單相AC-DC變換電路論文

1、系統(tǒng)以u(píng)cc28019為控制核心，實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)校正，在控制方法上采用了平均電 流控制策略，通過對(duì)boost主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的升壓電路的輸入電流進(jìn)行控制，使其達(dá) 到與輸入電壓同頻且相位差為0,功率因數(shù)接近于1,從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定在36v, 最人輸出電流為2a的高功率因數(shù)電源。采用ucc28019作為控制器，提高了電源的功 率因數(shù)，具有良好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，輸入電流波形失真度小。關(guān)鍵字：ucc28019, pfc, boost 電路第一章系統(tǒng)方案21.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)21.2方案設(shè)計(jì)與論證2第二章系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)32.1系統(tǒng)總體流程32.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)32.3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)32. 3. 1

2、總體設(shè)計(jì)32.4電路設(shè)計(jì)與計(jì)算42.4.1輸入電感參數(shù)的計(jì)算42.4.2輸出電容參數(shù)的計(jì)算42.4.3整流橋的選擇52. 5過流保護(hù)模塊5第三章測(cè)試與調(diào)試53. 1主電路調(diào)試53.2檢測(cè)電路調(diào)試53. 2.1軟件調(diào)試63. 2. 2實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果6第四章結(jié)論6參考文獻(xiàn)6第一章系統(tǒng)方案11系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)木系統(tǒng)采用stm32單片機(jī)為檢測(cè)控制核心，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可測(cè)量輸岀電壓、 輸出電流、功率因數(shù)以及可實(shí)現(xiàn)輸出電壓自動(dòng)設(shè)置等功能。主電路為boost電路，由 pfc芯片ucc28019控制開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷，經(jīng)過boost電路升壓后電壓變?yōu)?6v?？刂?電路和測(cè)量電路包括pfc控制電路和單片機(jī)測(cè)量控

3、制電路，pfc控制電路由專用pfc芯 片組成，單片機(jī)測(cè)量控制電路主耍是輸出側(cè)通過電阻分壓并用ad進(jìn)行采集送至單片機(jī) 進(jìn)行電壓測(cè)量顯示，同樣通過采集采樣電阻電壓進(jìn)行屯流測(cè)量顯示。保護(hù)電路由pfc芯 片的過壓和過流保護(hù)，以及ad檢測(cè)輸出電流的人小，過流則關(guān)斷單片機(jī)控制繼電器。12方案設(shè)計(jì)與論證方案一：采用dsp+boost實(shí)現(xiàn)該方案的控制方法為數(shù)字控制，即采用dsp通過編程控制完成系統(tǒng)的功率因數(shù)校正, dsp時(shí)刻檢測(cè)輸入電壓、輸入電流以及輸出電壓的值，在程序中經(jīng)過一定的算法后輸出 pwm控制信號(hào)，經(jīng)過隔離和驅(qū)動(dòng)控制開關(guān)管，從而提高輸入端的功率因數(shù)方案二：采用b00st+uc3854實(shí)現(xiàn)。該方案的控

4、制方法為模擬控制方法ouc3854是一種工作于平均電流的的升壓型有源 功率因數(shù)校正電路，它的峰值開關(guān)電流近似等于輸入電流，是h前較為廣泛使用的apfc 電路。該方筆所實(shí)現(xiàn)的pfc電路，要調(diào)節(jié)uc3854的電壓放大器，電流放大器和乘法器。方案三：采用b00st+ucc28019實(shí)現(xiàn)該方案的控制方法與方案二相同都是模擬控制方法。ucc28019是ti公司新近推出 的一種功率因數(shù)校正芯片，該芯片采用平均電流模式對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行校正，使輸入電流 的跟蹤誤差產(chǎn)生的崎變小于1 %,實(shí)現(xiàn)了接近于1的功率因數(shù)。ucc28019組成的pfc電 路，只調(diào)節(jié)一個(gè)放大器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)即可。首先，我們經(jīng)過分析得出采用數(shù)字控制

