基于MCU的交流功率調節控制器的設計

李 艷，張 靜，任 普

(1.榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000；2.河南馳誠電氣股份有限公司，河南 鄭州 450001)

電能在人們的日常生活中起著至關重要的作用。從1835年開始，蘇格蘭科學家James Bomanlin在實驗室發現了最早的電燈。1913年，美國芝加哥開發出世界上第一臺家用冰箱。使得對電能的要求也越來越高。然而，使用大量非線性電氣設備導致較差的電能質量。而且，使用各種各樣的數字和智能家電需要高質量的電源，如何轉換出高質量的電能以供不同負載的使用就顯得尤為重要[1-5]。

目前，以晶閘管為代表的半控型電力電子器件在工業生產技術上主要實現交流功率調節的目的。這種功率調節方式是在負載電路中串聯兩個反并聯的單相晶閘管來實現的。以交流電源作為控制單元的周期，有兩種觸發模式，過零觸發和相移觸發。在相移電壓調節模式中，由晶閘管的柵極產生的脈沖引起的工頻交流電流每半個周期連續調節，這相當于負載電壓的連續調節。過零觸發分為固定周期和可變周期同步過零調整[6-8]。當MCU發出控制脈沖時，晶閘管在交流電壓過零時導通和關斷。以這種方式調節AC電壓的正弦波的數量以改變負載消耗的平均功率。

基于單片機的交流功率調節器的設計是交流功率調節主電路，單片機控制電路，精密檢測和控制算法程序的結合。設計應用方便，范圍廣，實用價值強，節能減排[9]。

以微控制器為控制核心的交流電源穩壓器的優勢顯而易見，但仍有許多問題需要考慮，抗干擾是主要問題[10-12]。微控制器在工業領域會受到電磁干擾，特別是MCU的外部中斷信號容易受到干擾。

該設計選擇占空比平均分配模式，即過零觸發功率調整模式。在單位時間內，MCU根據當前的開關占空比分配交流電源的頻率，以實現電源的調整。為了實現輸出功率的連續調節，需要在電流過零點觸發相應晶閘管導通與關斷。該模式可有效避免各種干擾因素，提高設計的可靠性。

1 交流調功器設計原理

1.1 交流調功器工作原理分析

晶閘管交流功率調節器主要用于功率因數為1的電阻負載，例如：如鎳鉻，鐵鉻鋁，鎳鐵電阻絲，鎢鉬絲，碳化硅棒，遠紅外電熱板等電熱元件。適用于電加熱設備的自動和手動溫度控制系統，如電阻爐，電加熱器，擴散爐，恒溫器，烤箱，爐子等[1]。在交流功率調節系統中，熱電偶主要檢測負載溫度，并將其轉換為相應的電壓信號。電壓信號由溫度檢測電路轉換成與之對應的數字信號，并發送給MCU。MCU將數據處理后，與設定的溫度進行比較，分析計算輸出功率大小，從而決定晶閘管的通斷狀態，達到控制負載溫度大小的目的?；贛CU的晶閘管交流功率調節控制器的結構如圖1所示。

交流電源調節控制器的主電路包括熔斷器，晶閘管和隔離電流互感器?？刂齐娐钒?1)過零脈沖發生器，(2)鋸齒波發生器，(3)矩形波發生器，(4)過電流截止器，(5)“和”門邏輯控制器，(6)脈沖觸發電路等電加熱器，負載RL，PID調節器等通過外部控制開關和功率調節控制器形成閉環控制回路。溫度控制調節儀的功能是將溫度傳感器采集的實際溫度值與人工設定的參考溫度值進行比較，然后調節開關管的開關狀態。以AC一個控制周期為基本單位，通過改變觸發脈沖占空比的大小來控制負載消耗功率大小的目的。

一些晶閘管調節器設計有過流保護電路，但保護速度和保護結果可能無法達到預期效果。為了更好地保護電路，在晶閘管調節器中安裝了快熔保險絲，以實現過流保護。

圖1 晶閘管交流功率調節控制器結構圖

1.2 晶閘管工作原理分析

晶閘管，又稱可控硅整流器，是一種半控型的大功率轉換器裝置。他的發明開辟了電力電子技術迅速發展和廣泛應用的新時代，有人稱之為繼晶體管發明和應用之后的又一次電子技術革命?？赏ㄟ^小功率的電子信息電路產生的信號去控制大功率變流系統，使得電子技術從弱電領域進入到強電領域。由于晶閘管是典型的相控變流器件，所以晶閘管在交流調功領域得到廣泛應用[10-12]。

