CN104539170B - 三电平Cuk调压恒流源及其运行方法 - Google Patents

三电平Cuk调压恒流源及其运行方法 Download PDF

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CN104539170B CN201510010321.4A CN201510010321A CN104539170B CN 104539170 B CN104539170 B CN 104539170B CN 201510010321 A CN201510010321 A CN 201510010321A CN 104539170 B CN104539170 B CN 104539170B
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Abstract

本发明三电平Cuk调压恒流源及其运行方法，涉及通过输出电流的反馈调节从而实现输出电流恒定的交流电源，包括控制部分和执行部分组成，其中控制部分包含单片机、三电平Cuk调压电路、PID控制、按键、485通讯硬件电路、电压过零点检测电路、电流过零点检测电路和电流瞬时值采集电路；执行部分包含PWM信号发生电路、IGBT驱动电路和显示器；以单片机为核心构成的控制部分，能直接自动检测负载电流的瞬时值并与设定值所对应的瞬时值进行逻辑判断，当负载电流的瞬时值发生了变化，通过调节电压的变化来实现负载电流的恒定，从而克服了现有恒流源对电流的恒定调节过程慢、稳定度不高和体积大的缺点。

Description

三电平Cuk调压恒流源及其运行方法
技术领域
本发明的技术方案涉及通过输出电流的反馈调节从而实现输出电流恒定的交流电源，具体地说是三电平Cuk调压恒流源及其运行方法。
背景技术
恒流源作为在电路中向负载提供恒定电流的电源，在很多系统电路中都是关键部件之一，它的电气特性及其性能直接影响到整个系统的电气特性，而且在计量、半导体元器件的校验和性能测试诸多领域中都有着十分关键的作用，它的精确度以及稳定性直接影响到整个系统的运行结果。
CN102185481B、CN102882389A和CN202177842U均讲述了恒流源的总体机械结构。CN102185481B和CN102882389A所公开的恒流源的总体机械结构都是通过整流电路来实现交流到直流电的转换，只能应用于LED照明中，并且两个现有技术都是通过对高频开关信号进行处理实现电流的恒定，调节过程慢。CN202177842U所公开的技术的作用是，当电流出现较大波动时只能通过断电对负载进行保护，不能对电流进行实时反馈调节。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供三电平Cuk调压恒流源及其运行方法，以单片机为核心构成控制部分，能直接自动检测负载电流的瞬时值并与设定值所对应的瞬时值进行逻辑判断，当负载电流的瞬时值发生了变化，通过调节电压的变化来实现负载电流的恒定，从而克服了现有恒流源对电流的恒定调节过程慢、稳定度不高和体积大的缺点。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：三电平Cuk调压恒流源，包括控制部分和执行部分组成，其中控制部分包含单片机、三电平Cuk调压电路、PID控制、按键、485通讯硬件电路、电压过零点检测电路、电流过零点检测电路和电流瞬时值采集电路；执行部分包含PWM信号发生电路、IGBT驱动电路和显示器；上述部件的连接方式为，在控制部分中：单片机与PID控制、按键、485通讯硬件电路、电压过零点检测电路、电流过零点检测电路和电流瞬时值采集电路均有连接；在执行部分中：PWM信号发生电路与IGBT驱动电路连接；在控制部分与执行部分之间：控制部分中的单片机与执行部分的PWM信号发生电路连接，控制部分的三电平Cuk调压电路与执行部分的IGBT驱动电路连接，控制部分的PID控制与执行部分的PWM信号发生电路连接，控制部分的485通讯硬件电路与执行部分的显示器连接。
上述三电平Cuk调压恒流源，所述单片机中存储的三电平Cuk调压恒流源的整体运行程序的流程为：开始→初始化→设定电流值及定时时间t1→输入电压是否过零点？——否→返回输入电压是否过零点？；——是→开定时器T1定时t1并使能中断→PWM脉宽调制→输入电流是否过零点？——是→返回PWM脉宽调制；——否→检测输出电流过零点并开定时器T3→A/D采样输出电流值→实际值与设定值是否相等？——否→PID控制→返回PWM脉宽调制；——是→定时器T1是否产生中断？——否→返回定时器T1是否产生中断？；——是→结束。
上述三电平Cuk调压恒流源，所述单片机中存储的电流瞬时值采集子程序的流程为：开始→A/D转换初始化→定时器T3初始化→T3中断标志位清零→A/D转换是否完成？——否→返回A/D转换是否完成？；——是→清出A/D中断标志位→读取电流值→PID调节→返回T3中断标志位清零。
上述三电平Cuk调压恒流源，所述单片机中存储的电压过零点检测子程序的流程为：开始→初始化→打开中断→是否捕捉到中断？——否→返回是否捕捉到中断？；——是→启动PWM模块→结束。
上述三电平Cuk调压恒流源，所述单片机为dsPIC30F6010A，显示器为液晶显示器OCMJ48C-3，IGBT为IGW75N60H3的隔离驱动器。
上述三电平Cuk调压恒流源，其中所涉及的零部件均是本技术领域的技术人员所熟知并可以商购获得的，所涉及的元器件和电路的连接方法是本技术领域的技术人员所熟知的。
