電力電子課程設(shè)計可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)

1、目 錄 第一章 電子器件.1 1.1 三極管 .2 1.2 晶閘管 .2 1.3 電容 .4 1.4 運算放大器 .4 1.5 單片機(jī) .5 第二章 應(yīng)用軟件介紹.7 2.1 軟件簡介 .7 2.2 proteus 軟件特點 .9 2.3 軟件內(nèi)部結(jié)構(gòu) .10 第三章 主電路分析.11 3.1 電路介紹 .11 3.2 剔除毛刺 .13 第四章 仿真總結(jié).14 結(jié)論.15 致謝.16 參考文獻(xiàn).17 第一章 電子器件 以電力為對象的電子技術(shù)稱為電力電子技術(shù)，它是一門利用各種電力電子 器件，對電能進(jìn)行電壓、電流、頻率和波形等方面的控制和變換的學(xué)科。 電力電子技術(shù)包括電力電子器件、電路和控制三部分

2、，是橫跨電力、電子 和控制三大電氣工程技術(shù)之間的交叉學(xué)科，是目前最活躍、發(fā)展最快的一門新 興學(xué)科。 由于電力電子器件具有體積小、重量輕、容量大、損耗小、壽命長、維護(hù) 方便、控制性能好以及可采用集成電路制造工藝等優(yōu)點，用它做成的裝置具有 可靠性高、節(jié)能、性能好等優(yōu)點。 圖 1-1 三種單片機(jī)外形 電力電子電路是以電力電子器件為核心，通過對不同電路的各種控制來實現(xiàn) 對電能的轉(zhuǎn)換和控制，它的基本功能有以下四種： 1） 整流與可控整流電路亦稱交流、直流（ac/dc）變換電路，把交流電變換為 固定或可調(diào)直流。 2） 逆變電路稱直流、交流（dc/ac）變換電路，把直流電變換成頻率固定或頻 率可調(diào)的交流電。

3、如把直流電能逆變成 50hz 的交流返送交流電網(wǎng)稱為有源 逆變，把直流電能逆變?yōu)楣潭l率或頻率可調(diào)的交流供給用電器則稱為變頻 電路。 3） 直流斬波電路亦稱 dc/dc 變換電路，其功能是把固定直流變換成可調(diào)或固 定直流。 4） 交流調(diào)壓與周波變換亦稱 ac/ac 變換電路，把恒定交流變換為可變交流稱 為交流調(diào)壓，把固定頻率的交流變?yōu)轭l率可變的交流稱為變頻電路。 在實際使用時可將一種或幾種功能電路進(jìn)行組合，上述四種電路的變換 功能統(tǒng)稱為變流，因此電力電子技術(shù)通常也稱為交流技術(shù)。 1.1 三極管 半導(dǎo)體三極管也成為晶體三極管，可以說它是電子 電路中最重要的器件。它最重要的功能是電流放大和開 關(guān)作

4、用。由于不同的組合方式，形成了一種是 npn 型的 三極管，另一種是 pnp 型的三極管。 （1） 用途 圖 1-2 三極管介紹 三極管的種類很多，并且不同型號各有不同的用途。三極管大都是塑料封 裝或金屬封裝，常見三極管的外觀，有一個箭頭的電極是發(fā)射極，箭頭朝外的 是 npn 型三極管，而箭頭朝內(nèi)是 pnp 型。實際上箭頭所指的方向是電流的方向。 （2）作用 三極管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的電信號變成一定 強(qiáng)度的信號，當(dāng)然這種轉(zhuǎn)換任然遵循能量守恒，它只是把電源的能量轉(zhuǎn) 換成信號的能量罷了。 圖 1-3 三極管 （3） 三極管電極和管型的判別 管型及管極判別：管型判別一般是 npn

5、還是 pnp 應(yīng)從管殼上標(biāo)注的型號來判別。依照部分標(biāo)準(zhǔn)，三 極管型號的第二位，a、c 表示 pnp 管，b、d 表示 npn 管。 1.2 晶閘管 晶閘管全稱晶體閘流管，曾稱可控硅，簡稱 scr。 晶閘管的結(jié)構(gòu)與原理：晶閘管是一種功率四層半導(dǎo)體器件，有三個引出極， 陽極（a） 、陰極（k） 、門極（g） ，常用的有螺栓式與平板式。晶閘管是電力電 子器件，工作時發(fā)熱大，必須安裝散熱器。 晶閘管內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)：管芯由四層半導(dǎo)體組成，形成三個 p-n 結(jié)。當(dāng)管子 陽極與陰極叫上反向電壓時，陽極和陰極結(jié)處于反向阻斷狀態(tài)；當(dāng)加上正面電 壓時門極結(jié)處于反向阻斷狀態(tài)，管子仍不通。只有在晶閘管 陽極與陰極之間必

