PWM控制器的設(shè)計(jì)—課程設(shè)計(jì)doc

1、前言直流斬波電路（DC Chopper）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/DC Converter)。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)合斬波電路，如電流可

2、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?cái)夭娐贰?直流斬波電路廣泛應(yīng)用于直流傳動(dòng)和開(kāi)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的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性。目前已取代了原來(lái)GTR和一部分電力MOSFET的市場(chǎng)，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是矩陣實(shí)驗(yàn)室Matrix Laboratory的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，SIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展

3、它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，本課程設(shè)計(jì)的仿真即需要在SIMULINK中來(lái)完成電路的仿真與計(jì)算。通過(guò)系統(tǒng)建模和仿真，掌握和運(yùn)用MATLAB/SIMULINK工具分析系統(tǒng)的基本方法。1.設(shè)計(jì)思路與框圖1.1 設(shè)計(jì)思路 本課程設(shè)計(jì)主要應(yīng)用了MATLAB 軟件及其組件之一SIMULINK進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)主要包括：BUCK降壓斬波主電路部分、PWM控制部分和負(fù)載。BUCK降壓斬波主電路部分拖動(dòng)帶反電動(dòng)勢(shì)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(méi)有反電動(dòng)勢(shì)，只需令其為零即可1。PWM控制部分為主電路部分提供脈沖信號(hào)，控制全控器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。在SIMU

4、LINK中完成各個(gè)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(jì)算，最后進(jìn)行總結(jié)，完成整個(gè)BUCK變換器的研究與設(shè)計(jì)2。 1.2系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)框圖如圖1所示: 負(fù)載BUCK降壓斬波電路PWM脈沖產(chǎn)生圖1 BUCK變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖2.PWM控制器的設(shè)計(jì)2.1 PWM控制的基本原理脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)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(cè)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(lái)調(diào)制晶體

5、管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)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(shí)保持恒定3。2.2 PWM波的分類根據(jù)PWM波形的幅值是否相等，PWM波可分為等幅PWM波和不等幅PWM波。由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波，如直流斬波電路和PWM整流電路等；當(dāng)輸入電源是交流時(shí)，得到的即為不等幅PWM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，PWM波又可分為電壓波和電流波4。2.3 PWM的產(chǎn)生原理PWM可以通過(guò)芯片和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，在此我選擇的是軟件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的P3的第七個(gè)管腳編程來(lái)產(chǎn)生40KHZ的PWM，其占空比是56%。其原理

6、圖如圖2所示：圖2 PWM產(chǎn)生電路圖2.4 PWM放大原理由單片機(jī)產(chǎn)生的PWM的一個(gè)缺點(diǎn)就是驅(qū)動(dòng)能力不足，所以在單片機(jī)的P3的第七個(gè)管腳需要加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，需要使用芯片IR2101來(lái)獲得足夠大的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管。如圖3所示為IR2101的芯片管腳：圖3 IR2101引腳圖其引腳作用如圖4所示：圖4 管腳功能圖其連接方式如圖5：圖5 管腳連接圖3.BUCK變換器的設(shè)計(jì)3.1 BUCK變換器的基本原理BUCK電路是由晶體開(kāi)關(guān)管V、續(xù)流二極管VD和LC輸出濾波器組成，圖中RL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(shí)，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

7、形波脈沖電壓；然后再由LC濾波器濾波，當(dāng)LC足夠大時(shí)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(shí)根據(jù)電感電流是否連續(xù)，BUCK變換器有連續(xù)和不連續(xù)兩種工作模式。3.2 IGBT簡(jiǎn)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(dòng)正電壓,則IGBT導(dǎo)通，這樣PNP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PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止5。圖7 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由此可知，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(guò)IG

8、BT集電極發(fā)射極的電流；IGBT的結(jié)溫。 如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓，即驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)低，則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作，如果過(guò)高超過(guò)柵極發(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(guò)集電極發(fā)射極之間的耐壓，流過(guò)IGBT集電極發(fā)射極的電流超過(guò)集電極發(fā)射極允許的最大電流，IGBT的結(jié)溫超過(guò)其結(jié)溫的允許值，IGBT都可能會(huì)永久性損壞6。3.3 控制方式根據(jù)對(duì)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(shí)間比控制方式)：（1）脈沖寬度調(diào)制（PWM）：T不變，改變ton。（定頻調(diào)寬控制模式） （2）頻率調(diào)制：ton不變，改變T。（定寬調(diào)頻控

