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1、开关稳压电源（E题） 【本科组】 一、任务 设计并制作如图 1所示的开关稳压电源。 U O R L U 1 = 220 V AC U 2 =18VAC 隔离 变压器 DC-DC 变换器 I O 整流 滤波 U IN I IN 开关稳压电源 图1电源框图 二、要求 在电阻负载条件下，使电源满足下述要求： 1基本要求 （1）输出电压 U O 可调范围：30V36V； （2）最大输出电流 I Omax ：2A； （3）U 2 从 15V 变到 21V 时，电压调整率 S U 2%（I O =2A）； （4）I O 从 0变到 2A 时，负载调整率 S I 5%（U 2 =18V）； （5）输出噪声纹
2、波电压峰-峰值 U OPP 1V（U 2 =18V,U O =36V,I O =2A）； （6）DC-DC 变换器的效率 70%（U 2 =18V,U O =36V,I O =2A）； （7）具有过流保护功能，动作电流 I O（th） =2.50.2A； 2发挥部分 （1）进一步提高电压调整率，使 S U 0.2%（I O =2A）； （2）进一步提高负载调整率，使 S I 0.5%（U 2 =18V）； （3）进一步提高效率，使 85%（U 2 =18V,U O =36V,I O =2A）； （4）排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态； （5）能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值
3、1V，同时具有输 出电压、电流的测量和数字显示功能。 （6）其他。 三、说明 （1）DC-DC 变换器不允许使用成品模块，但可使用开关电源控制芯片。 （2）U 2 可通过交流调压器改变 U 1 来调整。DC-DC 变换器（含控制电路） 只能由 U IN 端口供电，不得另加辅助电源。 （3）本题中的输出噪声纹波电压是指输出电压中的所有非直流成分，要求用带宽不小于 20MHz 模拟示波器（AC 耦合、扫描速度 20ms/div）测量 U OPP 。 （4）本题中电压调整率 S U 指 U 2 在指定范围内变化时，输出电压 U O 的 变化率；负载调整率 S I 指 I O 在指定范围内变化时，输出
4、电压 U O 的 变化率；DC-DC 变换器效率 =P O / P IN ，其中 P O U O I O ，P IN U IN I IN 。 （5）电源在最大输出功率下应能连续安全工作足够长的时间（测试期间， 不能出现过热等故障）。 （6）制作时应考虑方便测试，合理设置测试点（参考图 1）。 （7）设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程 图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的 测试结果用附件给出。 四、评分标准项 目 应包括的主要内容或考核要点 满 分 方案论证 DC-DC 主回路拓扑；控制方法及实现方 案；提高效率的方法及实现方案 8 电路设计 与参数
5、计算 主回路器件的选择及参数计算；控制电 路设计与参数计算；效率的分析及计算； 保护电路设计与参数计算；数字设定及 显示电路的设计 20 测试方法与数据 测试方法；测试仪器；测试数据 (着重考查方法和仪器选择的正确性以及 数据是否全面、准确) 10 测试结果分析 与设计指标进行比较，分析产生偏差的 原因，并提出改进方法 5 电路图及设计文 件 重点考查完整性、规范性 7 设计 报告 总分 50 基本要 求 实际制作完成情况 50 完成第（1）项 10 完成第（2）项 10 完成第（3）项 15 完成第（4）项 4 完成第（5）项 6 其他 5 发挥 部分 总分 50 PWM直流电机控制器 摘要
6、： PWM直流电机控制器是大多数场所普遍采用的直流电机调速技术。系 统的控制部分以单片机为核心，由调速手把输入14V直流电压，通过单片机 来控制输出PWM的占空比，从而以可变的占空比来实现电机调速控制。由于采 用对直流电机电枢电压控制，可以实现电机启动、转动平稳。 关键词：PWM直流电机控制 占空比 调速控制 驱动电路 单片机 引言：近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算 机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开 关功率元件进行脉宽调制(pulse width modulation,简称PWM)已成为直流电动 机新的调速方式。这种调速方法具有
7、开关频率高、低速运行稳定、动态性能优 良、效率高等优点，更重要的是这种调速方式很容易在单片机控制系统中实现， 因此具有很好的发展前景。 一 方案设计与论证： 1电源提供方案 为使模块稳定工作，须有可靠电源。我们考虑了两种电源方案 方案一：采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟 电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电 路电平。 方案二：采用单片机控制模块提供电源。改方案的优点是系统简明扼要， 节约成本；缺点是输出功率不高。 综上所述，我们选择第一种方案。 2 驱动电路方案 方案一：采用晶体管组成的快速半桥驱动电路，由PWM信号作为直流电机 转速控制
8、信号。这种驱动电路只能实现电机的单方向转动。 方案二：采用各国半导体厂商生产的直流电机控制集成电路作为驱动电路， 其功能比较齐全的双极性，具有过热，过流，过压保护功能。可实现电机驱动。 方案三：采用MOSFET管组成的H桥双极性驱动电路，由单片机输出的PWM 信号控制H桥的导通方式，实现电机的双方向转动。 方案四：对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继 电器直接带动电机即可，电路简单易行，但要注意器件功率的选择。 3 控制电路方案 方案一：采用MC14433双积分型A/D集成电路转换器芯片，精度可以做的 比较高，但转换速度比较慢，用于低度速采集系数。 方案二：采用 ADC08