6、須加正向電壓，門極加正向電壓，才能正 常導(dǎo)通。導(dǎo)通后流過晶閘管的電流由通態(tài)平均電流來標(biāo)定， 晶閘管的關(guān)斷條件是必須使陽極電流 ia 小于維持電流 ih， 對于電阻負(fù)載，只要使管子陽極電壓降為零即可。 主要參數(shù)： 圖 1-4 多個晶閘 額定電壓utn 由于晶閘管工作溫度可能升高，在使用中會出現(xiàn)各種不可避免的 瞬時過電壓，因此在選用管子的額定電壓時，應(yīng)比工作電路中加在管 子上的最大瞬時電壓值utm大23倍，即utm=(23) 額定電流 it(av)亦稱額定通態(tài)平均電流在室溫40度和規(guī)定的冷卻條件下， 器件在電阻負(fù)載流過正弦半波（導(dǎo)通角不小于170度）電路中，結(jié)溫 不超過額定結(jié)溫時所允許的最大通態(tài)

7、平均電流值，將此值靠取相近電流等 級即為器件的額定電流it(av). 晶閘管額定電流是以通態(tài)平均電 流來標(biāo)定，而發(fā)熱應(yīng)由流過電流的有 效值來決定，為此，可根據(jù)管子額定 電流it(av)換算出額定有效電流itn. 門極觸發(fā)電流 圖1-5 單個晶閘管 在室溫下施加6v正向陽極電壓，是管子完全導(dǎo)通所必須的最小門 極電流，稱門極觸發(fā)電流igt,對應(yīng)的門極觸發(fā)電壓為ugt.在技術(shù)數(shù)據(jù) 中所給出的最大觸發(fā)電壓和最大觸發(fā)電流是不允許值，而是指該信號 的所有晶閘管都能觸發(fā)導(dǎo)通所給出的最小觸發(fā)電壓和電流，而且該觸 發(fā)電流是直流指。在實際應(yīng)用中多采用脈沖電流來觸發(fā)，因此觸發(fā)脈 沖電流幅值允許可達(dá)5倍的常規(guī)觸發(fā)電流

8、來進(jìn)行觸發(fā)。ugt、igt值受 溫度影響很大，在冬天使用管子時，ugt、igt值會增大，使用時要注 意。 通態(tài)平均電壓ut(av) 在規(guī)定環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，管子流過額定正弦半波電流 時，陽、陰極之間的平均電壓成通態(tài)平均電壓簡稱管壓降，ut(av)值 小管子功耗亦小。 維持電流 在標(biāo)準(zhǔn)室溫且門極斷開時，管子從較大通態(tài)電流降至剛能保持導(dǎo) 通的最小陽極電流稱維持電流ih.晶閘管加上觸發(fā)脈沖使其開通的過 程中，當(dāng)脈沖消失此時要保持管子維持導(dǎo)通所需的最小陽極電流值稱 為掣住電流il,如管子在開通過程中陽極電流ia未上升到il值，當(dāng)觸 發(fā)脈沖去除后管子又會恢復(fù)阻斷。 1.3 電容 電容元件也成為電

9、容，所以電容這一術(shù)語及其代表符號 c，一方面表示電 容元件，另一方面也表示電容元件的參數(shù)電容量。 實際的電容器均標(biāo)出電容量和額定工作電壓兩個參數(shù)。使用時應(yīng)注意電容 器的電壓不應(yīng)超過其額定值，否則電容器的介質(zhì)就有可能損壞或擊穿，失去電 容器的功能。 電容可分為兩種連接形式：電容的串聯(lián)和電容的并聯(lián)。 （1）電容的串聯(lián) 把兩個電容串聯(lián)的電容看成是一個等效電容 c，則根據(jù)電容的定義，有 uc=（1/c）q 比較式，可得 1/c=1/c1+1/c2 若有 n 個電容串聯(lián)，則有 n 個電容分之一相加。 uc1=（c2*uc）/（c1+c2） uc2=（c1*uc）/（c1+c2） 即在兩個電容相串聯(lián)的電路

