一種簡易數(shù)控單向交流低壓精密調(diào)壓裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電壓調(diào)壓方法，尤其涉及一種簡易數(shù)控單向交流低壓精密調(diào)壓裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在科學(xué)研究、測試及教學(xué)演示等領(lǐng)域中，往往需要針對220VAC交流輸入電壓在0-250V之間進(jìn)行靈活變動，這就需要針對輸入電壓進(jìn)行調(diào)壓。目前，市場上有多種調(diào)壓方式，如手動模擬調(diào)壓，晶閘管相控?cái)?shù)字調(diào)壓、IGBT斬波數(shù)控調(diào)壓、通斷控制調(diào)壓，但是在上述場合中，由于其它幾種調(diào)壓方式具有較高的價(jià)格，低價(jià)、穩(wěn)定的手動模擬調(diào)壓被廣泛采用。但是手動模擬調(diào)壓器需要人工控制調(diào)壓輸出，不適用于需要進(jìn)行數(shù)字調(diào)壓控制的場合，這也限制了其在自動化和電力電子領(lǐng)域中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種簡易數(shù)控單向交流低壓精密調(diào)壓裝置及其裝置方法。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0005]—種簡易數(shù)控單向交流低壓精密調(diào)壓裝置，包括單片機(jī)控制器、手動調(diào)壓器、按鍵、液晶屏及顯示電路、工頻變壓器，其特征在于，還包括步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路、輸出電流采樣及整形電路、輸出電壓采樣及整形電路、輔助電源及其變換電路；單片機(jī)控制器輸入端連接有輸出電流采樣及整形電路、輸出電壓采樣及整形電路、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路、輔助電源及其變換電路、按鍵；單片機(jī)控制器輸出端連接有液晶顯示電路；顯示電路輸出端連接有液晶屏；
[0006]220V外部交流電輸送至工頻變壓器、手動調(diào)壓器的輸入端，工頻變壓器的輸出端與輔助電源及其變換電路連接；手動調(diào)壓器的輸出端連接有輸出電流采樣及整形電路、輸出電壓采樣及整形電路；在手動調(diào)壓器的輸出端設(shè)置電壓輸出；手動調(diào)壓器的手柄上連接有步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路連接，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路用于驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)；
[0007]輸出電流采樣及整形電路采用標(biāo)準(zhǔn)電流互感器，感應(yīng)輸出電流的信號量，并通過運(yùn)放構(gòu)成的電路對該信號量做整形處理，以便于單片機(jī)AD采集；輸出電壓采樣及整形電路采用標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器，感應(yīng)輸出電平的信號量，并通過運(yùn)放構(gòu)成的電路對該信號量做整形處理，以便于單片機(jī)AD采集；步進(jìn)電機(jī)及其細(xì)分驅(qū)動電路用于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動手動調(diào)壓器上的手柄旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓；工頻變壓及其輔助電源電路部分采用50W24V AC輸出工頻變壓器，配以輔助電源及其變換電路，為系統(tǒng)提供+24V電源和+5V電源，其中+24V電源為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動用；+5V電源為單片機(jī)系統(tǒng)用；手動調(diào)壓器用于承擔(dān)實(shí)際模擬調(diào)壓的任務(wù)。
[0008]進(jìn)一步，輸出電流采樣及整形電路，包括電流采樣電路、反相比例電路、整流電路、濾波電路、分壓電路、阻抗變換電路；
[0009]電流采樣電路的輸出電壓經(jīng)反相比例電路放大后首先經(jīng)過整流電路，并經(jīng)濾波電路進(jìn)行平滑濾波后，再先后經(jīng)過R5、R7構(gòu)成的分壓電路分壓后輸送至阻抗變換電路，對電壓進(jìn)行阻抗變換后送至單片機(jī)輸入端進(jìn)行電壓采樣，計(jì)算輸出電源的電流值。
[0010]進(jìn)一步，電流采樣電路由電流互感器U1、電阻R1、電阻R2、電容C1和運(yùn)放AR1構(gòu)成；R1為采樣電阻，R2、C1串聯(lián)構(gòu)成相位校正網(wǎng)絡(luò)。
[0011 ] 進(jìn)一步，電阻R4、R3和運(yùn)放U2A構(gòu)成反相比例電路。
[0012]進(jìn)一步，輔助電源電路包括工頻變壓器T1、整流橋D2和D4、開關(guān)電源芯片U4、U2、U3，以及開關(guān)電源芯片外圍所需的濾波電容、電感和快速恢復(fù)二極管IN5822 ;