5、方法的優(yōu)點(diǎn)是通過軟件調(diào)整控制參數(shù)，使 系統(tǒng)調(diào)試方便，減少了元器件的數(shù)量，減少材料和裝配的成本，而且可減小干擾。缺點(diǎn) 是軟件編程困難，采樣算法復(fù)雜，計(jì)算量人，難以達(dá)到很高的采樣頻率，此外還更注意 控制器和主電路的隔離和驅(qū)動(dòng)。而采用模擬控制方法的優(yōu)點(diǎn)是，使用專用1c芯片，簡 單直接，無需軟件編程。缺點(diǎn)是電路調(diào)試麻煩，易受噪聲干擾。然后，我們考慮到本組 人員的知識(shí)和能力的有限，采用數(shù)字控制來實(shí)現(xiàn)很困難，且模擬pfc控制是當(dāng)前的工業(yè) 選擇，技術(shù)成熟，成本低，使用方便。所以我們排除了對(duì)方案一的選用。最后，比較 方案二和方案三，發(fā)現(xiàn)方案三的設(shè)計(jì)步驟減少了兒步，相對(duì)來說簡單易行，而且實(shí)驗(yàn)結(jié) 果證明該方案完全

6、達(dá)到題h的要求。綜上所述，選用方案三。系統(tǒng)控制原理框圖如圖1t所示。220v自耦18v整流4boost36v電阻交流輸入變壓器電路電路i k負(fù)載ucc： 8019pfc控制電路圖1-1 ucc28019控制系統(tǒng)框圖第二章系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體流程軟件控制功率因數(shù)測(cè)量電路的工作，以及對(duì)輸出電壓、電流的實(shí)時(shí)采樣與顯示，還包 括在數(shù)字設(shè)定時(shí)通過計(jì)算后確定d/a轉(zhuǎn)換器輸出參考電壓。當(dāng)檢測(cè)到輸出電流大于2. 5a 時(shí)，控制繼電器的關(guān)斷和電路的復(fù)位。其設(shè)計(jì)流程圖見附錄圖2.1所示。2. 2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用stm32單片機(jī)進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，主程序主 要是控制電路的選擇、各參

7、數(shù)的檢測(cè)與控制。單片機(jī)所要處理的工作主要分為兩個(gè)部分, 其一：基本工作。包括lcd顯示，鍵盤掃描等；其二：核心處理工作。ads1286將值采 集到單片機(jī)后，單片機(jī)根據(jù)所采集到值分析判斷，將其轉(zhuǎn)換為模擬量送到液晶顯示模塊, 顯示功率因素等相關(guān)參數(shù)的值。軟件流程圖設(shè)計(jì)見附錄圖1所示。2. 3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2. 3.1總體設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可確定系統(tǒng)主要構(gòu)造為：主電路，控制電路，測(cè)量電路和保護(hù)電路 卩l(xiāng)|部分。其總體結(jié)構(gòu)框圖見附錄2,從輸入的交流電壓220v開始，經(jīng)過隔離變壓器降 壓成交流電壓18v后送入橋式整流電路進(jìn)行整流，再經(jīng)過高頻濾波電容后送給主電路， 主電路為boost電路，由pfc芯片ucc

8、28019控制開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷，經(jīng)過boost電路升 壓后電壓變?yōu)?6vo控制電路和測(cè)量電路包括pfc控制電路和單片機(jī)測(cè)量控制電路，pfc 控制電路由專用pfc芯片組成，單片機(jī)測(cè)量控制電路主要是輸出側(cè)通過電阻分壓并用ad進(jìn)行采集送至單片機(jī)進(jìn)行電壓測(cè)量顯示，同樣通過采集采樣電阻電壓進(jìn)行屯流測(cè)量顯 示。保護(hù)電路由pfc芯片的過壓和過流保護(hù)，以及ad檢測(cè)輸出電流的大小，過流則關(guān) 斷單片機(jī)控制繼電器。系統(tǒng)總體電路圖見附錄3.木系統(tǒng)在假設(shè)變壓器副邊電壓“2為標(biāo)準(zhǔn)正弦波條件下，功率因數(shù)的計(jì)算公式為：pf ="昇2小0| =如 cos 琳=了 cos 琳u2i2 12''式中：2、厶