10、上，每個電容分配到的電壓計算是在形式上與 并聯(lián)電阻的分流公式相似。 （2）電容的并聯(lián) 把兩個并聯(lián)的電容看成是一個等效電容 c，根據(jù)等效的概念，電容 c 極板上 的電荷應(yīng)是 q1 和 q2 之和，且 uc1=uc2=uc，于是 c=q/uc=c1+c2 當(dāng) n 個電容并聯(lián)，則有 c 等于 n 個電容值之和。 1.4 運算放大器 運算放大器簡稱運放，是具有很高方的倍數(shù)的電路單元。在實際電路中通 常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。由于早期應(yīng)用于早起計算機(jī)中用以實 現(xiàn)數(shù)學(xué)運算，故得名“運算放大器” 。 運放是一個從功能的角度命名的電路單元可以有分離的器件實現(xiàn)，也可以 實現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體

11、技術(shù)的發(fā)展，大部分的運放是以單芯片的 形式存在。運放的種類繁多，廣泛運用于電子行業(yè)，運算放的起最早被設(shè)計出 出來的目的是：將電壓類比成數(shù)據(jù)，用來進(jìn)行加減乘除的運算，同時也成為實 現(xiàn)電子計算機(jī)的基本構(gòu)建方塊。 1.5 單片機(jī) 單片機(jī)定義是：將中央處理、隨機(jī)存儲器、只讀存儲器、中斷系統(tǒng)、定時器/計 數(shù)器以及 i/o 接口電路等微型計算機(jī)的主要部件集成在一塊芯片上， 使其具有計算機(jī)的基本功能，就叫做單片微型計算機(jī)，簡稱單片機(jī)。 單片機(jī)應(yīng)用于： （1）工業(yè)控制。單片機(jī)可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。 （2）儀器儀表。如智能儀表、醫(yī)療器械、數(shù)字示波器等。 圖 1-6 at89c51 圖 （3）

12、計算機(jī)外部設(shè)備與智能接口。如圖形終端機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、 繪圖儀、智能終端機(jī)等。 （4）商用產(chǎn)品。如自行銷售機(jī)、電電子收款機(jī)、電子秤等。 （5）消費類電子產(chǎn)品。 （6）通訊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。 圖 1-7 單片機(jī)實物圖 （7）家用電器。如微波爐、電視機(jī)、空調(diào)、洗衣機(jī)、錄像機(jī)、音響設(shè)備等。 （8）汽車、建筑機(jī)械、飛機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備。 （9）兒童智能玩具。 （10）交通控制設(shè)備。 （11）智能樓宇設(shè)備。 第二章 應(yīng)用軟件介紹 2.1 軟件簡介 2.1.1 keil 簡介 keil 軟件是目前最流行開發(fā)系列單片機(jī)的軟件，keil 提供了包括 c 編譯器、 宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿

13、真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案， 通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uvision）將這些部份組合在一起。而 proteus 與其它 單片機(jī)仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機(jī) cpu 的工作情況，也能仿真單 片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào) 試時，關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機(jī)寄存器和存儲器內(nèi)容的改變，而是 從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結(jié)果。對于這樣的仿真實驗， 從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。 （1）建立工程文件 點擊“project-new project”菜單，出現(xiàn)一個對話框，要求給將要建立 的工程起一個名字，你可以在編

14、緝框中輸入一個名字,點擊“保存”按鈕，出現(xiàn) 第二個對話框，按要求選擇目標(biāo)器件片。建立新文件并增加到組。分別設(shè)置 “target1”中的“target,output,debug”各項，使程序匯編后產(chǎn)生 hex 文件。 （2）匯編，調(diào)試系統(tǒng)程序 keil 單片機(jī)模擬調(diào)試軟件內(nèi)集成了一個文本編輯器，用該文本編輯器可以 編輯源程序。在集成開發(fā)環(huán)境中選擇菜單“file new.”、單擊對應(yīng)的工 具按鈕或者快捷鍵ctrl +n 將打開一個新的文本編輯窗口，完成匯編語言源文 件的輸入，并且完成源程序向當(dāng)前工程的添加。 然后在集成開發(fā)環(huán)境中選擇菜單“filesave as.”可以完成文件的第 一次存儲。注意，

15、匯編語言源文件的擴(kuò)展名應(yīng)該是“asm”，它應(yīng)該與工程文件 存儲在同一文件夾之內(nèi)。在完成文件的第一次存儲以后，當(dāng)對匯編語言源文件 又進(jìn)行了修改，再次存儲文件則應(yīng)該選擇菜單“filesave”、單擊對應(yīng)的工 具按鈕或者快捷鍵ctrl +s 實現(xiàn)文件的保存。 接著的工作需要把匯編語言源文件加入工程之中。選擇工程管理器窗口的 子目“source group 1”，再單擊鼠標(biāo)右鍵打開快捷菜單。在快捷菜單中選擇 “add file to group source group 1”，加入文件對話框被打開。在這 個對話框的“查找范圍（i）”下拉列表框中選擇存儲匯編語言源文件的文件夾， 在“文件類型（t）” 下