9、制模式） （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.BUCK主電路參數(shù)設(shè)計(jì)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(jì)原則是，使輸出電壓的直流分量可以通過(guò)，抑制輸出電壓的開(kāi)關(guān)頻率及其諧波分量通過(guò)。但是，構(gòu)建一個(gè)能夠讓直流分量通過(guò)而且完全濾除開(kāi)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(kāi)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7：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(kāi)關(guān)諧波所產(chǎn)生8

10、。 由于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(kāi)關(guān)紋波很小。所以，通常可以假設(shè)開(kāi)關(guān)紋波的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直流分量，即： |Uripple|maxElements選擇“Series RLC Branch”阻感容串聯(lián)模塊。在Simulink模塊庫(kù)中沒(méi)有專用的電阻、電感、電容模塊它們均可以通過(guò)Series RLC Branch模塊通過(guò)參數(shù)的設(shè)置來(lái)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。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。圖12

11、 電力二極管模塊圖13 電力二極管參數(shù)設(shè)置在SimPowerSystemPower Electronics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。圖14 IGBT器件圖15 IGBT器件參數(shù)設(shè)置5.3 電壓電流測(cè)量模塊 在SimPowerSystemMeasurements選擇“Voltage Measurement”電壓測(cè)量模塊和“Current Measurement”電流測(cè)量模塊，通過(guò)這些模塊,可以方便的與示波器模塊相連接來(lái)進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量。模塊如圖16所示。 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(lái)

12、與電壓和電流測(cè)量模塊配合使用，顯示測(cè)量點(diǎn)的電壓或電流波形?！癝cope”示波器模塊可以參數(shù)設(shè)置測(cè)量輸入端的數(shù)目，也就是說(shuō)可以同時(shí)進(jìn)行多路的測(cè)量，既可以是電壓，也可以是電流，仿真時(shí)可以通過(guò)雙擊示波器模塊，打開(kāi)顯示波形的界面，該界面有很多按鈕，可以進(jìn)行X軸和Y軸的放大顯示，方便觀察測(cè)量的波形，選擇“Parameters”按鈕模塊，打開(kāi)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。 圖17 示波器5.5 PWM脈沖模塊 在SimulinkSources選擇“Pulse Generator”模塊，用來(lái)模擬PWM控制電路和驅(qū)動(dòng)電路，該模塊通過(guò)參數(shù)的設(shè)置，

13、可以實(shí)現(xiàn)任意周期，任意寬度，任意幅值的脈沖信號(hào)，模塊如圖18所示。參數(shù)設(shè)置如圖19所示。 圖18 模擬PWM控制電路圖19 模擬PWM參數(shù)設(shè)置5.6 仿真電路設(shè)計(jì) 在Simulink中選擇FileNewModel,即可創(chuàng)建以一個(gè)由工具欄和繪圖區(qū)構(gòu)成的文件，將選擇的各個(gè)模塊從庫(kù)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。圖20 BUCK電路圖5.7 仿真波形 設(shè)置仿真時(shí)間為1s，仿真過(guò)程中或仿真結(jié)束后，雙擊示波器模塊，即可查看各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的波形，如圖21所示為占空比為50%和占空比20%的波形比較圖。圖21 電壓仿真對(duì)比圖6.課程總結(jié)6.1 心得體會(huì)通過(guò)合作，我們的合作

14、意識(shí)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(méi)有過(guò)深入的交流。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們用了分工與合作的方式，每個(gè)人負(fù)責(zé)一定的部分，同時(shí)在一定的階段共同討論，以解決分工中個(gè)人不能解決的問(wèn)題，在交流中大家積極發(fā)言和提出意見(jiàn)，同時(shí)我們還向別的同學(xué)請(qǐng)教。在此過(guò)程中，每個(gè)人都想自己的方案得到實(shí)現(xiàn)，積極向同學(xué)說(shuō)明自己的想法。比較選出最好的方案。在這過(guò)程也提高了我們的表達(dá)能力。 在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們還得到了老師的幫助與意見(jiàn)。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，不是每一個(gè)問(wèn)題都能自己解決，向老師請(qǐng)教或向同學(xué)討論是一個(gè)很好的方法。6.2設(shè)計(jì)總結(jié)本次民用電子課程設(shè)計(jì)針對(duì)BUCK變換器進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括BUCK電路的工作原理分析

15、、BUCK電路的主要參數(shù)設(shè)計(jì)、BUCK電路電路的仿真以及PWM的產(chǎn)生的仿真。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)我對(duì)民用電子更加的了解了并且把理論上的知識(shí)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(huì)了MATLAB仿真軟件的使用和PROTEUS仿真軟件的使用，通過(guò)它來(lái)檢測(cè)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

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