[0013]開關(guān)電源芯片U4和U2均采用LM2576，其中U4為固定15V輸出，U2為固定5V輸出，用于將整流后的脈動直流變?yōu)閱纹瑱C(jī)系統(tǒng)所需的+5V穩(wěn)定電壓；開關(guān)電源芯片U3采用3A固定24V輸出的LM2596，用于將整流后的脈動直流變?yōu)椴竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)所需的+24V穩(wěn)定電壓。
[0014]調(diào)壓方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0015]步驟1:系統(tǒng)上電初始化；首先單片機(jī)控制首先上電初始化，再進(jìn)行定時(shí)器，SCI,SPI通信接口，時(shí)鐘和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等外設(shè)的的初始化，同時(shí)初始化液晶顯示器；
[0016]步驟2:掃描按鍵并進(jìn)入中斷等待狀態(tài)；
[0017]系統(tǒng)初始化完畢后，首先讀取數(shù)控調(diào)壓器的輸出電壓和電流，進(jìn)而更新顯示屏顯示內(nèi)容；之后進(jìn)入按鍵掃描及中斷等待狀態(tài)，在該狀態(tài)下，系統(tǒng)不斷掃描設(shè)置的按鍵，判斷是否有按鍵輸入，同時(shí)也等待SCI和SPI接口的通信中斷，以接收外部控制器的控制指令輸入；
[0018]當(dāng)有按鍵按下并設(shè)置好輸出電壓或中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入步驟3 ;
[0019]步驟3:采用模糊算法，調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；
[0020]計(jì)算電壓差值并實(shí)施模糊控制算法進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；系統(tǒng)中采用步進(jìn)電機(jī)外加細(xì)分驅(qū)動器進(jìn)行控制，可以達(dá)到很高的轉(zhuǎn)角控制精度，從而也可進(jìn)行微細(xì)電壓調(diào)整；
[0021]步驟4:電壓調(diào)整完畢，返回第二步進(jìn)入按鍵掃描及中斷等待狀態(tài)。
[0022]進(jìn)一步，步驟3中，控制器首先計(jì)算設(shè)定電壓與當(dāng)前輸出電壓的差值，并實(shí)施模糊控制算法調(diào)整:
[0023]當(dāng)差值較大時(shí)，使用較高的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速；
[0024]當(dāng)差值適中時(shí)，調(diào)整步進(jìn)電機(jī)為中速；
[0025]當(dāng)差值較小時(shí)，調(diào)整步進(jìn)電機(jī)為低速；
[0026]當(dāng)差值極小時(shí)，調(diào)整步進(jìn)電機(jī)為最小速度；
[0027]在此過程中，不斷采集調(diào)壓器輸出電壓，并采用控制算法進(jìn)行電壓調(diào)整；當(dāng)電壓達(dá)到允許誤差范圍內(nèi)時(shí)，結(jié)束調(diào)整。
[0028]本發(fā)明的有益效果:
[0029](1)采用控制器、傳感器、執(zhí)行期間及數(shù)顯器件構(gòu)成數(shù)控調(diào)壓器的控制部分，針對原有的市售調(diào)壓器進(jìn)行加裝設(shè)計(jì)，即形成了數(shù)字可調(diào)的交流穩(wěn)壓器，具有成本低、使用方便、調(diào)壓控制形式多樣等特點(diǎn)，填補(bǔ)了低價(jià)低壓數(shù)控調(diào)壓器的空白。
[0030](2)系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)+細(xì)分驅(qū)動器作為執(zhí)行器件，輔助相應(yīng)的模糊控制調(diào)壓算法，可達(dá)到極高的調(diào)壓精度，精度可達(dá)0.1V。
[0031](3)采用單片機(jī)實(shí)施系統(tǒng)控制，用戶可以通過SPI和SCI通信接口外接控制器，依靠外接控制控制調(diào)壓器的輸出電壓。
[0032](4)采用液晶屏進(jìn)行信息的顯示，具有顯示信息量大、直觀等特點(diǎn)。
[0033](5)設(shè)置了輸出電流采樣，不僅可增加輸出功率和功率因數(shù)的顯示，也可為將來過流保護(hù)提供了參考數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明的示意圖；
[0035]圖2輸出電流信號采樣及整形電路；
[0036]圖3輔助電源及其變換電路；
[0037]圖4調(diào)壓流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合圖示與具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0039]簡易數(shù)控單向交流低壓精密調(diào)壓裝置，包括，單片機(jī)控制器1、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路4、步進(jìn)電機(jī)5、手動調(diào)壓器7、輸出電流采樣及整形電路2、輸出電壓采樣及整形電路3、工頻變壓器6及其輔助電源及其變換電路8、按鍵9、液晶屏、顯示電路10 ;單片機(jī)控制器1輸入端連接有輸出電流采樣及整形電路2、輸出電壓采樣及整形電路3、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路4、輔助電源及其變換電路8、按鍵9 ;單片機(jī)控制器1輸出端連接有液晶顯示電路10 ;工頻變壓器6的輸入端輸入有220V交流電，其輸出端與輔助電源及其變換電路8連接。顯示電路10輸出端與液晶屏連接，液晶屏用于顯示裝置的輸出。
