開(kāi)關(guān)電源畢業(yè)論文-超磁致伸縮換能器的高頻驅(qū)動(dòng)電源實(shí)驗(yàn)研究

超磁致伸縮換能器的高頻驅(qū)動(dòng)電源實(shí)驗(yàn)研究第一章 緒論1.1研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向 傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源是采用模擬技術(shù)進(jìn)行控制的,隨著時(shí)代的發(fā)展,數(shù)字控制逐漸取代了模擬控制,在高頻開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。順應(yīng)這一潮流,技術(shù)人員紛紛開(kāi)發(fā)高性能的智能電源,并在一些領(lǐng)域獲得了初步的應(yīng)用。開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展是與人們對(duì)半導(dǎo)體器件以及磁性元件等的研究探索相輔相成的,開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展刺激了相關(guān)元件的發(fā)展,而相關(guān)元件的不斷發(fā)展又反過(guò)來(lái)為開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展提供了強(qiáng)大支持。只有不斷提高功率器件以及高頻電磁元件的性能,才能為高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展提供源源不斷的動(dòng)力。根據(jù)我們課題組的項(xiàng)目需求，需要為一款磁致伸縮換能器設(shè)計(jì)一個(gè)可調(diào)頻的高頻電源，為此我們做了相關(guān)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，下面給出硬件和軟件部分的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x第二章 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)硬件部分 根據(jù)項(xiàng)目需求，需要做一個(gè)可實(shí)時(shí)調(diào)頻的高頻開(kāi)關(guān)電源，要求輸入電壓為工頻220V交流電壓源，輸出為10K-50KHZ的可實(shí)時(shí)調(diào)頻的電壓，采用DSP2812芯片作為主控制芯片。2.1 直流供電電源圖5.1 直流供電電源原理圖該部分為直流供電電源原理圖，主要為驅(qū)動(dòng)電路和運(yùn)算放大電路提供穩(wěn)定的直流電源信號(hào)。首先，工頻220V交流信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)帶中心抽頭的變壓器，該變壓器有三根引線(xiàn)，提供18V*2交流電壓，即兩個(gè)18V的交流電壓信號(hào)，圖5.2為該電壓波形。變壓器二次側(cè)輸出的交流信號(hào)經(jīng)過(guò)橋式整流電路整流成直流電路，電解電容C11起到穩(wěn)壓的作用，相當(dāng)于一個(gè)直流電壓源，其電壓值約為24V，如圖5.3所示。LM7815是三端正穩(wěn)壓器電路，輸出穩(wěn)定的+15V電壓信號(hào)，為驅(qū)動(dòng)電路和運(yùn)算放大電路提供電源信號(hào)，圖5.4為穩(wěn)壓管輸出的電壓信號(hào)。圖5.2變壓器二次側(cè)交流電壓波形圖5.3 電解電容C11兩端電壓波形圖5.4穩(wěn)壓管輸出電壓波形2.2 光電隔離和驅(qū)動(dòng)電路由于DSP2812芯片輸出的PWM控制信號(hào)高電平僅為3.3V，驅(qū)動(dòng)能力非常有限，而驅(qū)動(dòng)逆變電路中的全控型整流器件MOSFET需要1020V的驅(qū)動(dòng)電壓，因此如果利用DSP直接控制MOSFET的通斷，需要中間加驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路分為直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)。采用隔離驅(qū)動(dòng)時(shí)，電路在發(fā)揮驅(qū)動(dòng)功能的同時(shí)將控制電路和主電路電氣關(guān)系隔離，以免相互影響，本設(shè)計(jì)采用隔離驅(qū)動(dòng)。隔離方式有光電隔離和電磁隔離。光電隔離具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和隔離效果好等優(yōu)點(diǎn)，但其共模抑制能力差，傳輸速度慳，采用高速光耦成本也比較高。本設(shè)電路計(jì)中的逆變器采用IR公司的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110，它兼有光電隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，工作頻率可達(dá)500KHZ，速度快，高端懸浮自舉電源的設(shè)計(jì)使得電路應(yīng)用簡(jiǎn)便。參考文獻(xiàn)引用驅(qū)動(dòng)電路如圖2.1所示。圖2.1 光電隔離和驅(qū)動(dòng)電路圖2.2 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖2.2所示是驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物，采用5個(gè)TLP250貼片型光耦隔離芯片，2個(gè)直插型IR2110驅(qū)動(dòng)芯片和1個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片IRS21850貼片型芯片。圖2.3是DSP輸出的PWM信號(hào)，由圖可看出這是一對(duì)帶有死區(qū)時(shí)間的對(duì)稱(chēng)PWM信號(hào)，該信號(hào)頻率約為20KHZ，占空比為50%，死區(qū)時(shí)間約為5。從圖中可以看出，輸出信號(hào)整體比較平穩(wěn)，但還存在時(shí)間很短的正的和負(fù)的尖峰脈沖信號(hào)且有一定的擾動(dòng)。