9、分別為變壓器副邊的電壓、電流有效值，4為厶中的基波分量，曲為“2和4 z間的相位差?？紤]到本題的特點(diǎn)，為計(jì)算簡單，可以用匕、l2 z間的相位羞0的余弦8s0作為功率因數(shù)。2. 4電路設(shè)計(jì)與計(jì)算 2. 4.1輸入電感參數(shù)的計(jì)算根據(jù)能量守恒定律5 x"pf = un。,可知輸入電流的有效值36x2.515x0.92x0.99=6.588a輸入電流的峰值iin-peak= 72x i.iirms =72x 6.588a = 9.315/1輸入紋波電流irip,)le = °?/如(nwo =0.2x9.315 = 1.86a紋波電壓 =°06屁加=0.06xv2x18

10、= 1.527v其中為電壓紋波系數(shù)通過電感的峰值電流5叫)ripplein _ peak (max)感值fl ripple65x1.86為了留取一定的裕量，故選擇感值imh,允許通過電流最大值為10a左右的電感。2. 4. 2輸出電容參數(shù)的計(jì)算該電容的選擇主要是滿足輸出電壓保持時(shí)間；當(dāng)要求在保持時(shí)間smp二17 arcmin)內(nèi)，開關(guān)電源輸出電壓不低于30v時(shí)，則輸出濾波電容容量按下式計(jì)算:out2pout( holdupout 一 v。嘰 holdup(min)2x90wx2128/s362-302> 9673實(shí)際我們選擇的濾波電容為：9400ufo2. 4.3整流橋的選擇通過整流橋屮

11、每個(gè)二極管的電流心宇二罟心5反向承受電壓為= v2(/, = a/2 x19v = 26.87v 我們選擇金屬封裝的整流橋kbpc1510，其正向 電流最大為15a,反向耐壓值為1000v,完全滿足要求。2. 5過流保護(hù)模塊過流保護(hù)是一種電源負(fù)載保護(hù)功能，以避免發(fā)生包括輸出端子上的短路在內(nèi)的過負(fù) 載輸出電流對(duì)電源和負(fù)載的損壞。所以當(dāng)輸出電流為2.5a時(shí)，電路自動(dòng)保護(hù)。鑒于此要 求，采用ucc28019芯片內(nèi)部的封鎖功能，由單片機(jī)檢測(cè)過流并控制芯片引腳icomp的 電平，但考慮到這樣的封鎖對(duì)象僅僅限于ucc28019木身，電路的輸出電壓依然為整流 后的25v左右的電圧，依然可能存在大電流，對(duì)整個(gè)

12、系統(tǒng)有很大的潛在威脅。因此， 本系統(tǒng)在主電路屮加入繼電保護(hù)，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)輸岀過流時(shí)，將發(fā)岀指令電平通過繼電 器來切斷主回路，達(dá)到保護(hù)負(fù)載的功能。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，當(dāng)單片機(jī)再次檢測(cè)輸岀電流正常 時(shí)，釋放屯平，電路可重新恢復(fù)。第三章測(cè)試與調(diào)試3.1主電路調(diào)試整個(gè)主電路模塊比較清楚，有三部分：整流濾波電路，boost升壓斬波電路及控制 電路。當(dāng)電路焊接好后，首先要做的就是檢查電路的連接狀況，看是否有短路的地方， 虛焊的地方或者是接錯(cuò)了的地方，以及接地線是否都連接在一起了。然后測(cè)量輸入電壓 是否在預(yù)定的范圍內(nèi)，因?yàn)榍凹?jí)的屯路是一個(gè)整流橋和一個(gè)電容濾波，輸岀屯壓通常是 輸入的0.91.2倍，具體電壓值與電容值

13、有關(guān)。3.2檢測(cè)電路調(diào)試檢測(cè)電路采用的都是很成熟的電路，所以調(diào)試沒有遇到高難度的問題，基本上是把 電路焊好，接線后就會(huì)有結(jié)果，只是要稍微的調(diào)節(jié)一些元件的參數(shù)，主要是電位器的值。但觀察輸入電流的波形，由于諧波較多，導(dǎo)致波形有點(diǎn)失真，通過加濾波電路后，電流 波形比較正常。3. 2.1軟件調(diào)試與破件相比，軟件的調(diào)試稍顯復(fù)雜，對(duì)輸出電壓采樣顯示來說，為了達(dá)到一定的精 度，很多參數(shù)都需要校準(zhǔn)，將采樣值轉(zhuǎn)換為實(shí)際的電壓值時(shí)，其結(jié)杲與adc的參考電壓 及硬件電路的放人比率值有直接關(guān)系，雖然參考電壓的值在數(shù)據(jù)手冊(cè)已經(jīng)給定了但實(shí)際 的參考電壓與數(shù)據(jù)手冊(cè)上有一定的差距，信號(hào)調(diào)理電路的放人比例也町以通過計(jì)算得到 但

