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文檔簡介
1、系統(tǒng)以ucc28019為控制核心,實現(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boost主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的升壓電路的輸入電流進行控制,使其達 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21.2方案設(shè)計與論證2第二章系統(tǒng)綜合設(shè)計32.1系統(tǒng)總體流程32.2系統(tǒng)軟件設(shè)計32.3系統(tǒng)硬件設(shè)計32. 3. 1
2、總體設(shè)計32.4電路設(shè)計與計算42.4.1輸入電感參數(shù)的計算42.4.2輸出電容參數(shù)的計算42.4.3整流橋的選擇52. 5過流保護模塊5第三章測試與調(diào)試53. 1主電路調(diào)試53.2檢測電路調(diào)試53. 2.1軟件調(diào)試63. 2. 2實驗測試結(jié)果6第四章結(jié)論6參考文獻6第一章系統(tǒng)方案11系統(tǒng)總體方案設(shè)計木系統(tǒng)采用stm32單片機為檢測控制核心,對整個系統(tǒng)進行監(jiān)測,可測量輸岀電壓、 輸出電流、功率因數(shù)以及可實現(xiàn)輸出電壓自動設(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?電路和測量電路包括pfc控制電路和單片機測量控
3、制電路,pfc控制電路由專用pfc芯 片組成,單片機測量控制電路主耍是輸出側(cè)通過電阻分壓并用ad進行采集送至單片機 進行電壓測量顯示,同樣通過采集采樣電阻電壓進行屯流測量顯示。保護電路由pfc芯 片的過壓和過流保護,以及ad檢測輸出電流的人小,過流則關(guān)斷單片機控制繼電器。12方案設(shè)計與論證方案一:采用dsp+boost實現(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時刻檢測輸入電壓、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,經(jīng)過隔離和驅(qū)動控制開關(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功率因數(shù)進行校正,使輸入電流 的跟蹤誤差產(chǎn)生的崎變小于1 %,實現(xiàn)了接近于1的功率因數(shù)。ucc28019組成的pfc電 路,只調(diào)節(jié)一個放大器的補償網(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 是軟件編程困難,采樣算法復(fù)雜,計算量人,難以達到很高的采樣頻率,此外還更注意 控制器和主電路的隔離和驅(qū)動。而采用模擬控制方法的優(yōu)點是,使用專用1c芯片,簡 單直接,無需軟件編程。缺點是電路調(diào)試麻煩,易受噪聲干擾。然后,我們考慮到本組 人員的知識和能力的有限,采用數(shù)字控制來實現(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)計步驟減少了兒步,相對來說簡單易行,而且實驗結(jié) 果證明該方案完全
6、達到題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2.1系統(tǒng)總體流程軟件控制功率因數(shù)測量電路的工作,以及對輸出電壓、電流的實時采樣與顯示,還包 括在數(shù)字設(shè)定時通過計算后確定d/a轉(zhuǎn)換器輸出參考電壓。當(dāng)檢測到輸出電流大于2. 5a 時,控制繼電器的關(guān)斷和電路的復(fù)位。其設(shè)計流程圖見附錄圖2.1所示。2. 2系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用stm32單片機進行編程,從而實現(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)的檢測與控制。單片機所要處理的工作主要分為兩個部分, 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 集到單片機后,單片機根據(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)計見附錄圖1所示。2. 3系統(tǒng)硬件設(shè)計2. 3.1總體設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求,可確定系統(tǒng)主要構(gòu)造為:主電路,控制電路,測量電路和保護電路 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控制電路和測量電路包括pfc控制電路和單片機測量控制電路,pfc 控制電路由專用pfc芯片組成,單片機測量控制電路主要是輸出側(cè)通過電阻分壓并用ad進行采集送至單片機進行電壓測量顯示,同樣通過采集采樣電阻電壓進行屯流測量顯 示。保護電路由pfc芯片的過壓和過流保護,以及ad檢測輸出電流的大小,過流則關(guān) 斷單片機控制繼電器。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,為計算簡單,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)計與計算 2. 4.1輸入電感參數(shù)的計算根據(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)的計算該電容的選擇主要是滿足輸出電壓保持時間;當(dāng)要求在保持時間smp二17 arcmin)內(nèi),開關(guān)電源輸出電壓不低于30v時,則輸出濾波電容容量按下式計算:out2pout( holdupout 一 v。嘰 holdup(min)2x90wx2128/s362-302> 9673實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過流保護模塊過流保護是一種電源負(fù)載保護功能,以避免發(fā)生包括輸出端子上的短路在內(nèi)的過負(fù) 載輸出電流對電源和負(fù)載的損壞。所以當(dāng)輸出電流為2.5a時,電路自動保護。鑒于此要 求,采用ucc28019芯片內(nèi)部的封鎖功能,由單片機檢測過流并控制芯片引腳icomp的 電平,但考慮到這樣的封鎖對象僅僅限于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,對整個