[0040]手動調(diào)壓器7的輸入端輸入有220V交流電，其輸出端連接有輸出電流采樣及整形電路2、輸出電壓采樣及整形電路3，同時(shí)在手動調(diào)壓器7的輸出端設(shè)置有輸出電壓；手動調(diào)壓器7的手柄71通過緊固裝置與步進(jìn)電機(jī)5的機(jī)軸連接，步進(jìn)電機(jī)5上設(shè)置一手輪51，步進(jìn)電機(jī)5與步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路4連接，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路4用于驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)5。
[0041]本裝置中，單片機(jī)控制器1采用STC12C5628AD低價(jià)單片機(jī)，內(nèi)部含有8路10位ADC外設(shè)、27個(gè)通用10 口，同時(shí)具有SPI和SCI通信串口，用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的信號量AD采集，電機(jī)的驅(qū)動控制和人機(jī)用戶接口的控制等。
[0042]輸出電流采樣及整形電路2采用標(biāo)準(zhǔn)電流互感器，感應(yīng)輸出電流的信號量，并通過運(yùn)放構(gòu)成的電路對該信號量做整形處理，以便于單片機(jī)AD采集。
[0043]輸出電壓采樣及整形電路3采用標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器，感應(yīng)輸出電平的信號量，并通過運(yùn)放構(gòu)成的電路對該信號量做整形處理，以便于單片機(jī)AD采集。
[0044]步進(jìn)電機(jī)5及其細(xì)分驅(qū)動電路4以42步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行器件，以109S-48-4.5型兩相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分器作為驅(qū)動器件，用于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動手動調(diào)壓器7上的手柄71旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。
[0045]工頻變壓6及其輔助電源電路部分8采用50W24V AC輸出工頻變壓器，配以輔助電源及其變換電路，為系統(tǒng)提供+24V電源和+5V電源，其中+24V電源為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動用；+5V電源為單片機(jī)系統(tǒng)用。
[0046]液晶顯示電路10用于顯示當(dāng)前輸入的交流電壓、交流電流、功率、以及輸出的交流電壓值，以及系統(tǒng)設(shè)置交互顯示信息。
[0047]按鍵9采用4X4矩陣鍵盤，用于常規(guī)數(shù)字的輸入和輸入的確認(rèn)及取消等操作，并同時(shí)用于設(shè)置調(diào)整輸出電壓的通信接口。
[0048]手動調(diào)壓器用于承擔(dān)實(shí)際模擬調(diào)壓的任務(wù)。
[0049]如圖2所示，為輸出電流采樣及整形電路2的電路圖，其由運(yùn)放0P07、LM358D、整流橋D1、穩(wěn)壓管D2、可調(diào)電阻Rl、R2、R3和R7、阻R4和R5、功率電阻R6、平滑濾波電容C3、濾波電容Cl、C2和C4、電流互感器U1組成。
[0050]其中穩(wěn)壓管D2采用5.1V穩(wěn)壓管，使用時(shí)需串聯(lián)限流電阻R6使用；可調(diào)電阻R1、R2、R3和R7均采用不同阻值的可調(diào)玻璃釉精密電位器；電阻R4和R5均采用0805封裝的貼片電阻；功率電阻R6為10歐姆2W的限流電阻；平滑濾波電容C3為470u容值50V耐壓的鋁電解電容；濾波電容Cl、C2和C4均采用0805封裝的104容值的貼片電容；電流互感器U1采用ZMCT102精密電流互感器，輸入輸出比2000:1。
[0051]電流互感器U1、電阻R1、電阻R2、電容C1和運(yùn)放AR1構(gòu)成電流采樣電路21 ；R1為采樣電阻，R2、C1串聯(lián)構(gòu)成相位校正網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)放AR1采用0P07，輸出端的電壓輸出U =I/2000XR1?？紤]到輸入電流一般為1-5A，R1約為100歐姆，該電壓一般為毫伏級，因此其輸出端設(shè)置有由R4、R3和運(yùn)放U2A構(gòu)成反相比例電路22。U2A、U2B采用運(yùn)放LM358D。整流橋D1構(gòu)成整流電路23 ;濾波電容C3、C4并聯(lián)構(gòu)成濾波電路24 ；
[0052]經(jīng)反相比例電路22放大