16、拉列表框選擇“asm source file（*.a*；*.src）”， 這時存儲的匯編語言源文件將顯示出來。雙擊要加入的文件名或者選擇要加入 的文件名再單擊“add”按鈕即可完成把匯編語言源文件加入工程。文件加入以 后，加入文件對話框并不消失，更多的文件也可以利用它加入工程。如果不需 要加入其它文件，單擊“close”按鈕可以關(guān)閉加入文件對話框。這時工程管理 窗口的文件選項卡中子目錄“source group 1”下出現(xiàn)一個匯編語言源文件。 需要注意，當(dāng)把匯編語言源文件加入工程但還沒有關(guān)閉加入文件對話框，這時 有可能被誤認(rèn)為文件沒有成功地加入工程而再次進(jìn)行加入操作，系統(tǒng)將顯示所 需的文件已經(jīng)

17、加入的提示。在這種情況下，單擊提示框中的“確定”按鈕，再 單擊“close”按鈕可以關(guān)閉加入文件對話框。 （3）編譯源程序，出現(xiàn)錯誤時，返回上一級對錯誤更改后重新編譯，直到 沒有錯誤為止。 2.1.2 proteusproteus 簡介簡介 protues是labcenter公司出品的電路分析、實物仿真系統(tǒng)，而keil是目 前世界上最好的51單片機(jī)匯編和c語言的集成開發(fā)環(huán)境。 圖 2-1 打開 proteus 他支持匯編和c的混合編程，同時具備強(qiáng)大的軟件仿真和硬件仿真功能。 protues能夠很方便的和keil、matlab ide等編譯模擬軟件結(jié)合。proteus提供 了大量的元件庫有ram

18、，rom，鍵盤，馬達(dá)，led，lcd，ad/da，部分spi器件， 部分iic器件，它可以仿真單片機(jī)和周邊設(shè)備，可以仿真51系列、avr，pic等常 用的mcu，與keil和mplab不同的是它還提供了周邊設(shè)備的仿真，只要給出電路 圖就可以仿真。 這里我將 keil 和 protues 兩個軟件的快速集成起來使用。 （1）首先將 keil 和 protues 兩個軟件安裝好。 （2）然后在 c：program fileslabcenter eletronicsprotues 6 professionalmodels 目錄下的 vdm51.dll 動態(tài)連接庫文件復(fù)制到 c:keilc51bin

19、目錄下面這個文件將在 keil 的 debug 設(shè)置時用到。 （3）打開 protues 軟件，新建一文件將硬件原理圖繪入圖中。 （4）將 keil 生成的 hex 文件下載入單片機(jī)中，點擊“開始”進(jìn)行仿真。 （5）在 keil 中進(jìn)行 debug，同時在 proteus 中查看直觀的結(jié)果。這樣就 可以像使用仿真器一樣調(diào)試程序。利用 proteus 與 keil 整合進(jìn)行實驗，具有比 較明顯的優(yōu)勢，當(dāng)然其存在的缺點也是有的。利用仿真實驗可以做全部的軟件 實驗和極大多數(shù)的硬件系統(tǒng)，虛擬仿真實驗室，因極少硬件投入、所以經(jīng)濟(jì)優(yōu) 勢明顯，不僅可以彌補實驗儀器和元器件缺乏帶來的不足，而且排除了原材料 消

20、耗和儀器損壞等因素。 圖 2-2 添加元器件 2.2 proteus 軟件特點 其功能特點如下: proteus 軟件具有其它 eda 工具軟件的功能。這些功能 是： （1）原理布圖 （2）pcb 自動或人工布線 （3）spice 電路仿真 具有 3 大功能模塊: （1）個易用而又功能強(qiáng)大的 isis 原理布圖工具； （2）prospice 混合模型 spice 仿真; （3） ares pcb 設(shè)計. 2.3 軟件內(nèi)部結(jié)構(gòu) proteus 提供了豐富的資源: （1） proteus 可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流 等數(shù)千種元器件，有 30 多個元件庫。 （2） prote

