PWM控制器的設(shè)計—課程設(shè)計.doc解析

1、、八 、，刖言直流斬波電路(DCChopper)的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直 流電，也稱為直接直流-直流變換器(DC/DCConverter)。直流斬波電路一般是指直接將 直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，不包括直流 -交流-直流的情況。習(xí)慣上，DC-DC變換器 包括以上兩種情況。直流斬波電路的種類較多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路， 升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，其中前兩種是最基 本的電路。一方面，這兩種電路應(yīng)用最為廣泛，另一方面，理解了這兩種電路可為理解 其他的電路打下基礎(chǔ)。利用不同的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成復(fù)合斬

2、波電路，如電流可逆斬波電路、 橋式可逆斬波電路等。利用相同結(jié)構(gòu)的基本斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成多相多重斬波電 路。直流斬波電路廣泛應(yīng)用于直流傳動和開關(guān)電源領(lǐng)域，是電力電子領(lǐng)域的熱點(diǎn)。全控 型器件選擇絕緣柵雙極晶體管(IGBT)綜合了 GTR和電力MOSFET勺優(yōu)點(diǎn)，具有良好的 特性。目前已取代了原來 GTR和一部分電力MOSFET市場，應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，成為 中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。MATLAB!矩陣實(shí)驗室 Matrix Laboratory的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商 業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言 和交互式環(huán)境，SIMUL

3、INK是MATLAB件的擴(kuò)展它是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟 件包，本課程設(shè)計的仿真即需要在 SIMULINK中來完成電路的仿真與計算。通過系統(tǒng)建 模和仿真，掌握和運(yùn)用MATLAB/SIMULIN工具分析系統(tǒng)的基本方法。171. 設(shè)計思路與框圖1.1設(shè)計思路本課程設(shè)計主要應(yīng)用了 MATLAB軟件及其組件之一 SIMULIN進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 系統(tǒng)主要包括：BUC降壓斬波主電路部分、PW控制部分和負(fù)載。BUC降壓斬波主電路 部分拖動帶反電動勢的電阻負(fù)載，模擬現(xiàn)實(shí)中一般的負(fù)載，若實(shí)際負(fù)載中沒有反電動勢， 只需令其為零即可。PW控制部分為主電路部分提供脈沖信號，控制全控器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，

4、實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的運(yùn)行。在SIMULINK中完成各個功能模塊的繪制后，即可進(jìn)行仿真和調(diào)試，用 SIMULINK提供的示波器觀察波形，進(jìn)行相應(yīng)的電壓和電流等的計算，最后進(jìn)行總結(jié)，完 成整個BUC變換器的研究與設(shè)計2。1.2系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖如圖1所示:圖1 BUCK變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖2. PWI控制器的設(shè)計2.1 PWM腔制的基本原理脈沖寬度調(diào)制（PWM是英文“ Pulse Width Modulation ”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量、通信、功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化 來調(diào)制晶體管柵極

5、或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的 改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定 。2.2 PWM波的分類根據(jù)PW波形的幅值是否相等，PW波可分為等幅PW波和不等幅PW波。由直流電源產(chǎn)生的PW波通常是等幅PW波，如直流斬波電路和PW整流電路等；當(dāng)輸入電源是交流時，得到的即為不等幅PW波，都基于面積等效原理，本質(zhì)是相同的。根據(jù)所控制電路 的不同，PW波又可分為電壓波和電流波 。2.3 PWM的產(chǎn)生原理PW可以通過芯片和軟件來實(shí)現(xiàn)，在此我選擇的是軟件實(shí)現(xiàn)，通過對單片機(jī)的P3的第七個管腳編程來產(chǎn)生40KHZ勺PWM其占空比是56%其原理圖如圖2所示：圖2 PWM

