数控恒压/恒流直流电源系统的设计与开发

摘要

对比传统的线性电源，开关电源具有体积小、效率高的优越性，从而在许多领域中得到广泛应用。然而，因其输出精度较低、有开关纹波等因素，在高性能应用场合尚未完全取代线性电源。为此，采用数字控制技术来提高开关电源的性能已成为高性能电源的一大发展方向。
　　 本篇论文利用AVR单片机以其成本低和集成度高等方面的优势，与开关电源相结合构成数字控制高性能电源，主要做了以下几方面的工作:
　　 首先，分析了脉宽调制(PWM)式开关电源恒压/恒流的基本原理，建立了非理想并联Buck变换器的数学模型，并探讨了该模型的控制原理。
　　 其次，针对普通电压源精度不高和无负电压输出的问题，研制了一种由ATmega16单片机控制的高精度数控直流电压源，利用单片机片内自带PWM功能和A/D转换器，使外围电路更简单;采用两路独立的比较放大电路、功率放大电路和采样电路，并分别与单片机组成闭环反馈模式进行稳压，解决了传统数控直流电压源不能输出负电压和控制精度不高的问题;采用PID算法快速调节预置电压和实测电压的计算偏差，克服了传统逐次比较累加方法的缺点，大大提高了运行速度，测试结果表明了其有效性。
　　 再次，针对以往直流电流源普遍存在的精度低、调节范围窄和纹波电流较大等缺点，研制了一种基于ATmega64单片机的低纹波高精度数控直流电流源。利用单片机产生两路大小相等、相位相差180(0)和分辨率为16位的PWM波，分别通过两路斩波与滤波稳流电路来减少纹波电流和增宽电流调节范围;采用16位A/D转换器来实现高精度的模数转换，并与单片机组成闭环反馈控制模式来进行稳流，测试结果表明了其有效性。
　　 最后，针对以往开关电源并联供电系统还存在系统效率低和各路输出电流相对误差的绝对值较高的缺点，研制了一种由ATmega64单片机控制的高效率开关电源模块并联供电系统。通过采用两路独立的全桥式DC-AC-DC模块、电流采样与放大电路，并分别与单片机组成闭环反馈模式来进行分流，提高了系统效率、减少了各路输出电流相对误差的绝对值，测试结果表明了其有效性。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 数控直流电压源的研究现状

1．2．2 数控直流电流源的研究现状

1．2．3 并联供电系统的研究现状

1．3 本文的主要研究工作

1．4 本文的内容安排

第2章 数控恒压／恒流直流电源设计技术基础

2．1 数控脉宽调制(PWM)式开关恒压电源的基本原理

2．1．1 脉宽(PWM)式开关恒压电源的工作原理

2．1．2 脉宽调制实现方法

2．2 数控脉宽调制(PWM)式开关恒流电源的基本原理

2．2．1 脉宽(PWM)式开关恒流电源的工作原理

2．2．2 纹波电流产生的原因和主要抑制方法

2．3 并联供电原理

2．3．1 非理想并联Buck变换器建模

2．3．2 并联Buck变换器的控制原理

2．4 本章小结

第3章 基于ATmega16的数控直流电压源设计与实现

3．1 数控直流电压源总体设计

3．1．1 数控直流电压源的功能要求及技术指标

3．1．2 数控直流电压源总体设计方案

3．2 数控直流电压源硬件系统设计

3．2．1 控制电路设计

3．2．2 比较与功率放大电路设计

3．2．3 保护电路设计

3．2．4 其他电路设计

3．3 数控直流电压源软件系统设计

3．4 实验结果与分析

3．5 调试与使用说明

3．6 本章小结

第4章 基于ATmega64的数控直流电流源设计与实现

4．1 数控直流电流源总体设计

4．1．1 数控直流电流源的功能要求及技术指标

4．1．2 数控直流电流源总体设计方案

4．2 数控直流电流源硬件系统设计

4．2．1 PWM波产生原理与实现

4．2．2 减少纹波电流的原理与实现

4．2．3 提高系统精度的原理与实现

4．2．4 其他电路设计

4．3 数控直流电流源软件系统设计

4．4 系统测试与分析

4．4．1 输出电流调节范围和纹波电流的测试与分析

4．4．2 输出电流稳定度的测试与分析

4．4．3 步进电流的测试

4．5 本章小结

第5章 基于ATmega64的并联供电系统设计与实现

5．1 并联供电系统总体设计

5．1．1 并联供电系统的功能要求及技术指标

5．1．2 并联供电系统总体设计方案

5．2 并联供电系统硬件设计

5．2．1 控制电路设计

5．2．2 主电路设计

5．2．3 其他电路设计

5．3 并联供电系统软件设计

5．4 实验结果与分析

5．4．1 系统效率测试

5．4．2 自动分流测试

5．4．3 按设定的比例分流测试

5．4．4 负载短路保护及自恢复功能测试

5．6 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读硕士学位期间获得的专利

附录C 攻读硕士学位期间主持的科研项目

附录D 攻读硕士学位期间获得的奖励