上述三电平Cuk调压恒流源的运行方法，是一种实现电流恒定的过程：通过按键输入所需电流的设定值，并在以此值作为有效值和以输入电压周期T为周期的正弦电流信号上每隔T/20取20个点，形成数组储存在单片机中，作为设定好的电流瞬时值，电压过零点检测电路连接电源输出的电压，电压过零点检测电路将电源输出的正弦电压信号转变成方波信号，输入到单片机中，单片机对接收到的方波信号进行如下处理：已经工作在CCP捕捉模式的单片机，当捕捉到电压的上升沿时，则产生中断；在捕捉到单片机中的CCP产生的中断之后，主电路中双向晶闸管启动；电流过零点检测电路连接到电源，以检测电路中电流的过零点，电路中的电流值经过电流过零点检测电路，电路中的正弦电流波形转变成方波波形输入到单片机中，单片机对接收到的方波信号进行如下处理：已经工作在CCP捕捉模式的单片机当捕捉到电流的上升沿和下降沿的时候均产生中断；捕捉到单片机中的CCP中的上升沿产生的中断之后，单片机初始化PWM模块，调节PWM信号发生电路，输出在电流大于零的开关模式下的PWM脉冲组合；捕捉到单片机中CCP下降沿产生的中断之后，单片机初始化PWM模块，调节PWM信号发生电路，输出在电流小于零状态下的PWM脉冲组合；由驱动芯片1ED020I12构成的IGBT驱动电路来驱动IGBT的开断，使电压经过三电平Cuk调压电路，将原有的正弦交流电变成谐波含量少和较稳定的电压；电流信号流向升流器，将小电流信号，调节成符合电路要求的大电流信号；电流信号经过电流过零点检测电路，电流过零点检测电路将电路中的正弦电流信号转变成方波信号，输入到单片机中，单片机对接收到的方波信号进行如下处理：已经工作在CCP捕捉模式的单片机，当捕捉到电流的上升沿时，则产生中断；当捕捉到单片机中的CCP产生的中断后，单片机启动定时器以T/20为时间间隔，采集经过电流瞬时值采集电路的电流；通过查表法将设定的电流值与采集到的瞬时值进行比较，当两个值相等时则不做变化，当两个值不相等时，则单片机驱动PID控制，对PWM脉冲序列进行调节改变负载电压的大小，直到设定的电流值与采集到的电流瞬时值相等，从而能够达到电路中电流值不变，实现电流恒定的目的；单片机经由485通讯硬件电路与显示器连接将电流的设定值显示出来，形成人机交互模块。
上述三电平Cuk调压恒流源的运行方法，所述单片机中的PWM模块驱动PWM信号发生电路输出PWM脉冲组合的方式，根据流过三电平Cuk调压电路中电流大于零和小于零而分为电流大于零和电流小于零两种模态；
PWM信号发生电路输出PWM脉冲组合的方式在电流大于零的模态为：在一个工作周期内有以下八种开关模式：
开关模式1：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S3b、S4b导通，S1、S2、S3a和S4a关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过L1、C1、S4b、D2、S3b、D4、C2构成回路为电容C1和C2充电，而电感L2通过S4b、D2、S3b、D4和负载构成的回路为负载续流，此时输出的电平为零；
开关模式2：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S3b和S4b导通，S2、S3a和S4a关断，设置为死区；
开关模式3：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S3b导通，S2、S3a、S4a和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过L1、S1、S3b、D4、C2构成回路为电容C2充电，而电容C1通过S1、S3b、D4、负载和L2构成的回路为电感L2和负载供电，此时输出的电平为U；
开关模式4：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2和S3b导通，S3a、S4a和S4b关断，设置为死区；
开关模式5:PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2导通，S3a、S3b、S4a和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过L1、S1、S2构成回路为电感L1储能，而电容C1、C2通过C1、S1、S2、C2、负载和L2构成的回路为电感L2和负载供电，此时输出的电平为2U；
开关模式6：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2和S4b导通，S3a、S3b和S4a关断，设置为死区；
开关模式7：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S2、S4b导通，S1、S3a、S3b和S4a关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过L1、C1、S4b、D2、S2构成回路为电容C1充电，而电容C2通过负载、L2、S4b、D2、S2和C2构成的回路为电感L2和负载供电，此时输出的电平为U；
开关模式8：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S2、S3b和S4b导通，S1、S3a和S4a关断，设置为死区；
PWM信号发生电路输出PWM脉冲组合的方式在电流小于零的模态为：在一个工作周期内有以下八种开关模式：
开关模式1：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S3a、S4a导通，S1、S2、S3b和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过C2、S3a、D3、S4a、D1、C1和L1构成回路为电容C1和C2充电，而电感L2通过负载、S3a、D3、S4a、D1和L2构成的回路为负载续流，此时输出的电平为零；