6、產(chǎn)生電路圖2.4 PWM放大原理由單片機(jī)產(chǎn)生的PW的一個缺點(diǎn)就是驅(qū)動能力不足，所以在單片機(jī)的P3的第七個管腳需要加一個驅(qū)動電路，需要使用芯片IR2101來獲得足夠大的電壓來驅(qū)動場效應(yīng)管。如圖3所示為IR2101的芯片管腳：其引腳作用如圖4所示:LedSymbolDescriptionHIMLogic input for htgh side gaf曰 driver oulpul (HO), in phaseLINLQ91G input for fcrtv sidedr ver output LOK in pha&eVBHifih sid# Acctting supplyHOHifih$atc d

7、riva outputvsNighHooting supply rfliurnvtcLow side entffiwJLQLow Sfdo 爭11” driw outputCOMLow side mlufTh圖4管腳功能圖其連接方式如圖5:Vij-VIH1N Hl)L1M 諸GM !_()Kh2ltJl8,PUA1LCl1(3圖5管腳連接圖3. BUCJ變換器的設(shè)計3.1 BUCK變換器的基本原理BUC電路是由晶體開關(guān)管V續(xù)流二極管V環(huán)口LC俞出濾波器組成，圖中R表示負(fù)載其電路圖如圖6:圖6 BUCK降壓斬波電路圖穩(wěn)態(tài)時，V周期性的導(dǎo)通和關(guān)斷，將直流輸入電壓斬波、生成脈寬為Ton的矩形波脈沖電

8、壓；然后再由LC濾波器濾波，當(dāng)LC足夠大時輸出電壓的紋波足夠小，可以認(rèn)為是平 滑直流電壓，穩(wěn)態(tài)時根據(jù)電感電流是否連續(xù)，BUC變換器有連續(xù)和不連續(xù)兩種工作模式。3.2 IGBT 簡介IGBT的等效電路如圖7所示。由圖可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動正電 壓,則IGBT導(dǎo)通，這樣PN晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若 IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V,則IGBT截止，切斷PN晶體管基極電流的供給，使 得晶體管截止5 o由此可知，IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定：IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓；IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓；流過IGBT集電極 發(fā)射極的

9、電流；IGBT的結(jié)溫。如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓，即驅(qū)動電壓過低，則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作， 如果過高超過柵極一發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞；同樣，如果加在IGBT集 電極與發(fā)射極允許的電壓超過集電極一發(fā)射極之間的耐壓，流過IGBT集電極一發(fā)射極的電流超過集電極發(fā)射極允許的最大電流，IGBT的結(jié)溫超過其結(jié)溫的允許值，IGBT都可能 會永久性損壞。3.3控制方式根據(jù)對輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同， 斬波電路有三種控制方式（時間比控制 方式）：（1）脈沖寬度調(diào)制（PWM : T不變，改變tono（定頻調(diào)寬控制模式）（2）頻率調(diào)制：ton不變，改變To（定寬調(diào)頻控制模式）

10、（3）混合型：ton和T都可調(diào)，改變占空比。（調(diào)寬調(diào)頻混合控制模式）4. BUCJ主電路參數(shù)設(shè)計4.1參數(shù)選擇原理在Buck電路中的電感L和電容C組成低通濾波器，此濾波器的設(shè)計原則是，使輸出電 壓的直流分量可以通過，抑制輸出電壓的開關(guān)頻率及其諧波分量通過。但是，構(gòu)建一個 能夠讓直流分量通過而且完全濾除開關(guān)頻率及其諧波分量的完美的濾波器是不可能的， 所以，在輸出中至少有一小部分是由于開關(guān)產(chǎn)生的高頻諧波。因此，輸出電壓波形事實(shí) 上如圖8所示，可以表達(dá)為:圖8電壓波形圖所以實(shí)際的輸出電壓由所需要的直流分量UO加少量的交流分量Uripple所組成，交流分量由低通濾波器未能完全衰減的開關(guān)諧波所產(chǎn)生。由于

