CN105242727A - 一种简易数控单向交流低压精密调压装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种简易数控单向交流低压精密调压装置及方法，包括单片机控制器、手动调压器、按键、液晶显示电路、工频变压器、步进电机细分驱动电路及步进电机、输出电流采样及整形电路、输出电压及整形电路、辅助电源及其变换电路；单片机控制器输入端连接有输出电流采样及整形电路、输出电压采样及整形电路、步进电机细分驱动电路、辅助电源及其变换电路、按键；单片机控制器输出端连接有液晶显示电路。***采用步进电机、细分驱动器作为执行器件，辅助相应的模糊控制调压算法，可达到极高的调压精度，精度可达0.1V。

Description

一种简易数控单向交流低压精密调压装置及其方法

技术领域

本发明涉及电压调压方法，尤其涉及一种简易数控单向交流低压精密调压装置及其方法。

背景技术

在科学研究、测试及教学演示等领域中，往往需要针对220VAC交流输入电压在0-250V之间进行灵活变动，这就需要针对输入电压进行调压。目前，市场上有多种调压方式，如手动模拟调压，晶闸管相控数字调压、IGBT斩波数控调压、通断控制调压，但是在上述场合中，由于其它几种调压方式具有较高的价格，低价、稳定的手动模拟调压被广泛采用。但是手动模拟调压器需要人工控制调压输出，不适用于需要进行数字调压控制的场合，这也限制了其在自动化和电力电子领域中的应用。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提出了一种简易数控单向交流低压精密调压装置及其装置方法。

本发明的技术方案为:

一种简易数控单向交流低压精密调压装置，包括单片机控制器、手动调压器、按键、液晶屏及显示电路、工频变压器，其特征在于，还包括步进电机及步进电机细分驱动电路、输出电流采样及整形电路、输出电压采样及整形电路、辅助电源及其变换电路；单片机控制器输入端连接有输出电流采样及整形电路、输出电压采样及整形电路、步进电机细分驱动电路、辅助电源及其变换电路、按键；单片机控制器输出端连接有液晶显示电路；显示电路输出端连接有液晶屏；

220V外部交流电输送至工频变压器、手动调压器的输入端，工频变压器的输出端与辅助电源及其变换电路连接；手动调压器的输出端连接有输出电流采样及整形电路、输出电压采样及整形电路；在手动调压器的输出端设置电压输出；手动调压器的手柄上连接有步进电机，步进电机与步进电机细分驱动电路连接，步进电机细分驱动电路用于驱动步进电机；

输出电流采样及整形电路采用标准电流互感器，感应输出电流的信号量，并通过运放构成的电路对该信号量做整形处理，以便于单片机AD采集；输出电压采样及整形电路采用标准电压互感器，感应输出电平的信号量，并通过运放构成的电路对该信号量做整形处理，以便于单片机AD采集；步进电机及其细分驱动电路用于单片机控制步进电机带动手动调压器上的手柄旋转实现调压；工频变压及其辅助电源电路部分采用50W24VAC输出工频变压器，配以辅助电源及其变换电路，为***提供+24V电源和+5V电源，其中+24V电源为步进电机驱动用；+5V电源为单片机***用；手动调压器用于承担实际模拟调压的任务。

进一步，输出电流采样及整形电路，包括电流采样电路、反相比例电路、整流电路、滤波电路、分压电路、阻抗变换电路；

电流采样电路的输出电压经反相比例电路放大后首先经过整流电路，并经滤波电路进行平滑滤波后，再先后经过R5、R7构成的分压电路分压后输送至阻抗变换电路，对电压进行阻抗变换后送至单片机输入端进行电压采样，计算输出电源的电流值。

进一步，电流采样电路由电流互感器U1、电阻R1、电阻R2、电容C1和运放AR1构成；R1为采样电阻，R2、C1串联构成相位校正网络。

进一步，电阻R4、R3和运放U2A构成反相比例电路。

进一步，辅助电源电路包括工频变压器T1、整流桥D2和D4、开关电源芯片U4、U2、U3，以及开关电源芯片***所需的滤波电容、电感和快速恢复二极管IN5822；

开关电源芯片U4和U2均采用LM2576，其中U4为固定15V输出，U2为固定5V输出，用于将整流后的脉动直流变为单片机***所需的+5V稳定电压；开关电源芯片U3采用3A固定24V输出的LM2596，用于将整流后的脉动直流变为步进电机驱动***所需的+24V稳定电压。