9、09，片内除 A/D 转换部分还有多路模拟开关部分，最多允许 8路模拟量输入。 方案三：采用ADC0832模数转换器件，其性能良好，较易实现14V直流 电压的转换。 4 保护电路方案 5 PWM信号产生方案 PWM脉冲波的产生方法有四种:方案一： 分立电子元件组成的PWM信号发生器 这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式，现 在已经被淘汰了。方案二： 软件模拟法利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实 现PWM波输出。这种方法要占用CPU大量时间，使单片机无法进行其它的工作， 因此也逐渐被淘汰。方案三： 专用PWM集成电路从PWM控制技术出
10、现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯 片，现在市场上已经有很多种型号，如TI公司的TL494芯片，东芝公司的 2SK3131芯片等。这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功 能、过流过压保护功能等。这种专用PWM集成电路可以减轻单片机的负担，工 作更可靠。方案四： 单片机的PWM口新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。如AD公司的12位单 片机ADC831，Inter公司的16位单片机8XC196以及Cygnal公司的8位单片 机C8051FOXX系列等。在新一代的单片机中通过初始化设置，使其PWM输出口 能够自动发出PWM脉冲波，只有在改变占空比时CP
11、U才进行干预。在本设计中采用了第2种产生PWM脉冲波的方法，以训练自己的编程能力和 对PWM技术的应用。 二 硬件设计 1 总体设计 1.1设计模块图 如图1所示，图1 2原理分析与说明 2.1 PWM 调速原理 PWM 调速方法通常采用功率场效应管作为主开关元件，通过改变开关元件的导通方式及 通断比来改变输出电压的大小与极性， 在 PWM 调速系统中占空比T 是一个重要参数， 在电源电压 Ud 不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比T 的大小，改变T 的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。可以采用以下方法改变占空比 T 的值， (1)定宽调频法:保持t1不变，只改变t2，这
12、样使周期(或频率)也随之变。(2)调宽调频法:保持t2不变，只改变t1，这样使周期(或频率)也随之改变。(3) 定频调宽法:保持周期T(或频率)不变，同时改变t1和t2。 前两 种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与 系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空 比从而改变直流电动机电枢两端电压, 由调速手把输入14V直流电压，通 过模数转换电路（ADC0832）送入单片机来控制输出PWM的占空比，从而产生 频率固定占空比可变的PWM信号来实现电机调速控制，如图2所示, 驱 动 电 路 保 护 电 路 直 流 电 机 MOSFET 控 制 电
13、 路 单 片 机C11 30P C12 30P 位位位位 4K JZ 11.0592M Hz + C10 50v/10uF k1 位位 R7 1k RS T 1 p3.0 2 p3.1 3 XT 1 4 XT 2 5 p3.2 6 p3.3 7 p3.4 8 p3.5 9 GN D 10 p3.7 11 p1.0 12 p1.1 13 p1.2 14 p1.3 15 p1.4 16 p1.5 17 p1.6 18 p1.7 19 VC C 20 U3 2051 L ED 1 R9 1K CS 1 VC C 8 CH 0 2 CH 1 3 CL K 7 GN D 4 DO 6 DI 5 AD C
14、0832 U4 P W M + 5V GN D GN D 图2 2.2 电源电路 本电路采用的是 78XX 系列三端稳压器的典型应用，如 3所示， Vin 1 GND 2 + 5V 3 U2 L M 7805C T Vin 1 GND 2 + 12V 3 U1 L M 7812C T D1 1N4007 D2 1N4007 C2 0.33uF /100V C3 1uF C4 0.33uF C5 1uF + C1 100uF /100V + C6 100uF 1 2 VC C 12V R8 0.5K L ED 1 GN D + 5V + 12V 图3 2.3 控制驱动电路 光耦三极管 4N25
15、是隔离放大的驱动元件,当 PWM 信号为高电平时，PWM 信号指示灯 LED2 点亮，开关管 MOSFET 的栅极输入高电平，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端 有电压 Ud，t1(s)后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为 0。t2(s) 后，栅极输出重新变为高电平，开关管的动作重复前面的工作。这样，对应着输入的电平 高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形随 PWM 信号变化，电动机可以实现无级调速， 如果图 4所示， T 1 S TP 75NF 75 A - + DC D5 1N4007 D4 1N4007 L ED 2 4N25 R11 10K R10 10k L 1
16、. R12 0.008 + 12V P W M GN D + 60V 图4 2.4 保护电路 当按下刹车按键时，硬件使用率单片机 2051的 P3.2 口为低电平，CPU 产 生外中断，关闭 PWM 信号输出端，MOSFET 管截止，直流电机停止转动，以 及 MOSFET 被击穿时产生过压、过流保护如图 5所示， D3 1N4007 K2 位位位位 R6 1K OU T 1 1 I N1- 2 I N1+ 3 VC C 4 I N2+ 5 I N2- 6 OU T 2 7 OU T 3 8 I N3- 9 I N3+ 10 GN D 11 I N4+ 12 I N4- 13 OU T 4 14 L M 324 U5 R1 56K R2 56K R3 50K R4 70K R5 270K + C9 4.7uF C7 220 C8 104 + 12V