11、直流變換器的作用使產(chǎn)生所需的直流的輸出，因此希望輸出電壓開關(guān)紋波很小。所以，通?？梢约僭O(shè)開關(guān)紋波的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直流分量，即：|Uripple | maX UDk41-Dmax)/2kf sI max(4.1.12)其中Dma為Buck電路最大占空比，k=0.05一0.1, f s為開關(guān)管的開關(guān)頻率，I ma為最 大輸出電流，U為輸入電壓。4.2電感值的計算因為頻率fs對于DC-D(電路變換的效率影響非常的大。如果fs太高，可以使充電電感 和濾波電容體積減小，但是充電電感的渦流損耗，磁滯損耗及其其他元件的分別參數(shù)的 影響加大造成的其他元件損耗加大。如果fs太低，充電電感，濾波電容的體積太大，在

12、保證充電電感量的前提下，線圈匝數(shù)增多，銅的損耗加大。綜合考慮各種因素，這里設(shè) 計開關(guān)管的開關(guān)頻率fs=40KHz可以求得震蕩電阻為47K,震蕩電容為1000pF。對于最大 占空比，選擇Dmax=50%而最大輸出電流Ima=1.2A ,k=0.05 ,U=24V,從而可以得到：L=1.31 mH2。4.3濾波電容的計算電容需要濾掉主要的開關(guān)紋波，選擇電容C足夠大，以使開關(guān)頻率時的電容值阻抗遠(yuǎn)小于負(fù)載阻抗R,因此幾乎所有的電感電流紋波流經(jīng)電容，而流經(jīng)負(fù)載電阻阻抗R的紋波非常小，電容電流波形i c(t)等于電感電流波形去掉直流成分后的交流成分。輸出濾波電容的選取決定了輸出紋波電壓，紋波電壓與電容的等

13、效的串聯(lián)電阻有關(guān)，電容的紋波 電流要大于電路中的紋波電流。這里選取兩個470uf/25V的電容并聯(lián)，這樣就可以降低了等效的串聯(lián)電阻13。4.4采樣電阻的選用最后采樣電路，為了避免通電時間長，電阻會發(fā)熱，電阻的阻值會變大，弓I起比較 大的誤差，我們選取了 4個0.1歐姆/3W的電阻。兩兩串聯(lián)起來，有效的減小電阻發(fā)熱導(dǎo)致誤差的影響5. BUCJ變化器的仿真5.1元件清單及參數(shù)設(shè)置打開 MATLA的仿真環(huán)境 Simulink，在 SimPowerSystemElementS選擇“ Series RLCBranch”阻感容串聯(lián)模塊。在Simulink模塊庫中沒有專用的電阻、電感、電容模塊它們均可以通過

14、Series RLC Branch模塊通過參數(shù)的設(shè)置來實(shí)現(xiàn).雙擊進(jìn)入設(shè)置模塊，在進(jìn)行設(shè)置即可，如圖11所示。Senes RLC Branch圖11阻感容串聯(lián)模塊5.2電力二極管模塊在SimPowerSystemPower Electronics 選擇“ Diode”電力二極管模塊，模塊如圖12所示，參數(shù)設(shè)置如圖13所示。昌Diode圖12電力二極管模塊圖13電力二極管參數(shù)設(shè)置在SimPowerSystemPoweElectronics 選擇全控型“ IGBT模塊，模塊如圖14所示,參數(shù)設(shè)置如圖15所示Partrnttersfiesd s-taiice Kon i.0iuns)a. aoiIni

15、duct&nee Lon (K):le-&diode rasistance ltd (OhriE):Ini t iai cur lent I c (jA.) :FSnubber t電si占民i亡色 Rs (Ohms):Snubbr capacitanee Cs (F):inf7 Show ntsurgntgri.i： port圖15 IGBT器件參數(shù)設(shè)置5.3電壓電流測量模塊在 SimPowerSystemMeasurement選擇“ Voltage Measurement ” 電壓測量模塊和“Current Measuremen”電流測量模塊，通過這些模塊，可以方便的與示波器模塊相連 接來進(jìn)