调压方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：***上电初始化；首先单片机控制首先上电初始化，再进行定时器，SCI，SPI通信接口，时钟和模数转换器等外设的的初始化，同时初始化液晶显示器；

步骤2：扫描按键并进入中断等待状态；

***初始化完毕后，首先读取数控调压器的输出电压和电流，进而更新显示屏显示内容；之后进入按键扫描及中断等待状态，在该状态下，***不断扫描设置的按键，判断是否有按键输入，同时也等待SCI和SPI接口的通信中断，以接收外部控制器的控制指令输入；

当有按键按下并设置好输出电压或中断发生时，***进入步骤3；

步骤3：采用模糊算法，调整步进电机的转速；

计算电压差值并实施模糊控制算法进行步进电机转速的控制；***中采用步进电机外加细分驱动器进行控制，可以达到很高的转角控制精度，从而也可进行微细电压调整；

步骤4：电压调整完毕，返回第二步进入按键扫描及中断等待状态。

进一步，步骤3中，控制器首先计算设定电压与当前输出电压的差值，并实施模糊控制算法调整：

当差值较大时，使用较高的步进电机转速；

当差值适中时，调整步进电机为中速；

当差值较小时，调整步进电机为低速；

当差值极小时，调整步进电机为最小速度；

在此过程中，不断采集调压器输出电压，并采用控制算法进行电压调整；当电压达到允许误差范围内时，结束调整。

本发明的有益效果：

(1)采用控制器、传感器、执行期间及数显器件构成数控调压器的控制部分，针对原有的市售调压器进行加装设计，即形成了数字可调的交流稳压器，具有成本低、使用方便、调压控制形式多样等特点，填补了低价低压数控调压器的空白。

(2)***采用步进电机+细分驱动器作为执行器件，辅助相应的模糊控制调压算法，可达到极高的调压精度，精度可达0.1V。

(3)采用单片机实施***控制，用户可以通过SPI和SCI通信接口外接控制器，依靠外接控制控制调压器的输出电压。

(4)采用液晶屏进行信息的显示，具有显示信息量大、直观等特点。

(5)设置了输出电流采样，不仅可增加输出功率和功率因数的显示，也可为将来过流保护提供了参考数据。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2输出电流信号采样及整形电路；

图3辅助电源及其变换电路；

图4调压流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。

简易数控单向交流低压精密调压装置，包括，单片机控制器1、步进电机细分驱动电路4、步进电机5、手动调压器7、输出电流采样及整形电路2、输出电压采样及整形电路3、工频变压器6及其辅助电源及其变换电路8、按键9、液晶屏、显示电路10；单片机控制器1输入端连接有输出电流采样及整形电路2、输出电压采样及整形电路3、步进电机细分驱动电路4、辅助电源及其变换电路8、按键9；单片机控制器1输出端连接有液晶显示电路10；工频变压器6的输入端输入有220V交流电，其输出端与辅助电源及其变换电路8连接。显示电路10输出端与液晶屏连接，液晶屏用于显示装置的输出。

手动调压器7的输入端输入有220V交流电，其输出端连接有输出电流采样及整形电路2、输出电压采样及整形电路3，同时在手动调压器7的输出端设置有输出电压；手动调压器7的手柄71通过紧固装置与步进电机5的机轴连接，步进电机5上设置一手轮51，步进电机5与步进电机细分驱动电路4连接，步进电机细分驱动电路4用于驱动步进电机5。

本装置中，单片机控制器1采用STC12C5628AD低价单片机，内部含有8路10位ADC外设、27个通用IO口，同时具有SPI和SCI通信串口，用于实现整个***的信号量AD采集，电机的驱动控制和人机用户接口的控制等。