开关模式2：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S2、S3a和S4a导通，S1、S3b和S4b关断，设置为死区；
开关模式3：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S2、S4a导通，S1、S3a、S3b和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过S2、S4a、D1、C1和L1构成回路为电容C1充电，而电感L2通过负载、C2、S2、S4a、D1和L2构成的回路为L2和负载供电，此时输出的电平为U；
开关模式4：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2和S4a导通，S3a、S3b和S4b关断，设置为死区；
开关模式5：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2导通，S3a、S3b、S4a和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过L1、S1、S2构成回路为电感L1储能，而电容C1、C2通过C1、S1、S2、C2、负载和L2构成的回路为电感L2和负载供电，此时输出的电平为2U；
开关模式6：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2和S3a导通，S3b、S4a和S4b关断，设置为死区；
开关模式7：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S3a导通，S2、S3b、S4a和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过C2、S3a、D3、S1和L1构成的回路为电容C1充电，而电容C1通过L2、负载、S3a、D3、S1和C1构成的回路为电感L2和负载供电，此时输出的电平为U；
开关模式8：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S3a和S4a导通，S2、S3b和S4b关断，设置为死区；
通过调节PWM脉冲信号，调节IGBT导通和关断时间得到不同的输出电压，IGBT开关由导通到关断一般有几十到几百纳秒的延时时间，为了防止电流的输出侧和输入侧电流方向不同而产生系统震荡在每两个电平之间设置死区。
本发明的有益效果，与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点和显著进步如下：
(1)本发明以单片机为核心构成控制部分，能直接自动检测负载电流的瞬时值并与设定值所对应的瞬时值进行逻辑判断，当负载电流的瞬时值发生了变化，通过调节电压的变化来实现负载电流的恒定，从而克服了现有恒流源对电流的恒定调节过程慢、稳定度不高和体积大的缺点。本发明的三电平Cuk调压恒流源中所选用的单片机为dsPIC30F6010A，通过轻触按键进行操作，对电路中所需要的恒定的电流值进行设置并在液晶屏上进行显示，方便对输出电流的控制。
(2)本发明采用PID闭环反馈环节通过输出电流的反馈调节实现电流的恒定，精确度好，稳定性高，调节范围广，反应时间短。
(3)本发明的三电平Cuk调压恒流源中，由单片机控制电流瞬时值采集电路实时采集电路中电流瞬时值，通过查表法与上述储存在单片机中的电流瞬时值进行比较，使系统调节更加迅速，输出电流更加稳定。
(4)本发明的三电平Cuk调压恒流源及其运行方法采用三电平Cuk调压电路实现电路中的AC/AC交流变交流的变换，获得理想电压。
(5)本发明的三电平Cuk调压电路结构简单，有效地降低了电力开关的电压应力，电路体积小，电压不易受到外界干扰，谐波含量少。
总之，本发明与现有的恒流源相比调节范围大，功率密度高，工作效率高，电流稳定度高，反应时间短。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明三电平Cuk调压恒流源组成示意框图。
图2是本发明三电平Cuk调压恒流源的运行方法示意框图。
图3是本发明三电平Cuk调压恒流源的三电平Cuk调压电路原理图。
图4是本发明三电平Cuk调压恒流源的电流瞬时值采集电路原理图。
图5是本发明三电平Cuk调压恒流源的电压电流过零检测电路原理图。
图6是本发明三电平Cuk调压恒流源的485通讯硬件电路原理图。
图7是本发明三电平Cuk调压恒流源的IGBT驱动电路原理图。
图8是本发明三电平Cuk调压恒流源的单片机中存储的三电平Cuk调压恒流源的整体运行程序的流程图。
图9是本发明三电平Cuk调压恒流源的单片机中存储的电流瞬时值采集子程序的流程图。
图10是本发明三电平Cuk调压恒流源的单片机中存储的电压过零点检测子程序的流程图。
具体实施方式
图1所示实施例表明，本发明三电平Cuk调压恒流源由控制部分和执行部分构成。其中，控制部分包括单片机、三电平Cuk调压电路、PID控制、按键、485通讯硬件电路、电压检测电路和电流检测电路；执行部分包括PWM信号发生电路、IGBT驱动电路和显示器。如图中箭头所示，控制部分的单片机驱动执行部分的PWM信号发生电路，执行部分的PWM信号发生电路连接执行部分的IGBT驱动电路。
