無極可調(diào)交流電子負載的設(shè)計與實現(xiàn)

時間：2007-12-02 22:54:00

關(guān)鍵字：交流電子雙向可控硅 MOC3061 上位機

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[導讀]本文利用Atmel公司的高性價比AT-mega48單片機設(shè)計了一種新型電子阻抗，完全拋開了傳統(tǒng)電阻采用電阻絲實現(xiàn)阻值，而是通過控制場效應(yīng)管的通斷時間等效改變阻值大小。

1引言

電阻是電路設(shè)計中最常用的電子元器件之一，具有多種型號、使用方便、價格便宜、操作簡便等特點，在電路中具有重要作用，但也存在諸多缺點，譬如阻值不準確、功耗大、響應(yīng)慢等，給電路設(shè)計帶來了諸多不便。本文利用Atmel公司的高性價比AT-mega48單片機設(shè)計了一種新型電子阻抗，完全拋開了傳統(tǒng)電阻采用電阻絲實現(xiàn)阻值，而是通過控制場效應(yīng)管的通斷時間等效改變阻值大小。這種新型的電子阻抗克服了傳統(tǒng)電阻的缺點，具有阻值精確、響應(yīng)快等優(yōu)點。

2 ATmega48單片機簡介

ATmega48單片機是Atmel公司推出的一款高性能單片機。由于該器件采用RISC精簡指令集結(jié)構(gòu)，其指令集大多為單周期指令，具有高速運行的特點。該單片機在1.8 V～5.5 V的電壓范圍內(nèi)均能正常工作，抗干擾性強，片內(nèi)自帶4 K字節(jié)的Flash、256字節(jié)的E2PROM，以及512字節(jié)SRAM；內(nèi)置6～8路10位A／D轉(zhuǎn)換器、看門狗、3個16位的定時／計數(shù)器，具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC和6路PWM輸出。

3 硬件電路設(shè)計

該系統(tǒng)板卡的主要功能模塊包括雙向光耦觸發(fā)雙向可控硅模塊、絕對值電路模塊、A／D采集模塊、通信模塊等。其基本工作原理：上位機發(fā)送占空比，通過RS-232通信使下位機產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波，控制光耦的通斷時間，改變可控硅的導通時間，并在一個周期內(nèi)等效為相應(yīng)電流，從而實現(xiàn)電流的無極可調(diào)。

3.1 雙向光耦觸發(fā)雙向可控硅模塊

MOC3061系列光電雙向可控硅驅(qū)動器是一種內(nèi)置過零檢測電路的新型光電耦合器件，可以采用直流低電壓、小電流控制交流高電壓、大電流。MOC3061輸出端的額定電壓是600 V。最大重復浪涌電流為1 A，最大電壓上升率dv／dt為1 000 V／μs以上，一般高達2 000 V／μs，輸入／輸出隔離電壓大于7 500 V，輸入控制電流為15 mA。該器件觸發(fā)晶閘管具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、觸發(fā)可靠等特點。MOC3061的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，它由輸入、輸出兩部分組成。1、2引腳為其輸入端，輸入級是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管(LED)，該二極管可在5 mA～15 mA正向電流作用下，發(fā)出足夠的紅外光。以觸發(fā)輸出部分。3、5引腳懸空，4、6引腳為輸出端，輸出級為具有過零檢測功能的光控雙向可控硅。當紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光時，光控雙向可控硅觸發(fā)導通。雙向可控硅采用BTA16。最大電流為16 A，耐壓值為600 V。

MOC3061和雙向可控硅組成交流通路，實現(xiàn)主回路的通斷。由單片機的PWM波輸出端口控制MOC3061的通斷時間，實現(xiàn)主回路的通斷控制。通過改變PWM波的占空比控制雙向可控硅的通斷時間，從而實現(xiàn)主回路電流的無極可調(diào)。

在單片機PB1引腳輸出高電平時，過零通斷型光電耦合器MOC3061初級得到約10 mA的正向工作電流，使內(nèi)部硅化鎵紅外線發(fā)射二極管發(fā)射紅外光，將過零檢測器中光敏雙向開關(guān)在市電過零時導通，接通主回路。在單片機PB1引腳輸出低電平時，雙向開關(guān)關(guān)斷，主回路關(guān)閉。MOC3061和可控硅BTA16的接線如圖2所示。

3.2 絕對值電路

絕對值電路也稱為全波精密整流型電路，如圖3所示。其工作原理如下：

當Ua為正電壓時，D2導通、D1截止，B處的電壓Ub=-2Ua，通過運算放大器U1B的反相求和得到輸出電壓Uc：

Uc=-(Ua+Ub)=-(-Ua-2Ua)=Ua

當Ua為負電壓時，D1導通、D2截止，B處的電壓Ub=0，通過放大器U1B的反相求和得到輸出電壓Uc：

Uc=-(Ua+Ub)=-Ua

綜上所述可得：Uc=|Ua|，即輸出端C電壓是輸入端A電壓的絕對值。

3.3 系統(tǒng)主電路

系統(tǒng)主電路如圖4所示。上位機發(fā)出PWM控制信息，由單片機的PWM端口輸出相應(yīng)的PWM波，控制交流輸入ACA和ACB的導通時間。交流電導通后經(jīng)外部負載產(chǎn)生電流，電流器實現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換，經(jīng)采樣電阻R1后得到電壓信號由絕對值電路輸出到單片機的A／D端口，計算后再輸出至上位機。其中，選取采樣電阻R1要根據(jù)電流互感器的變比和單片機A／D的參考電壓計算。本電路采用變化為3：1 000的電流互感器，A／D采用單片機內(nèi)部的1.1 V基準電壓。而負載電阻R9則是根據(jù)需要的電流及電源電壓進行確定，R9確定后就可實現(xiàn)主回路電流在要求范圍內(nèi)無極可調(diào)。

3.4 通信模塊

上位機與下位機的數(shù)據(jù)傳輸由通信模塊實現(xiàn)，通信模塊是由CAN總線和RS-232總線模塊組成，其電路如圖5所示。

RS-232電平轉(zhuǎn)換器MAX232可將±5 V電源電壓轉(zhuǎn)換成為RS-232輸出電平所需的±10 V電壓。CAN收發(fā)器選用PCA82C250。PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口器件，該器件可提供對CAN總線上的數(shù)據(jù)實現(xiàn)差動發(fā)送和接收的功能。

上位機PC可通過其串行接口發(fā)送數(shù)據(jù)，產(chǎn)生RS-232電平信號，電平轉(zhuǎn)換電路可將該RS-232電平信號轉(zhuǎn)換成單片機能接收的TTL／CMOS電平信號，并傳到協(xié)議轉(zhuǎn)換單元的單片機上，單片機將接收到的數(shù)據(jù)打包、轉(zhuǎn)換后，再通過CAN收發(fā)器發(fā)送至CAN總線。掛接在CAN總線上的下位機節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)控制命令做出相應(yīng)操作。上位機與下位機通信示意圖如圖6所示。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)下位機的軟件設(shè)計主要由A／D轉(zhuǎn)換模塊、接收數(shù)據(jù)模塊、發(fā)送數(shù)據(jù)模塊等幾部分組成。系統(tǒng)下位機軟件流程圖7所示。上位機采用了LabviewCVI編寫人機交互界面，實現(xiàn)各路PWM波的控制和實時電流顯示功能。