输出电流采样及整形电路2采用标准电流互感器，感应输出电流的信号量，并通过运放构成的电路对该信号量做整形处理，以便于单片机AD采集。

输出电压采样及整形电路3采用标准电压互感器，感应输出电平的信号量，并通过运放构成的电路对该信号量做整形处理，以便于单片机AD采集。

步进电机5及其细分驱动电路4以42步进电机为执行器件，以109S-48-4.5型两相步进电机细分器作为驱动器件，用于单片机控制步进电机带动手动调压器7上的手柄71旋转实现调压。

工频变压6及其辅助电源电路部分8采用50W24VAC输出工频变压器，配以辅助电源及其变换电路，为***提供+24V电源和+5V电源，其中+24V电源为步进电机驱动用；+5V电源为单片机***用。

液晶显示电路10用于显示当前输入的交流电压、交流电流、功率、以及输出的交流电压值，以及***设置交互显示信息。

按键9采用4×4矩阵键盘，用于常规数字的输入和输入的确认及取消等操作，并同时用于设置调整输出电压的通信接口。

手动调压器用于承担实际模拟调压的任务。

如图2所示，为输出电流采样及整形电路2的电路图，其由运放OP07、LM358D、整流桥D1、稳压管D2、可调电阻R1、R2、R3和R7、阻R4和R5、功率电阻R6、平滑滤波电容C3、滤波电容C1、C2和C4、电流互感器U1组成。

其中稳压管D2采用5.1V稳压管，使用时需串联限流电阻R6使用；可调电阻R1、R2、R3和R7均采用不同阻值的可调玻璃釉精密电位器；电阻R4和R5均采用0805封装的贴片电阻；功率电阻R6为10欧姆2W的限流电阻；平滑滤波电容C3为470u容值50V耐压的铝电解电容；滤波电容C1、C2和C4均采用0805封装的104容值的贴片电容；电流互感器U1采用ZMCT102精密电流互感器，输入输出比2000:1。

电流互感器U1、电阻R1、电阻R2、电容C1和运放AR1构成电流采样电路21；R1为采样电阻，R2、C1串联构成相位校正网络，运放AR1采用OP07，输出端的电压输出U＝I/2000×R1。考虑到输入电流一般为1-5A，R1约为100欧姆,该电压一般为毫伏级，因此其输出端设置有由R4、R3和运放U2A构成反相比例电路22。U2A、U2B采用运放LM358D。整流桥D1构成整流电路23；滤波电容C3、C4并联构成滤波电路24；

经反相比例电路22放大后的电压首先经过整流桥D1，并经C3和C2进行平滑滤波后，再先后经过R5、R7构成的分压网络分压、C4电容滤波、D2稳压管稳压后，送至U2B的同相输入端，对该电压进行阻抗变换后送至单片机的AD管脚P1.0_ADC0进行电压采样，进而计算出输出电源的电流值。

辅助电源及其变换电路如图3所示，该电路主要由工频变压器T1、整流桥D2和D4、开关电源芯片LM2576和LM2596、以及开关电源芯片***所需的滤波电容、电感和快速恢复二极管IN5822构成。考虑到数控调压器需要两种电压：+5V和+24V，前者用于单片机***电源；后者用于步进电机***驱动。同时考虑到步进电机***驱动所需电流较大，特单独采用一路LM2596固定输出24V电压。而针对另外一路5V输出，为减小电压稳定应力，增强电源***的稳定性，采用两级稳压，首先将+24V变为+15V，然后再将+15V变为+5V。

开关电源芯片U1和U2均采用LM2576，其中U4为固定15V输出，U2为固定5V输出，用于将整流后的脉动直流变为单片机***所需的+5V稳定电压。开关电源芯片U3采用3A固定24V输出的LM2596，用于将整流后的脉动直流变为步进电机驱动***所需的+24V稳定电压。

工频变压器T1采用50W功率24VAC输出的变压器，用于对输入的市电进行降压，为数控调压装置控制部分提供电源。

整流桥D2和D4全部采用1N4007构成，采用DO-214AC封装的贴片M7，用于对输入的交流电压进行整流。

经整流桥D2整流后的电压经电容C5、C1、C6滤波后输送至开关电源芯片U4进行第一次降压，降压为15V，然后再输送至开关电源芯片U2进行第二次降压，降压为5V电压；