图2所示实施例表明，本发明三电平Cuk调压恒流源的运行方法是：电源中的电压信号经过三电平Cuk调压电路，连接升流器与负载相连；电源中的电压经过电压过零点检测电路连接单片机，实时检测电压过零点，当单片机检测到电压过零点后连接着电源的开关启动；电源的电压还经过电流过零点检测电路连接单片机，该电流过零点检测电路中电流的过零点；单片机与PWM信号发生电路相连，根据电流过零点检测到的电流值的不同，单片机驱动PWM信号发生电路产生不同模态的PWM脉冲序列，连接IGBT驱动电路与三电平Cuk调压电路相连；经过三电平Cuk调压电路的电流经过升流器之后与电流过零点检测电路连接到单片机，当电流过零点检测电路检测到电路中电流的过零点之后，单片机通过电流瞬时值采集电路来采集电路中电流值；单片机将采集电流值并与按键设定的电流的瞬时值进行比较，当两值不一样时，单片机驱动与之相连的PID控制进行调节，PID控制驱动其连接的PWM信号发生电路进行脉宽调制，经由IGBT驱动电路，进而经过三电平Cuk调压电路产生新的调制后的电压，促使负载的电流发生改变，直到采集到的电流瞬时值与同一时刻按键设定的电流瞬时值相等，以达到电流恒定的目的；按键连接到单片机，输入电流的设定值；单片机经由485通讯硬件电路与显示器连接将电流的设定值显示出来，形成人机交互模块。
图3所示实施例显示，本发明三电平Cuk调压恒流源的三电平Cuk调压电路包含二个20μF的电容C1和C2；一个10μF的电容C3；二个220nF的电容C4和C5；二个3mH的电感L1和L2；二个2000Ω电阻R1和R2；一个负载电阻RZ；六个单管IGBT为S1、S2、S3a、S3b、S4a和S4b；十四个快恢复二极管D1～D14。来自电网中的电源AC接电感L1，电感L1接电容C1，同时接快恢复二极管D5的正极，D7的负极，快恢复二极管D5的负极接S1的漏极，S1的源极接快恢复二极管D7的正极和D8的正极，恢复二极管D5的负极同时接恢复二极管D6的负极、电容C4和电阻R1，电容C4和电阻R1同时接恢复二极管D13的正极，恢复二极管D13的负极接快恢复二极管D7的正极和D8的正极，恢复二极管D6的正极接快恢复二极管D8的负极，恢复二极管D8的负极接快恢复二极管D10的正极同时接恢复二极管D12的负极、S4a的漏极、S3b的漏极、快恢复二极管D2和D3的负极，快恢复二极管D10的负极接电容C5和电阻R2，电容C5和电阻R2同时接快恢复二极管D14的正极，快恢复二极管D14的负极接快恢复二极管D11、D12的正极和S2的源极，快恢复二极管D10的负极同时接S2的漏极，S2的源极接快恢复二极管D11、D12的正极，快恢复二极管D10的负极同时接快恢复二极管D9的负极，快恢复二极管D9的正极同时接快恢复二极管D11的负极、电源AC的另一端和电容C2，S4a的漏极接快恢复二极管D2的负极，快恢复二极管D2的正极同时接S4a的源极、S4b的源极和快恢复二极管D1的正极，快恢复二极管D1的负极同时接S4b的漏极、电容C1和电感L2，S3b的漏极接快恢复二极管D3的负极，快恢复二极管D3的正极同时接S3b的源极、S3a的源极和快恢复二极管D4的正极，快恢复二极管D4的负极同时接S3a的漏极、负载电阻RZ、电容C2和电容C3，电容C3接电感L2和负载电阻RZ。该图所示实施例表明，三电平Cuk交流变换器使电流完成了AC/AC变换，相对结构简单，降低了电力开关电压应力，适合大范围调压。
图4所示实施例显示了本发明三电平Cuk调压恒流源的电流瞬时值采集电路的构成。电流信号采集电路需要将电路中强电和弱电隔离，并且采样精度要求很高，因此电路中采用HCPL-7840线性光耦隔离与CA3140高精度运放，实现了采集电路高精度和小型化。HCPL-7840供电电压为5V，输入阻抗为480KΩ，最大输入电压为320mV，输出方式为差分信号，其内部电路具有放大作用，与后级运放CA3140进行进一部步的信号调制，能够实现1000倍电压放大，对微弱的电压信号进行放大和处理。
图5所示实施例表明，本发明三电平Cuk调压恒流源的电压电流过零检测电路的构成：包含一个10M的电阻R302，二个3K的电阻R303和R304，二个10K的电阻R305和R306，二个10μF的电容C303和C305，二个0.1μF的电解电容C302和C304，一个1nF的电解电容C301，一个型号为BAT165的稳压二极管D301，包含两个运算放大器U1A和U1B的双运放芯片OP275GP，两个型号为SN74LS04D的反相器U2A和U2B和一个2.5Vref的基准源；电路中输入的电压电流同时接电阻R302、电容C301和运算放大器U1A的正向输入端3，电容C301接运算放大器U1A的反向输入端2并接地，电阻R302接稳压二极管D301的负极，稳压二极管D301的正极同时接运算放大器U1A的输出端1和电阻R303，电阻R303接电阻R305并同时接运算放大器U1B的反向输入端6，2.5Vref的基准源接电阻R304，电阻R304接电阻R306并同时接运算放大器U1B的正向输入端5，电阻R306接地，正压VCC+同时接电容C302、C303和运算放大器U1B的正压输入端，电容C302和C303分别接地，负压VCC-同时接电容C304、C305和运算放大器U1B的负压输入端，电容C304和C305分别接地，电阻R305接运算放大器U1B的输出端7并同时接反相器U2A的输入端1，反相器U2A的输出端2接反相器U2B的输入端3，反相器U2B的输出端4接单片机，图中的芯片OP275GP的4和8引脚为公共引脚。
为了能够准确的捕捉到电压和电流过零点，此电路将采集到的正弦信号转换成了方波信号。该电路能够保证正弦信号和方波信号基本同步，相位延时在100uS，满足了系统的要求。
图6所示实施例表明，本发明三电平Cuk调压恒流源的485通讯硬件电路的构成。该电路中选用了ADM2587E芯片，此芯片具有热关断的功能。当芯片温度超过150℃的时候，ADM2587E芯片中的集成热关断电路将输出端关断，以保护芯片；当温度降到140℃以下时，ADM2587E自动恢复输出。