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,當(dāng)單片機檢測輸岀過流時,將發(fā)岀指令電平通過繼電 器來切斷主回路,達到保護負(fù)載的功能。經(jīng)實際測試,當(dāng)單片機再次檢測輸岀電流正常 時,釋放屯平,電路可重新恢復(fù)。第三章測試與調(diào)試3.1主電路調(diào)試整個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了的地方,以及接地線是否都連接在一起了。然后測量輸入電壓 是否在預(yù)定的范圍內(nèi),因為前級的屯路是一個整流橋和一個電容濾波,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檢測電路調(diào)試檢測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,對輸出電壓采樣顯示來說,為了達到一定的精 度,很多參數(shù)都需要校準(zhǔn),將采樣值轉(zhuǎn)換為實際的電壓值時,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)手冊已經(jīng)給定了但實際 的參考電壓與數(shù)據(jù)手冊上有一定的差距,信號調(diào)理電路的放人比例也町以通過計算得到 但
14、元件的容差會使其不準(zhǔn)確,而且這兩個量是獨立的沒有聯(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),獲得和對準(zhǔn)確的值。3. 2. 2實驗測試結(jié)果系統(tǒng)實驗測試結(jié)果見附錄4。結(jié)論測試的結(jié)果顯示,設(shè)計較好的完成了預(yù)期設(shè)計目標(biāo),功率因數(shù)高達95%以上,穩(wěn)定 性好,并且較好的完成了功率因數(shù)的檢測顯示。不設(shè)計屮系統(tǒng)要求的實現(xiàn)的一個很重要 的特點是釆用了雙閉環(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),通過對輸入電流的檢測來實行電流波形優(yōu)化。通過這些功能 簡化了實際便件電路的設(shè)計,而且能達到很好的效果。另一個特點是采用了一種比較簡 單的方法實現(xiàn)了功率因數(shù)的檢測,即用硬件實
15、現(xiàn)波形的調(diào)理用軟件實現(xiàn)記時與計算,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,電源技術(shù)應(yīng) 用,2009 o2 施保華,計算機控制技術(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)計及仿真研究j,佳木斯 大學(xué)學(xué)報: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)計競賽培訓(xùn)系列教程模擬電子線路設(shè)計
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)計圖圖231系統(tǒng)總體框圖序號項目與測試條件測試記錄1測量輸出rl=30qu2=16v測量值uo=35.8v電壓u2=18v測量值uo=35.8vu2=19v測量值uo=35.8vu2=18vrl=60q測量值uo=36vrl=30q測量值uo=35.8vrl=20q測量值uo=35.2v2功率因數(shù)u2=18v,rl=30q測量值u212相位差 <p=8°cos(p二0. 990圖3.2.1實驗測試結(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 口時鐘 gpioa->crl&=oxffffffof;/pa1 anolog 輸入 通道10/11設(shè)置rcc->apb2enri=1«9;/adc 1 時鐘使能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時鐘設(shè)置為12m,adc最人時鐘不能超過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)! 必須使用一個事件來觸發(fā)adc1->cr2&=(lvvll); /右對齊adc 1 ->sqr 1 &=-(0xf«20);adc1->sqr1 &=0«20;/i個轉(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的采樣時間adcl>smpr2&=(7vv3); 通道1采樣時間清空adc1->smpr2i=7«3;通道1239.5周期,捉高采樣時間可以提高精確度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/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;測功率因數(shù)部分程序定時器5通道1輸入捕獲配置/an-:自動重裝值psc:時鐘預(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)定計數(shù)器自動重
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 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,
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