14、元件的容差會(huì)使其不準(zhǔn)確，而且這兩個(gè)量是獨(dú)立的沒有聯(lián)系，所以要在兩者之間權(quán)衡, 根據(jù)多次的調(diào)試校準(zhǔn)，獲得和對(duì)準(zhǔn)確的值。3. 2. 2實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見附錄4。結(jié)論測(cè)試的結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)較好的完成了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，功率因數(shù)高達(dá)95%以上，穩(wěn)定 性好，并且較好的完成了功率因數(shù)的檢測(cè)顯示。不設(shè)計(jì)屮系統(tǒng)要求的實(shí)現(xiàn)的一個(gè)很重要 的特點(diǎn)是釆用了雙閉環(huán)來捉高系統(tǒng)的性能，一是輸出電壓控制環(huán)，通過反饋網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定輸 出電壓；二是電流控制環(huán)，通過對(duì)輸入電流的檢測(cè)來實(shí)行電流波形優(yōu)化。通過這些功能 簡化了實(shí)際便件電路的設(shè)計(jì)，而且能達(dá)到很好的效果。另一個(gè)特點(diǎn)是采用了一種比較簡 單的方法實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)的檢測(cè)，即用硬件實(shí)

15、現(xiàn)波形的調(diào)理用軟件實(shí)現(xiàn)記時(shí)與計(jì)算，因 為采用了比較好的控制芯片，所以電壓與電流波形的失真比較小，采用這種方法在一定 的精度范圍內(nèi)是合理的，并具有一定的精確度。參考文獻(xiàn)1 左學(xué)杰，鐘炎平，陳耀軍基于ucc28019的高功率因數(shù)電源設(shè)計(jì)，電源技術(shù)應(yīng) 用,2009 o2 施保華，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)m,武漢：華中科技大學(xué)出版社,2007o3 出一華，王曉華，魯俊環(huán).單和boost型apfc電路的設(shè)計(jì)及仿真研究j,佳木斯 大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008(6)o4 曲學(xué)基，王增福，曲敬鎧，穩(wěn)定電源實(shí)用電路選編m,北京：電了工業(yè)出版社, 2003 o5 高吉祥，全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽培訓(xùn)系列教程模擬電子線路設(shè)計(jì)

16、m,北京： 電子工業(yè)出版社，2007o附錄圖2.1系統(tǒng)流程圖pj圖2.2軟件設(shè)計(jì)圖圖231系統(tǒng)總體框圖序號(hào)項(xiàng)目與測(cè)試條件測(cè)試記錄1測(cè)量輸出rl=30qu2=16v測(cè)量值uo=35.8v電壓u2=18v測(cè)量值uo=35.8vu2=19v測(cè)量值uo=35.8vu2=18vrl=60q測(cè)量值uo=36vrl=30q測(cè)量值uo=35.8vrl=20q測(cè)量值uo=35.2v2功率因數(shù)u2=18v,rl=30q測(cè)量值u212相位差 <p=8°cos(p二0. 990圖3.2.1實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果ad采集部分程序：#include "adc.h"#include "d

17、elay.h'1初始化adc這甲我們僅以規(guī)則通道為例我們默認(rèn)僅開啟通道1void adc_init(void)先初始化10 口rcc->apb2enri=1«2; 使能 porta 口時(shí)鐘 gpioa->crl&=oxffffffof;/pa1 anolog 輸入 通道10/11設(shè)置rcc->apb2enri=1«9;/adc 1 時(shí)鐘使能rcc->apb2rstri= i «9; /adc i 復(fù)位 rcc->apb2rstr&二 (lvv9); 復(fù)位結(jié)束 rcc>cfgr&=(3vvl4);