图7所示实施例表明，本发明三电平Cuk调压恒流源的IGBT驱动电路的构成。该驱动电路驱动一个IGBT晶体管，具有短路保护的功能。IGBT导通电压为+15V,关断电压为-8V。芯片1ED020I 12的RST引脚的作用为复位驱动芯片，芯片1ED020I 12的FLT引脚的作用为检测驱动芯片的工作状态。
图8所示实施例表明，本发明三电平Cuk调压恒流源的单片机中存储的三电平Cuk调压恒流源的整体运行程序的流程是：开始→初始化→设定电流值及定时时间t1→输入电压是否过零点？——否→返回输入电压是否过零点？；——是→开定时器T1定时t1并使能中断→PWM脉宽调制→输入电流是否过零点？——是→返回PWM脉宽调制；——否→检测输出电流过零点并开定时器T3→A/D采样输出电流值→实际值与设定值是否相等？——否→PID控制→返回PWM脉宽调制；——是→定时器T1是否产生中断？——否→返回定时器T1是否产生中断？；——是→结束。
图9所示实施例表明，本发明三电平Cuk调压恒流源的单片机中存储的电流瞬时值采集子程序的流程是：开始→A/D转换初始化→定时器T3初始化→T3中断标志位清零→A/D转换是否完成？——否→返回A/D转换是否完成？；——是→清出A/D中断标志位→读取电流值→PID调节→返回T3中断标志位清零。
图10所示实施例表明，本发三电平Cuk调压恒流源的单片机中存储的电压过零点检测子程序的流程是：开始→初始化→打开中断→是否捕捉到中断？——否→返回是否捕捉到中断？；——是→启动PWM模块→结束。
实施例1
按照图1、2、3、4、5、6和7所示实施例构成本实施例的三电平Cuk调压恒流源，包括控制部分和执行部分组成，其中控制部分包含单片机、三电平Cuk调压电路、PID控制、按键、485通讯硬件电路、电压过零点检测电路、电流过零点检测电路和电流瞬时值采集电路；执行部分包含PWM信号发生电路、IGBT驱动电路和显示器；上述部件的连接方式为，在控制部分中：单片机与PID控制、按键、485通讯硬件电路、电压过零点检测电路、电流过零点检测电路和电流瞬时值采集电路均有连接；在执行部分中：PWM信号发生电路与IGBT驱动电路连接；在控制部分与执行部分之间：控制部分中的单片机与执行部分的PWM信号发生电路连接，控制部分的三电平Cuk调压电路与执行部分的IGBT驱动电路连接，控制部分的PID控制与执行部分的PWM信号发生电路连接，控制部分的485通讯硬件电路与执行部分的显示器连接。其中，单片机中存储有如图8所示的三电平Cuk调压恒流源的整体运行程序的流程、如图9所示的电流瞬时值采集子程序的流程和如图10所示的电压过零点检测子程序的流程；单片机选用的为dsPIC系列高性能16位的dsPIC30F6010A，显示器选取的为带有字库的液晶显示器OCMJ48C-3，IGBT选用的能够隔离弱电与强电的IGW75N60H3的隔离驱动器。该三电平Cuk调压恒流源采用外部电源为单片机及其外围电路供电。
本实施例的三电平Cuk调压恒流源的运行方法，是一种实现电流恒定的过程：通过按键输入所需电流的设定值，并在以此值作为有效值和以输入电压周期T为周期的正弦电流信号上每隔T/20取20个点，形成数组储存在单片机中，作为设定好的电流瞬时值，电压过零点检测电路连接电源输出的电压，电压过零点检测电路将电源输出的正弦电压信号转变成方波信号，输入到单片机中，单片机对接收到的方波信号进行如下处理：已经工作在CCP捕捉模式的单片机，当捕捉到电压的上升沿时，则产生中断；在捕捉到单片机中的CCP产生的中断之后，主电路中双向晶闸管启动；电流过零点检测电路连接到电源，以检测电路中电流的过零点，电路中的电流值经过电流过零点检测电路，电路中的正弦电流波形转变成方波波形输入到单片机中，单片机对接收到的方波信号进行如下处理：已经工作在CCP捕捉模式的单片机当捕捉到电流的上升沿和下降沿的时候均产生中断；捕捉到单片机中的CCP中的上升沿产生的中断之后，单片机初始化PWM模块，调节PWM信号发生电路，输出在电流大于零的开关模式下的PWM脉冲组合；捕捉到单片机中CCP下降沿产生的中断之后，单片机初始化PWM模块，调节PWM信号发生电路，输出在电流小于零状态下的PWM脉冲组合；由驱动芯片1ED020I 12构成的IGBT驱动电路来驱动IGBT的开断，使电压经过三电平Cuk调压电路，将原有的正弦交流电变成谐波含量少和较稳定的电压；电流信号流向升流器，将小电流信号，调节成符合电路要求的大电流信号；电流信号经过电流过零点检测电路，电流过零点检测电路将电路中的正弦电流信号转变成方波信号，输入到单片机中，单片机对接收到的方波信号进行如下处理：已经工作在CCP捕捉模式的单片机，当捕捉到电流的上升沿时，则产生中断；当捕捉到单片机中的CCP产生的中断后，单片机启动定时器以T/20为时间间隔，采集经过电流瞬时值采集电路的电流；通过查表法将设定的电流值与采集到的瞬时值进行比较，当两个值相等时则不做变化，当两个值不相等时，则单片机驱动PID控制，对PWM脉冲序列进行调节改变负载电压的大小，直到设定的电流值与采集到的电流瞬时值相等，从而能够达到电路中电流值不变，实现电流恒定的目的；单片机经由485通讯硬件电路与显示器连接将电流的设定值显示出来，形成人机交互模块。
本实施例中，单片机中的PWM模块驱动PWM信号发生电路输出PWM脉冲组合的方式，根据流过三电平Cuk调压电路中电流大于零和小于零而分为电流大于零和电流小于零两种模态。
PWM信号发生电路输出PWM脉冲组合的方式在电流大于零的模态为：在一个工作周期内有以下八种开关模式：
