高壓靜電油煙凈化器設(shè)計(jì)

宋森森　曾實(shí)現(xiàn)　吉雙章

摘 要：設(shè)計(jì)了一款以STM32單片機(jī)為主控制器，以半橋逆變器為主電路的高壓靜電發(fā)生裝置，裝置還包括電源電路、電壓檢測電路、過流保護(hù)電路、MOS管驅(qū)動電路。在功率變壓器設(shè)計(jì)上，加入輔助繞組，通過輔助繞組隔離反饋?zhàn)儔浩鞲邏簜?cè)電壓值，通過改變半橋逆變電路工作頻率實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)電壓PI閉環(huán)調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)了通過死區(qū)時間控制的系統(tǒng)軟起程序以及過流保護(hù)打嗝控制。

關(guān)鍵詞：半橋逆變器;高壓靜電;PI閉環(huán)控制;過流保護(hù)

Abstract：A high voltage static electricity generating device with STM32 single chip microcomputer as the main controller and half bridge inverter as the main circuit is designed.The device also includes power circuit，voltage detection circuit，over-current protection circuit and MOS tube driving circuit.In the design of the power transformer，the auxiliary winding is added，the voltage value of the high voltage side of the transformer is fed back through the isolation of the auxiliary winding，the PI closed-loop regulation of the high voltage side voltage is realized by changing the working frequency of the half bridge inverter circuit，the system soft start program controlled by the dead time and the belch control of the overcurrent protection are designed.

Key words：half bridge inverter;high voltage electrostatic;PI closed-loop control;over current protection

國家大力倡導(dǎo)環(huán)保，但家庭生活、餐飲行業(yè)還有一些工業(yè)生產(chǎn)活動都會排放油煙、粉塵、含有化工材料的水蒸氣等微小顆粒物。這加劇了空氣污染，嚴(yán)重威脅人們的身體健康。環(huán)保部門強(qiáng)制上述行業(yè)安裝空氣凈化器，實(shí)現(xiàn)受污染的空氣達(dá)標(biāo)排放，減小對人體健康的威脅，因此設(shè)計(jì)了一款低成本高性能高壓靜電油煙凈化器。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，整個系統(tǒng)包括主控電路，半橋逆變主電路，半橋驅(qū)動電路，工頻AC/DC電路，電壓電流采樣電路等。

1.1 主控電路

該設(shè)計(jì)以STM32F103為主控制器，STM32F103內(nèi)核為ARM32位的Cortex-M3，最高72MHz的工作頻率，在存儲器的0等待周期訪問時可達(dá)1.25DMips/MHZ，具有單周期乘法和硬件除法，具有128K字節(jié)的閃存程序存儲器容量，最大64K字節(jié)的SRAM，運(yùn)算能力強(qiáng)，具有高級定時器TIM1，可互補(bǔ)輸出PWM信號，用來驅(qū)動半橋逆變電路，并且該定時器可靈活插入死區(qū)時間，方便調(diào)節(jié)占空比，方便系統(tǒng)軟起。

1.2 半橋逆變主電路

主電路拓?fù)洳捎冒霕蚰孀冸娐?，如圖2所示，由兩顆G20N50C MOS管及兩顆0.47uF CBB高壓電容構(gòu)成半橋結(jié)構(gòu)，圖中R7、R14為均衡電阻，同時起到斷電后及時泄放直流側(cè)濾波電容電荷的功能，C6為隔直電容。

1.3 半橋驅(qū)動電路

主控芯片輸出互補(bǔ)的PWM波，通過推挽輸出進(jìn)行功率放大，MOS管驅(qū)動電路如圖3所示。脈沖變壓器T1，匝比N1∶N2∶N3=1，在脈沖變壓器T1一次側(cè)產(chǎn)生三電平矩形波，脈沖變壓器二次側(cè)產(chǎn)生相位互查180°的兩路三電平矩形波隔離驅(qū)動半橋電路兩顆MOS管G20N50C。

1.4 工頻交流輸入側(cè)EMI電路

為隔離電網(wǎng)干擾以及防止設(shè)備產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)，設(shè)計(jì)了工頻交流輸入側(cè)EMI電路，如圖4所示。

EMI濾波電路采用XC1、XC2兩顆安規(guī)電容，取值范圍為0.1～1.0μF，故選取電容值為0.1μF，電壓取值為275V，用來抑制差模干擾。L1為共模電感，由漆包線在閉合磁環(huán)上對稱繞制，繞制圈數(shù)相同，繞向相反，對共模信號產(chǎn)生較大的感抗，達(dá)到抑制共模干擾的效果。NTC1為熱敏電阻型號5D-9，抑制浪涌電流，RV1為壓敏電阻，型號14D471K，抑制浪涌電壓。

1.5 工頻AC/DC

工頻AC/DC如圖5所示，利用整流橋堆KBU1010將工頻交流整流，后經(jīng)電容濾波，得到脈動直流，電壓在300V左右。圖中R21為泄放電阻，在掉電后，能較迅速泄放濾波電容C10儲存的電荷，防止觸電事故。

1.6 電壓電流采樣電路

利用高頻電流互感器對交流側(cè)高頻交流電流進(jìn)行檢測，經(jīng)過半波整流，接入采樣電阻，然后進(jìn)行限幅，連接到STM32單片機(jī)的AD引腳采樣。電壓檢測采樣原邊反饋方式，即在功率升壓變壓器T2設(shè)置輔助繞組檢測間接檢測輸出測電壓，經(jīng)過半波整流進(jìn)一步濾波，分壓限幅最終接入單片機(jī)AD引腳，實(shí)現(xiàn)電壓值模數(shù)轉(zhuǎn)換，在數(shù)字系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)控制，如圖6所示。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電壓PI閉環(huán)控制

電壓控制采用PI閉環(huán)控制，通過板載旋鈕電位器設(shè)置給定電壓，主控制器進(jìn)行PI運(yùn)算控制定時器PWM頻率和死區(qū)時間，來控制功率變壓器一次側(cè)三電平矩形波頻率，實(shí)現(xiàn)二次側(cè)電壓的調(diào)整，控制流程如圖7所示。

2.2 過流保護(hù)控制

過流保護(hù)控制流程如圖8所示，高壓靜電油煙凈化器本質(zhì)是升壓式開關(guān)電源，對于開關(guān)電源，過流保護(hù)功能尤為重要，除保險(xiǎn)絲，熱敏電阻等器件保護(hù)外，軟件保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是靈活，可控。本設(shè)計(jì)中采用打嗝控制，檢測輸出電流，與閾值電流比對，如果輸出電流超限，則封鎖PWM輸出，半橋電路開關(guān)管停止工作。20s后恢復(fù)PWM輸出，若此時輸出不再過流，則過流保護(hù)解除，如果依然過流計(jì)數(shù)過留次數(shù)，過流次數(shù)計(jì)數(shù)到10次，永久封鎖PWM輸出，故障指示燈亮起。系統(tǒng)重新上電，單片機(jī)復(fù)位可解除封鎖。

3 結(jié)論

經(jīng)測試，該高壓靜電油煙凈化器輸出電壓9-20kV可調(diào)、額定輸出功率500W、開關(guān)頻率25-60kHz可調(diào)、工作環(huán)境溫度-20℃-60℃。

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作者簡介：宋森森，碩士研究生，主要研究方向：智能控制技術(shù)。