21、us 可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、 spi 調(diào)試器、i2c 調(diào)試器、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、 交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調(diào)用。 圖 2-3 在元件庫中尋找運算放大器 （3）除了現(xiàn)實存在的儀器外，proteus 還提供了一個圖形顯示功能，可以 將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波 器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如 極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對測量 結(jié)果的影響。 （4）proteus 可提供的調(diào)試手段 proteus 提供了比較豐富的測試信號用于 電路的

22、測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。 用電為調(diào)節(jié) at89c51 的 pwm 輸出占空比，將 a/d 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)作 為延時常數(shù)。當(dāng)電位器阻值發(fā)生變化時，系統(tǒng)的輸出值也相應(yīng)的發(fā)生 變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出的 pwm 占空比，控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 第三章 主電路分析 3.1 電路介紹 在課程設(shè)計開始的時候我組成員對課程題目進(jìn)行了深刻的分析與討論。 首先，我們從dc-dc直流斬波開始進(jìn)行分析，將一種直流電轉(zhuǎn)換成另一種直 流電。 其次，著手于電機(jī)的轉(zhuǎn)動，設(shè)想怎樣才能使電機(jī)運轉(zhuǎn)？我們利用的是斬波 后利用集成運算放大器把pwm信號進(jìn)行運放。 圖3-1 可逆直流pwm調(diào)速系統(tǒng)原理圖 最后，我們實現(xiàn)了

23、電機(jī)的單向運轉(zhuǎn)，可是沒有完全實現(xiàn)可逆直流pwm調(diào)速系 統(tǒng)。 進(jìn)而，我們將上述方案進(jìn)一步完善，分析如下： 第一，我們了解到用電壓調(diào)節(jié)at89c51的pwm輸出占空比，將a/d轉(zhuǎn)換后的數(shù) 據(jù)作為延時常數(shù)。當(dāng)電位器阻值發(fā)生變化時，系統(tǒng)的輸出值也相應(yīng) 的發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出的pwm占空比，控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn) 速。 （a） （b） 圖 3-2 電機(jī)慢速轉(zhuǎn)動及波形圖（a）和電機(jī)快速轉(zhuǎn)動及波形圖（b） 第二，利用單片機(jī)at89c51的定時器1控制p2.0串口來產(chǎn)生pwm信號用全控晶 閘管來控制信號的給定。 第三，在編寫程序時，設(shè)定一個變量通過按鍵實現(xiàn)變量大小的變化，間接 地調(diào)節(jié)pwm信號：當(dāng)按下一下按

24、鍵button1可使變量（pwm）變大，連續(xù)按 button1時高電平占空比不斷增大；當(dāng)按下 一下按鍵button2可使pwm不斷增小，連續(xù)按button2時高電平占空比變小 ；從而得到不同的pwm波形來調(diào)速。 圖 3-3 可逆直流 pwm 調(diào)速系統(tǒng)控制電路的原理圖 給定的 vcc 信號通過晶閘管進(jìn)行直流斬波，將斬波后的電流傳入到主電路 中，進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)運轉(zhuǎn)。與此同時，雙向開關(guān)控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)動。 3.2 剔除毛刺 此設(shè)計構(gòu)建了一個小功率電動機(jī)可逆直流 pwm 調(diào)速系統(tǒng)，并通過實驗最終 實現(xiàn)可逆 pwm 控制的各種典型控制模式。 可是，利用單片機(jī) at89c51 的定時器 1 控制 p2.0

25、 串口來產(chǎn)生 pwm 信號后沒 有使用用全控晶閘管來控制信號的同時，產(chǎn)生了一定的毛刺（諧波），圖如下 （a）所示： （a） （b） 圖 3-4 帶有毛刺波形（a）與消除毛刺波形（b） 為了解決這一問題，我組成員將本學(xué)期所學(xué)的電力電子知識進(jìn)行了應(yīng)用。最終 尋找到了晶閘管這一電子器件，將其放置在與單片機(jī) at89c51 的定時器 1 控制 p2.0 串口來產(chǎn)生 pwm 信號的輸出端且與 vcc 信號相接。在此方針實現(xiàn)了毛刺的 提出，如上圖（b）所示。 第四章 仿真總結(jié) 通過以上結(jié)果分析比較，可逆直流 pwm 調(diào)速系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的是可逆直流電 路和 pwm 技術(shù)的應(yīng)用。 圖 3-5 主電路圖 可逆直流電路是由直流轉(zhuǎn)換為直流可影響電路中的電流輸出值。pwm 技術(shù) 是把正弦波分為 n 等份，就可以把正弦半波看成是由 n 個彼此相連的脈沖序列 所組成的波形，這些脈沖序列寬度相等，都等于 /n,但幅值不等，脈沖頂部 是曲線，按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相