开关模式1：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S3b、S4b导通，S1、S2、S3a和S4a关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过L1、C1、S4b、D2、S3b、D4、C2构成回路为电容C1和C2充电，而电感L2通过S4b、D2、S3b、D4和负载构成的回路为负载续流，此时输出的电平为零；
开关模式2：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S3b和S4b导通，S2、S3a和S4a关断，设置为死区；
开关模式3：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S3b导通，S2、S3a、S4a和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过L1、S1、S3b、D4、C2构成回路为电容C2充电，而电容C1通过S1、S3b、D4、负载和L2构成的回路为电感L2和负载供电，此时输出的电平为U；
开关模式4：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2和S3b导通，S3a、S4a和S4b关断，设置为死区；
开关模式5:PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2导通，S3a、S3b、S4a和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过L1、S1、S2构成回路为电感L1储能，而电容C1、C2通过C1、S1、S2、C2、负载和L2构成的回路为电感L2和负载供电，此时输出的电平为2U；
开关模式6：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2和S4b导通，S3a、S3b和S4a关断，设置为死区；
开关模式7：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S2、S4b导通，S1、S3a、S3b和S4a关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过L1、C1、S4b、D2、S2构成回路为电容C1充电，而电容C2通过负载、L2、S4b、D2、S2和C2构成的回路为电感L2和负载供电，此时输出的电平为U；
开关模式8：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S2、S3b和S4b导通，S1、S3a和S4a关断，设置为死区；
PWM信号发生电路输出PWM脉冲组合的方式在电流小于零的模态为：在一个工作周期内有以下八种开关模式：
开关模式1：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S3a、S4a导通，S1、S2、S3b和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过C2、S3a、D3、S4a、D1、C1和L1构成回路为电容C1和C2充电，而电感L2通过负载、S3a、D3、S4a、D1和L2构成的回路为负载续流，此时输出的电平为零；
开关模式2：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S2、S3a和S4a导通，S1、S3b和S4b关断，设置为死区；
开关模式3：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S2、S4a导通，S1、S3a、S3b和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过S2、S4a、D1、C1和L1构成回路为电容C1充电，而电感L2通过负载、C2、S2、S4a、D1和L2构成的回路为L2和负载供电，此时输出的电平为U；
开关模式4：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2和S4a导通，S3a、S3b和S4b关断，设置为死区；
开关模式5：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2导通，S3a、S3b、S4a和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过L1、S1、S2构成回路为电感L1储能，而电容C1、C2通过C1、S1、S2、C2、负载和L2构成的回路为电感L2和负载供电，此时输出的电平为2U；
开关模式6：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2和S3a导通，S3b、S4a和S4b关断，设置为死区；
开关模式7：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S3a导通，S2、S3b、S4a和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过C2、S3a、D3、S1和L1构成的回路为电容C1充电，而电容C1通过L2、负载、S3a、D3、S1和C1构成的回路为电感L2和负载供电，此时输出的电平为U；
开关模式8：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S3a和S4a导通，S2、S3b和S4b关断，设置为死区；
通过调节PWM脉冲信号，调节IGBT导通和关断时间得到不同的输出电压，IGBT开关由导通到关断一般有几十到几百纳秒的延时时间，为了防止电流的输出侧和输入侧电流方向不同而产生系统震荡在每两个电平之间设置死区。