16、行參數(shù)的測量。模塊如圖16所示。f h/lpAictiirP i圖16電流與電壓表5.4示波器模塊在SimulinkSinks選擇“Scope”示波器模塊，用來與電壓和電流測量模塊配合使用，顯示測量點(diǎn)的電壓或電流波形。“ Scope”示波器模塊可以參數(shù)設(shè)置測量輸入端的 數(shù)目，也就是說可以同時進(jìn)行多路的測量，既可以是電壓，也可以是電流，仿真時可以 通過雙擊示波器模塊，打開顯示波形的界面，該界面有很多按鈕，可以進(jìn)行Xtt和刑由的放大顯示，方便觀察測量的波形，選擇“ Parameters ”按鈕模塊，打開示波器的屬性設(shè) 置窗口，在Number of axes中輸入需要的端口數(shù)目即可。模塊如圖17所示

17、。Scopel圖17示波器5.5 PWM脈沖模塊在SimulinkSources選擇“ Pulse Generator ”模塊，用來模擬PW控制電路和驅(qū)動電路，該模塊通過參數(shù)的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)任意周期，任意寬度，任意幅值的脈沖信號，模塊如圖18所示。參數(shù)設(shè)置如圖19所示。Pulse圖18模擬PW控制電路圖19模擬PW參數(shù)設(shè)置ArENewModel,即可創(chuàng)建以一個由工具欄和繪圖區(qū)構(gòu)成的文件，將選擇的各個模塊從庫中拖到新建的繪圖區(qū)，進(jìn)行連線，即可完成電路圖的繪制電路圖如圖20所示PUtBLrnialoriGteTBrinchjV.tijj.j*SiuK*J_、hlj r* Messu mct氐a戶圖

18、20 BUCKfe路圖5.7仿真波形設(shè)置仿真時間為1s，仿真過程中或仿真結(jié)束后，雙擊示波器模塊，即可查看各個測量點(diǎn)的波形，如圖21所示為占空比為50唏口占空比20%勺波形比較圖圖21電壓仿真對比圖6. 課程總結(jié)6.1心得體會通過合作，我們的合作意識得到加強(qiáng)。合作能力得到提高。上大學(xué)后，很多同學(xué)都 沒有過深入的交流。在設(shè)計的過程中，我們用了分工與合作的方式，每個人負(fù)責(zé)一定的 部分，同時在一定的階段共同討論，以解決分工中個人不能解決的問題，在交流中大家 積極發(fā)言和提出意見，同時我們還向別的同學(xué)請教。在此過程中，每個人都想自己的方 案得到實(shí)現(xiàn)，積極向同學(xué)說明自己的想法。比較選出最好的方案。在這過程也

19、提高了我 們的表達(dá)能力。在設(shè)計的過程中我們還得到了老師的幫助與意見。在學(xué)習(xí)的過程中， 不是每一個問題都能自己解決，向老師請教或向同學(xué)討論是一個很好的方法。6.2設(shè)計總結(jié)本次民用電子課程設(shè)計針對BUC變換器進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括BUC電路的工作原 理分析、BUC電路的主要參數(shù)設(shè)計、BUC電路電路的仿真以及PWI的產(chǎn)生的仿真。通過 這次的課程設(shè)計我對民用電子更加的了解了并且把理論上的知識運(yùn)用到了實(shí)際生活中， 查閱資料，與同學(xué)相互的交流也是一種學(xué)習(xí)的方法，增加了自己的交流的水平，也讓我 學(xué)會了 MATLA仿真軟件的使用和PROTEUS真軟件的使用，通過它來檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性 和抗干擾能力，讓我真正的學(xué)以致用。7. 參考文獻(xiàn)1 王兆安，劉進(jìn)軍電力電子技術(shù)M.北京.科學(xué)出版社，2007.6. 125-1332 周克寧.電力電子技術(shù)M.北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2004.85-1003 徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制M.北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2006. 25-334 丁道宏.電力電子技術(shù)M.北京.航空工業(yè)出版社，1999. 125-133 趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京.清華大學(xué)出版社，1995.12-15 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)M.北京.機(jī)械工業(yè)出版社，1992.125-1337 廖曉鐘.電力電子技術(shù)與電氣傳動M.北京.北京理工大學(xué)出版社，2000.24-298 王維平.現(xiàn)代電力電