经整流桥D4整流后的电压经电容C8、C10滤波后送至开关电源芯片U3，将电压转换为24V电压；

开关电源芯片U4、U2、U3的输出端均设置有快速恢复二极管IN5822及LC滤波电路组成的***电路。

本装置的工作原理如下：本装置在原有的手动调压器上增加新的控制装置以实现数字控制调压的功能，当外部市电220V交流电压输入至手动调压器的输入端。当控制人员在按键上输入需要的输出电压时，单片机控制可通过输出电流采样及整形电路和输出电压采样及整形电路采集市电的交流电压和电流，单片机控制器可根据内部计算，驱动步进电机细分驱动器以驱动步进电机进行旋转，从而实现调整输出电压的目的。此外，整个外加控制装置的电源为输入电压经工频变压后，再经辅助电源及其变换电路进行电压变换之后的电压。此调压器工作过程中，液晶屏可实时显示当前输入的市电电压、电流以及输出电压信息。同时，单片机***部分留有数字通信接口SPI和SCI，用户可通过其它外部控制器连接该通信接口，实施智能调压控制。

如图4所示，一种简易数控单向交流低压精密调压方法，包括如下步骤：

第一步：***上电初始化。输入市电经过辅助变压器及辅助电源变换电路后，给整个***供电。单片机控制首先上电初始化，进行定时器，SCI，SPI通信接口，时钟和模数转换器等外设的的初始化，同时初始化液晶显示器。之后***进入第二步执行。

第二步：扫描按键并进入中断等待状态。***初始化完毕后，首先读取数控调压器的输出电压和电流，进而更新显示屏显示内容。之后进入按键扫描及中断等待状态，在该状态下，***不断扫描设置的按键，判断是否有按键输入(用户可通过按键直接设置输出电压)。同时也等待SCI和SPI接口的通信中断，以接收外部控制器的控制指令输入。

当有按键按下并设置好输出电压或中断发生时，***进入第三步执行

第三步：计算电压差值并实施模糊控制算法进行步进电机的控制。***中采用步进电机外加细分驱动器进行控制，可以达到很高的转角控制精度，从而也可进行微细电压调整。其调整的误差计算如下：

步进电机步距转角0.9°，进行最大32细分后，步进电机每接收一个PWM脉冲，可转动角度Φ＝0.9°/32＝0.0281°，相比于满量程0-250V调压器来说，最小精度为Φ/360*250V＝0.02V。

为达到较高的精度，还需使用较为精细的模糊控制算法。在第三步中，控制器首先计算设定电压与当前输出电压的差值，并实施模糊控制算法调整。

当差值较大时，使用较高的步进电机转速；当差值适中时，调整步进电机为中速；当差值较小时，调整步进电机为低速；当差值极小时，调整步进电机为最小速度(最小速度调整下，精度最高可达0.02V)；

在此过程中，不断采集调压器输出电压，并采用控制算法进行电压调整。当电压达到允许误差范围内时，结束调整。并进入第四步执行。

第四步：电压调整完毕，返回第二步进入按键扫描及中断等待状态。

以上显示和描述了本的发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种简易数控单向交流低压精密调压装置，包括单片机控制器、手动调压器、按键、液晶屏及显示电路、工频变压器，其特征在于，还包括步进电机及步进电机细分驱动电路、输出电流采样及整形电路、输出电压采样及整形电路、辅助电源及其变换电路；单片机控制器输入端连接有输出电流采样及整形电路、输出电压采样及整形电路、步进电机细分驱动电路、辅助电源及其变换电路、按键；单片机控制器输出端连接有液晶显示电路；显示电路输出端连接有液晶屏；

220V外部交流电输送至工频变压器、手动调压器的输入端，工频变压器的输出端与辅助电源及其变换电路连接；手动调压器的输出端连接有输出电流采样及整形电路、输出电压采样及整形电路；在手动调压器的输出端设置电压输出；手动调压器的手柄上连接有步进电机，步进电机与步进电机细分驱动电路连接，步进电机细分驱动电路用于驱动步进电机；