上述的“CCP”是Capture(捕获)、Compare(比较)和Pwm(脉宽调制)三个英文单词的缩写，是国际通用的缩写；“CCP模块”是所用的单片机dsPIC中所自带的功能模块；“IGBT”是绝缘栅双极型晶体管；“PWM模块”也是单片机中的模块，“PWM信号发生电路”是单片机中的由“PWM模块”调控的电路。
上述实施例中所用单片机为dsPIC30F6010A，显示器为液晶显示器OCMJ48C-3，IGBT为IGW75N60H3的隔离驱动器；其中所涉及的零部件均是本技术领域的技术人员所熟知并可以商购获得的，所涉及的元器件和电路的连接方法是本技术领域的技术人员所熟知的。

Claims (3)

1.三电平Cuk调压恒流源，其特征在于：包括控制部分和执行部分组成，其中控制部分包含单片机dsPIC30F6010A、三电平Cuk调压电路、PID控制、按键、485通讯硬件电路、电压过零点检测电路、电流过零点检测电路和电流瞬时值采集电路；执行部分包含PWM信号发生电路、IGBT驱动电路和显示器；上述部件的连接方式为，在控制部分中：单片机与PID控制、按键、485通讯硬件电路、电压过零点检测电路、电流过零点检测电路和电流瞬时值采集电路均有连接；在执行部分中：PWM信号发生电路与IGBT驱动电路连接；在控制部分与执行部分之间：控制部分中的单片机与执行部分的PWM信号发生电路连接，控制部分的三电平Cuk调压电路与执行部分的IGBT驱动电路连接，控制部分的PID控制与执行部分的PWM信号发生电路连接，控制部分的485通讯硬件电路与执行部分的显示器连接；所述单片机dsPIC30F6010A中存储的三电平Cuk调压恒流源的整体运行程序的流程为：开始→初始化→设定电流值及定时时间t1→输入电压是否过零点？——否→返回输入电压是否过零点？；——是→开定时器T1定时t1并使能中断→PWM脉宽调制→输入电流是否过零点？——是→返回PWM脉宽调制；——否→检测输出电流过零点并开定时器T3→A/D采样输出电流值→实际值与设定值是否相等？——否→PID控制→返回PWM脉宽调制；——是→定时器T1是否产生中断？——否→返回定时器T1是否产生中断？；——是→结束；所述单片机dsPIC30F6010A中存储的电流瞬时值采集子程序的流程为：开始→A/D转换初始化→定时器T3初始化→T3中断标志位清零→A/D转换是否完成？——否→返回A/D转换是否完成？；——是→清出A/D中断标志位→读取电流值→PID调节→返回T3中断标志位清零；所述单片机dsPIC30F6010A中存储的电压过零点检测子程序的流程为：开始→初始化→打开中断→是否捕捉到中断？——否→返回是否捕捉到中断？；——是→启动PWM模块→结束。
2.权利要求1所述三电平Cuk调压恒流源的运行方法，其特征在于：是一种实现电流恒定的过程，通过按键输入所需电流的设定值，并在以此值作为有效值和以输入电压周期T为周期的正弦电流信号上每隔T/20取20个点，形成数组储存在单片机中，作为设定好的电流瞬时值，电压过零点检测电路连接电源输出的电压，电压过零点检测电路将电源输出的正弦电压信号转变成方波信号，输入到单片机中，单片机对接收到的方波信号进行如下处理：已经工作在CCP捕捉模式的单片机，当捕捉到电压的上升沿时，则产生中断；在捕捉到单片机中的CCP产生的中断之后，主电路中双向晶闸管启动；电流过零点检测电路连接到电源，以检测电路中电流的过零点，电路中的电流值经过电流过零点检测电路，电路中的正弦电流波形转变成方波波形输入到单片机中，单片机对接收到的方波信号进行如下处理：已经工作在CCP捕捉模式的单片机当捕捉到电流的上升沿和下降沿的时候均产生中断；捕捉到单片机中的CCP中的上升沿产生的中断之后，单片机初始化PWM模块，调节PWM信号发生电路，输出在电流大于零的开关模式下的PWM脉冲组合；捕捉到单片机中CCP下降沿产生的中断之后，单片机初始化PWM模块，调节PWM信号发生电路，输出在电流小于零状态下的PWM脉冲组合；由驱动芯片1ED020I 12构成的IGBT驱动电路来驱动IGBT的开断，使电压经过三电平Cuk调压电路，将原有的正弦交流电变成谐波含量少和较稳定的电压；电流信号流向升流器，将小电流信号，调节成符合电路要求的大电流信号；电流信号经过电流过零点检测电路，电流过零点检测电路将电路中的正弦电流信号转变成方波信号，输入到单片机中，单片机对接收到的方波信号进行如下处理：已经工作在CCP捕捉模式的单片机，当捕捉到电流的上升沿时，则产生中断；当捕捉到单片机中的CCP产生的中断后，单片机启动定时器以T/20为时间间隔，采集经过电流瞬时值采集电路的电流；通过查表法将设定的电流值与采集到的瞬时值进行比较，当两个值相等时则不做变化，当两个值不相等时，则单片机驱动PID控制，对PWM脉冲序列进行调节改变负载电压的大小，直到设定的电流值与采集到的电流瞬时值相等，从而能够达到电路中电流值不变，实现电流恒定的目的；单片机经由485通讯硬件电路与显示器连接将电流的设定值显示出来，形成人机交互模块。
3.根据权利要求2所述三电平Cuk调压恒流源的运行方法，其特征在于：所述单片机中的PWM模块驱动PWM信号发生电路输出PWM脉冲组合的方式，根据流过三电平Cuk调压电路中电流大于零和小于零而分为电流大于零和电流小于零两种模态；
PWM信号发生电路输出PWM脉冲组合的方式在电流大于零的模态为：在一个工作周期内有以下八种开关模式：
开关模式1：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S3b、S4b导通，S1、S2、S3a和S4a关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过L1、C1、S4b、D2、S3b、D4、C2构成回路为电容C1和C2充电，而电感L2通过S4b、D2、S3b、D4和负载构成的回路为负载续流，此时输出的电平为零；