晶閘管的結構可以用PNPN四層半導體來描述?？梢酝ㄟ^圖2所示的雙晶體管模型分析晶閘管的工作原理。

當正向電壓EA連接在晶閘管陽極A和陰極K之間，并且在柵極(控制電極)G和陰極之間施加適當的控制信號EG，產生控制傳導電流IG，形成晶體管V2的基極電流。產生集電極電流IC2，并作為晶體管V1的基極電流，產生V1的集電極電流IC1。集電極電流IC1與 IG共同作用，使 V2的基極電流進一步增大。在這個周期中，晶閘管內部形成強烈的正反饋，導致V1和V2進入完全飽和導通狀態。由于正反饋的作用，使IC1比IG大得多，導致晶閘管門失去控制。此時，器件無法從晶閘管的柵極控制其關斷半控制器件。

圖2 晶閘管電氣符號及工作原理圖

在交流調功控制系統中，為使在交流信號的正負半周都可調節信號大小，減小晶閘管觸發電路個數，縮小該功率調節控制器的體積，并且結合晶閘管的特性，該設計使用雙向晶閘管 BCMlAM作為核心轉換器件。雙向晶閘管通常用作交流電壓調節、功率調節、溫度調節和非接觸式開關。通過控制柵極，器件可以在主電極的正方向和負方向上觸發傳導。三端雙向可控硅在第一和第三象限中具有對稱的伏安特性。

2 交流調功器設計方案

基于MCU的功率調整控制器的系統原理圖如圖3所示。220 V AC電源通過電源變壓器T1轉換為12V交流低壓。他通過一個由四個二極管D1-D4和一個濾波電容器C4組成的橋式整流電路。由C5組成的橋式整流濾波器電路獲得穩定的DC電壓值。再經過固定式三端穩壓器 LM7805穩壓和 C10、 C11的濾波后，在穩壓電源VOUT的輸出端產生高精度，高穩定性的DC 5 V電壓。此電壓可控供單片機使用。負載側可以連接到220V AC，頻率為50Hz。

過零檢測電路通過光耦合器件 MOC3022檢測電壓過零點，在信號過零點，光耦 MOC3022截止，輸出高電平，并發送至 MCU的 CPU單元，控制相應晶閘管的開/觀。光耦合器具有良好的電氣絕緣和抗干擾能力，可以完全隔離負載輸入，安全性高。

為了模擬該交流調功控制器對實際負載溫度高低的調節作用，設立三個按鍵開關，描述在不同情況下控制晶閘管改變交流電的通、斷周期比，實現負載輸出功率的調節。具體操作過程如下：

圖3交流功率調節系統原理圖

當按鍵S2按下時，系統執行第一種模式，在交流電五個周期內通兩個周期斷三個周期。當按鍵S3按下時，系統執行第二種模式，在交流電五個周期內通三個周期斷兩個周期。當按鍵S4按下時，系統執行第三種模式，在交流電五個周期內通五個周期斷零個周期。通過在不同時間接通和斷開雙向晶閘管，改變交流導通狀態循環次數與斷開狀態循環次數的比率，從而調節負載上消耗的平均功率。

3 仿真驗證

為了驗證本設計的可行性，設計了一款控制輸出周期為65ms的交流功率調節控制器。通過光電耦合器件MOC3022檢測輸出電壓過零點，當光耦輸出為高電平時，觸發雙向晶閘管導通。通過設置晶閘管的通斷周期比，調整輸出功率的大小。經前述分析可知：系統的負載電壓與電流的通態周期和電源周期之間的關系是N/M。當占空比分別為20%，40%，60%時，仿真測試波形如圖4所示。

由圖4可以看出。

①當控制周期為M=5，N=1，則占空比為20%。輸出功率P=0.2P額；

②當控制周期為M=5，N=2，則占空比為40%。輸出功率P=0.4P額；

③當控制周期為M=5，N=3，則占空比為60%。輸出功率P=0.6P額。

圖4仿真輸出波形圖

仿真測試結果表明，通過調節交流輸出電壓的通斷周期，可有效控制輸出功率的大小。在實驗驗證時，負載為100W的燈泡，可以觀察到當輸出功率大小不同時，可清晰的觀察到燈泡的閃爍頻率明顯不同。不過，此種調節方式為斷續調節方式，不適合負載電流斷續的情況。但是此種調節方式簡單易行，在燈光控制應用方面有較大的優勢，有很大的應用市場。

5 結論

根據對基于MCU的交流功率調節控制器的分析與設計，得出：

(1)在主電路中，使用雙向晶閘管代替兩個反并聯晶閘管，這提高了系統的穩定性和簡單性。

(2)單片機控制的交流電源調節器采用過零檢測和比較控制方式，有效提高了系統的抗干擾性。

(3)通過在線檢測，在功率調節控制端可以輸出相應的電壓調節信號，有效的實現了調功系統的穩定性和精確性。

但是在濾波算法和時效上有待進一步的改進，以達到更加精確和實時性的目的。