输出电流采样及整形电路采用标准电流互感器，感应输出电流的信号量，并通过运放构成的电路对该信号量做整形处理，以便于单片机AD采集；

输出电压采样及整形电路采用标准电压互感器，感应输出电平的信号量，并通过运放构成的电路对该信号量做整形处理，以便于单片机AD采集；

步进电机及其细分驱动电路用于单片机控制步进电机带动手动调压器上的手柄旋转实现调压；

工频变压及其辅助电源电路部分采用50W24VAC输出工频变压器，配以辅助电源及其变换电路，为***提供+24V电源和+5V电源，其中+24V电源为步进电机驱动用；+5V电源为单片机***用；

手动调压器用于承担实际模拟调压的任务。

2.根据权利要求1所述的一种简采样易数控单向交流低压精密调压装置，其特征在于，输出电流采样及整形电路，包括电流采样电路、反相比例电路、整流电路、滤波电路、分压电路、阻抗变换电路；

电流采样电路的输出电压经反相比例电路放大后首先经过整流电路，并经滤波电路进行平滑滤波后，再先后经过R5、R7构成的分压电路分压后输送至阻抗变换电路，对电压进行阻抗变换后送至单片机输入端进行电压采样，计算输出电源的电流值。

3.根据权利要求2所述的一种简采样易数控单向交流低压精密调压装置，其特征在于，电流采样电路由电流互感器U1、电阻R1、电阻R2、电容C1和运放AR1构成；R1为采样电阻，R2、C1串联构成相位校正网络。

4.根据权利要求2所述的一种简采样易数控单向交流低压精密调压装置，其特征在于，电阻R4、R3和运放U2A构成反相比例电路。

5.根据权利要求1所述的一种简采样易数控单向交流低压精密调压装置，其特征在于，辅助电源电路包括工频变压器T1、整流桥D2和D4、开关电源芯片U4、U2、U3，以及开关电源芯片***所需的滤波电容、电感和快速恢复二极管IN5822；

开关电源芯片U4和U2均采用LM2576，其中U4为固定15V输出，U2为固定5V输出，用于将整流后的脉动直流变为单片机***所需的+5V稳定电压；开关电源芯片U3采用3A固定24V输出的LM2596，用于将整流后的脉动直流变为步进电机驱动***所需的+24V稳定电压。

6.根据权利要求1所述的一种简采样易数控单向交流低压精密调压装置，其特征在于，单片机控制器采用STC12C5628AD单片机。

7.调压方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：***上电初始化；首先单片机控制首先上电初始化，再进行定时器，SCI，SPI通信接口，时钟和模数转换器等外设的的初始化，同时初始化液晶显示器；

步骤2：扫描按键并进入中断等待状态；

***初始化完毕后，首先读取数控调压器的输出电压和电流，进而更新显示屏显示内容；之后进入按键扫描及中断等待状态，在该状态下，***不断扫描设置的按键，判断是否有按键输入，同时也等待SCI和SPI接口的通信中断，以接收外部控制器的控制指令输入；

当有按键按下并设置好输出电压或中断发生时，***进入步骤3；

步骤3：采用模糊算法，调整步进电机的转速；

计算电压差值并实施模糊控制算法进行步进电机转速的控制；***中采用步进电机外加细分驱动器进行控制，可以达到很高的转角控制精度，从而也可进行微细电压调整；

步骤4：电压调整完毕，返回第二步进入按键扫描及中断等待状态。

8.根据权利要求7所述的调压方法，其特征在于，步骤3中，控制器首先计算设定电压与当前输出电压的差值，并实施模糊控制算法调整：

当差值较大时，使用较高的步进电机转速；

当差值适中时，调整步进电机为中速；

当差值较小时，调整步进电机为低速；

当差值极小时，调整步进电机为最小速度；

在此过程中，不断采集调压器输出电压，并采用控制算法进行电压调整；当电压达到允许误差范围内时，结束调整。