开关模式2：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S3b和S4b导通，S2、S3a和S4a关断，设置为死区；
开关模式3：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S3b导通，S2、S3a、S4a和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过L1、S1、S3b、D4、C2构成回路为电容C2充电，而电容C1通过S1、S3b、D4、负载和L2构成的回路为电感L2和负载供电，此时输出的电平为U；
开关模式4：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2和S3b导通，S3a、S4a和S4b关断，设置为死区；
开关模式5:PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2导通，S3a、S3b、S4a和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过L1、S1、S2构成回路为电感L1储能，而电容C1、C2通过C1、S1、S2、C2、负载和L2构成的回路为电感L2和负载供电，此时输出的电平为2U；
开关模式6：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2和S4b导通，S3a、S3b和S4a关断，设置为死区；
开关模式7：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S2、S4b导通，S1、S3a、S3b和S4a关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过L1、C1、S4b、D2、S2构成回路为电容C1充电，而电容C2通过负载、L2、S4b、D2、S2和C2构成的回路为电感L2和负载供电，此时输出的电平为U；
开关模式8：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S2、S3b和S4b导通，S1、S3a和S4a关断，设置为死区；
PWM信号发生电路输出PWM脉冲组合的方式在电流小于零的模态为：在一个工作周期内有以下八种开关模式：
开关模式1：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S3a、S4a导通，S1、S2、S3b和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过C2、S3a、D3、S4a、D1、C1和L1构成回路为电容C1和C2充电，而电感L2通过负载、S3a、D3、S4a、D1和L2构成的回路为负载续流，此时输出的电平为零；
开关模式2：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S2、S3a和S4a导通，S1、S3b和S4b关断，设置为死区；
开关模式3：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S2、S4a导通，S1、S3a、S3b和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过S2、S4a、D1、C1和L1构成回路为电容C1充电，而电感L2通过负载、C2、S2、S4a、D1和L2构成的回路为L2和负载供电，此时输出的电平为U；
开关模式4：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2和S4a导通，S3a、S3b和S4b关断，设置为死区；
开关模式5：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2导通，S3a、S3b、S4a和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过L1、S1、S2构成回路为电感L1储能，而电容C1、C2通过C1、S1、S2、C2、负载和L2构成的回路为电感L2和负载供电，此时输出的电平为2U；
开关模式6：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S2和S3a导通，S3b、S4a和S4b关断，设置为死区；
开关模式7：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S3a导通，S2、S3b、S4a和S4b关断，在三点平Cuk交流变换器中，电感L1通过C2、S3a、D3、S1和L1构成的回路为电容C1充电，而电容C1通过L2、负载、S3a、D3、S1和C1构成的回路为电感L2和负载供电，此时输出的电平为U；
开关模式8：PWM脉冲信号驱动IGBT驱动电路，三点平Cuk调压电路中的IGBT开关S1、S3a和S4a导通，S2、S3b和S4b关断，设置为死区；
通过调节PWM脉冲信号，调节IGBT导通和关断时间得到不同的输出电压，IGBT开关由导通到关断有几十到几百纳秒的延时时间，为了防止电流的输出侧和输入侧电流方向不同而产生系统震荡在每两个电平之间设置死区。
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