谐振转换回路技术,在原理上既可以提高频率又可以降低噪声,所以,尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。
4、采用计算机辅助设计和控制。
采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数,使开关电源具有最简洁结构和最佳工况。
在电路中引入微机检测和控制,可构成多功能监控系统,可以实时监测、记录并自动报警等。
开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。
高频化的实现,需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频点此元件。
发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件,开发高频用的低损磁材料,改进磁元件的结构及设计方法,提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等,对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。
总之,在开关电源技术领域里,边研究低损耗回路技术,边开发新型元件器件,两者相互促进,并推动着开关电源以每年超过两位数的增长率向小型化、薄型、高频、低噪音以及高可靠性方向发展。
2系统方案设计
2.1开关电源工作原理
开关电源是指调整管工作在开关方式,即导通和截止状态的稳压电源,缩写为SPS(SwitchingPowerSupply)。
开关电源的核心部分是一个直流变换器。
利用直流变换器可以把一种直流电压变成极性、数值不同的多种直流电压。
图2.1所示电路的工作过程为:
假设基准电压为5v,由于电网波动导致输入电压减小,那么输出电压也将会减少,此时,所采样的电压将减小,假设为4.9v,误差为0.1v,经过比较放大后,脉冲调制电路根据这个误差,提高占空比使输出电压增大,同理,当由于电网波动导致输出电压增大时,脉冲调制电路降低占空比使输出电压减小,以此来控制输出电压的稳定。
图2.1开关电源原理框图
按电源电路中功率管的工作方式划分,电源可以分为开关电源与线性电源两大类。
线性电源是发展较早的一种电源,其功率管工作在线性放大区。
开关电源是在线性电源的基础之上发展起来的,并在很大程度上克服了线性电源的缺陷,但其自身也有一定的不足。
2.2系统方案
单片机自带A/D转换器,不断检测输出端的电压,并根据电源输出电压与键盘预置电压的差值,通过D/A转换,控制输出一个PWM脉冲,直接控制电源的工作。
本设计选择单片机使用STC5608AD,自带A/D转换,D/A芯片采用TLC5616,采用LCD显示采样值,选择RS232作为串行传输的接口。
键盘预置电压,设计任务要求输出可调,所以设定值需要从键盘输入,实现输入不同的电压,输出便可以输出不同的电压。
2.3总体结构设计
系统工作原理图如图2.2所示:
市电经过整流滤波后,一路电压经过7805稳压得到一个+5v电压,该电压作为单片机的工作电源,另外一路电压直接作为开关变换电路的输入电压。
单片机根据键盘输入值和取样值之间的差值,修改脉冲占空比,并输出控制功率开关管,以便得到期望的输出电压值,并根据模/数转换器所采样的电压和键盘输入比较,根据差值调用PID算法再次修改脉宽使输出电压稳定。
开关变换器采用磁铁心电
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