圖2.3 DSP芯片輸出的PWM信號(hào)隔離電路采用日本東芝公司生產(chǎn)的TLP250光電隔離芯片，其工作原理圖如圖2.4所示，利用光電耦合原理，2號(hào)管腳接DSP開(kāi)發(fā)板上的+5V信號(hào)，3號(hào)管腳接DSP開(kāi)發(fā)板輸出的PWM信號(hào)，當(dāng)輸入PWM信號(hào)為低時(shí)，發(fā)光二極管通電發(fā)亮，右邊的光敏二極管負(fù)責(zé)接收左邊2,3腳LED發(fā)出的光，產(chǎn)生一個(gè)光電流信號(hào)，也就是電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，光信號(hào)再轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這樣就實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的光電隔離為什么加光電隔離。由于光電流信號(hào)一般只有幾微安，所以需要用放大電路將該信號(hào)放大，經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)由6，7腳輸出。當(dāng)輸入PWM信號(hào)為高電平時(shí)，2,3腳LED不發(fā)光，芯片6,7腳輸出低電平信號(hào)。圖2.5為開(kāi)發(fā)板輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離芯片TLP250輸出的信號(hào)，由圖可看出輸出高電平信號(hào)變?yōu)?5V，同時(shí)信號(hào)存在一個(gè)18V左右的尖峰脈沖。圖2.4 TLP250工作原理圖圖2.5 經(jīng)過(guò)光電隔離電路輸出的PWM信號(hào)2.3主電路根據(jù)設(shè)計(jì)需求，先做了一個(gè)測(cè)試電路，主電路如圖3所示，220V工頻電壓源經(jīng)過(guò)變壓器輸出工頻24V交流電，再經(jīng)過(guò)單相橋式整流電路，輸出18V直流電。再經(jīng)過(guò)逆變電路，該逆變電路采用單相半橋電壓型逆變電路。采用兩個(gè)MOSFET作為全控型器件，該器件采用IR公司的IRFPC40電力MOSFET，利用驅(qū)動(dòng)電路輸出的PWM信號(hào)控制MOSFET的關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)輸出不同頻率、不同占空比的交流電。圖3 主電路圖4實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試，后面會(huì)給出相關(guān)測(cè)試結(jié)果，并且根據(jù)相關(guān)測(cè)試又進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)，如圖5所示。圖5 進(jìn)一步主電路設(shè)計(jì)1. 實(shí)驗(yàn)軟件部分本設(shè)計(jì)采用TI公司的DSP2812作為控制芯片，用CCS軟件進(jìn)行相關(guān)的程序編寫(xiě)，實(shí)驗(yàn)用開(kāi)發(fā)板如圖6所示。該設(shè)計(jì)主要采用DSP2812芯片的ADC采樣模塊和事件管理器EV模塊，利用中斷模式來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的編寫(xiě)，下面給出CCS軟件程序編譯界面。2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 根據(jù)原理圖設(shè)計(jì)，制作了PCB板，并連接各個(gè)模塊做了一些實(shí)驗(yàn)，下面是一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖7是一對(duì)可調(diào)頻的占空比為50%的PWM輸出波形，這是由DSP2812芯片輸出的可調(diào)頻的一對(duì)對(duì)稱(chēng)的帶有死區(qū)時(shí)間的PWM信號(hào)，再經(jīng)過(guò)帶光電隔離的驅(qū)動(dòng)電路輸出的電壓為15V的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖7 PWM輸出信號(hào)圖8是實(shí)驗(yàn)測(cè)試的電源輸出信號(hào)，由圖可看出，電壓正負(fù)峰值均為20V，頻率約為20KHZ的方波信號(hào)。同時(shí)也可看出輸出的電壓信號(hào)波形有些失真，諧波干擾嚴(yán)重，輸出信號(hào)不穩(wěn)定。目前存在的問(wèn)題可能是由以下幾個(gè)方面引起的， 一、軟些編寫(xiě)還存在問(wèn)題，沒(méi)有加入濾波算法，ADC采樣輸入信號(hào)不穩(wěn)定，采樣不精確，PWM輸出波形不穩(wěn)定。2、 因?yàn)樾盘?hào)頻率比較高，在電磁兼容性等方面存在問(wèn)題，電磁干擾較大。3、 硬件電路設(shè)計(jì)還不完善，還需在設(shè)計(jì)中加入一些濾波電路。4、 信號(hào)隔離效果還不太理想，輸入波形和輸出波形之間還存在一定偏差，目前正在考慮加入邏輯門(mén)電路和減小輸出電阻來(lái)進(jìn)行調(diào)試。如圖，采用了74LS00N與非門(mén)邏輯門(mén)電路，該芯片有四路獨(dú)立的與非門(mén)邏輯電路。圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試的電源輸出信號(hào)根據(jù)該設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)做出如下總結(jié)：1、 進(jìn)行電路設(shè)計(jì)必須具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，如果不了解各個(gè)器件的特性以及電路原理，就會(huì)在設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)很多錯(cuò)誤。2、 現(xiàn)在市場(chǎng)上的器件和芯片種類(lèi)繁多，封裝結(jié)構(gòu)各異，在做PCB板封裝時(shí)必須對(duì)所用器件都有所了解，不然在焊接電路板和購(gòu)買(mǎi)元器件時(shí)會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題。3、 在實(shí)驗(yàn)過(guò)