18、分頻兇子清零/sysclk/div2=12m adc時(shí)鐘設(shè)置為12m,adc最人時(shí)鐘不能超過14m!否則將導(dǎo)致adc準(zhǔn)確度下降！rcc->cfgri=2«14;adc 1 ->cr 1 &二 0xf0ffff; 工作模式清零adc 1 ->cr 11=0« 16;獨(dú)立工作模式adc 1 ->cr 1 &=( 1 «8);非掃描模式adc 1 ->cr2&二(1 vv 1);單次轉(zhuǎn)換模式adc1->cr2&=(7vvl7);adc 1 ->cr2i=7« 17;軟件控制轉(zhuǎn)換adc1-

19、>cr2i=1«2o;使川用外部觸發(fā)(swstart)! 必須使用一個(gè)事件來觸發(fā)adc1->cr2&=(lvvll); /右對(duì)齊adc 1 ->sqr 1 &=-(0xf«20);adc1->sqr1 &=0«20;/i個(gè)轉(zhuǎn)換在規(guī)則序列中也就是只轉(zhuǎn)換規(guī)則序列1設(shè)置通道1的采樣時(shí)間adcl>smpr2&=(7vv3); 通道1采樣時(shí)間清空adc1->smpr2i=7«3;通道1239.5周期，捉高采樣時(shí)間可以提高精確度adc1->cr2i=1«o;開啟 ad 轉(zhuǎn)換器adc1

20、->cr2i=1«3;使能復(fù)位校準(zhǔn)while(adc 1 ->cr2 & 1 «3); /等待校準(zhǔn)結(jié)束該位市軟件設(shè)置并市硬件清除。在校準(zhǔn)寄存器被初始化后該位將被清除。adc1->cr2i=1«2;開啟 ad 校準(zhǔn)while(adcl->cr2 &1«2); 等待校準(zhǔn)結(jié)束 該位由軟件設(shè)置以開始校準(zhǔn)，并在校準(zhǔn)結(jié)朿時(shí)由碩件清除獲得adc值ch:通道值016 返回值:轉(zhuǎn)換結(jié)果ul6 get_adc(u8 ch)設(shè)置轉(zhuǎn)換序列adc1>sqr3&=oxffffffeo;規(guī)則序列 1 通道 chadcl->s

21、qr3l=ch;adc1->cr2i=1«22;啟動(dòng)規(guī)則轉(zhuǎn)換通道while(!(adc 1 ->s r&1«1);/ 等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 return adc 1 ->dr;返回 adc 值獲取通道ch的轉(zhuǎn)換值，取times次，然后平均 ch:通道編號(hào)/times:獲取次數(shù)/返回值:通道ch的times次轉(zhuǎn)換結(jié)果平均值ul6 get_adc_average(u8 ch,u8 times)u32 temp_val=o;u8 t;for(t=0;t<times;t+)(tcmp_val+=gct_adc(ch); delay_ms(5);return

22、temp_val/times;測(cè)功率因數(shù)部分程序定時(shí)器5通道1輸入捕獲配置/an-：自動(dòng)重裝值psc：時(shí)鐘預(yù)分頻數(shù)void tlm5_cap_init(u 16 arr,u 16 psc)rcc->apb1enri=1«3;/tim5 吋鐘使能rcc->apb2enri=1«2;使能 porta 吋鐘gpi oa->crl&=0xfffffff0;/pao 淸除z 前設(shè)置gpioa->crli=0x00000008; /pao 輸入gpioa->odri=0«0;/pao 下拉tim5->arr=arr;設(shè)定計(jì)數(shù)器自動(dòng)重

23、裝值tim5->psc=psc;預(yù)分頻器tim5->ccmr1i=1«o; /cc1s=o1 選擇輸入端 ic1 映射 到ti1上tim5->ccmr 11=0«4; /ic1f=oooo 配置輸入濾波器 不濾 波tim5->ccmr ll=0«10; /ic2ps=00 配置輸入分頻，不分頻tim5->cceri=0«l;tim5->cceri=l«0;/cc1p=o 上升沿捕獲/cc1e=1 允許捕獲計(jì)數(shù)器的值到捕獲寄存器中允許捕獲中斷允許更新屮斷使能定時(shí)器2tim5->dieri=1«1;tim5->dieri=l«0;tim5->cr 11=0x01;my_nvic_init(2,0,tim5_irqchannel,2);/搶占 2,子優(yōu)先級(jí) 0,組捕獲狀態(tài)：0,沒有成功的捕獲;1,成功捕獲到一次.6:0,還沒捕獲到高電平;1,