PWM控制斬波電路及仿真

1、 遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文） 題目：題目：pwm控?cái)夭娐返脑O(shè)計(jì) 院（系）：院（系）： 工程技術(shù)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院 專業(yè)班級(jí)：專業(yè)班級(jí)： 電氣電氣121121 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 121902020 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字） 起止時(shí)間：起止時(shí)間：202010-12-15至至2011-12-26 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ) 院（系）：工程技術(shù)學(xué)院 教研室：電氣教研室 注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算。 學(xué) 號(hào)121902020學(xué)生姓名韓鐸專業(yè)班級(jí)電氣12

2、1 課程設(shè)計(jì) （論文） 題目 pwm控制斬波電路的設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù) 課題完成的設(shè)計(jì)任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù)課題完成的設(shè)計(jì)任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù) 實(shí)現(xiàn)功能實(shí)現(xiàn)功能 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。 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù) 1、方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證。2、主電路設(shè)計(jì)。3、通過計(jì)算選擇整流器件的具 體型號(hào)。4、確定變壓器變比及容量。5、觸發(fā)電路設(shè)計(jì)或選擇。6、繪制相關(guān)電 路圖。7、完成 4000 字左右說明書。 要求要求 1、1、文字在 4000 字左右。 2、2、文中的理論分析與計(jì)算要正確。 3、3、文中的圖表工整、規(guī)范。

3、 4、元器件的選擇符合要求。 技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù) 1、開關(guān)管的開關(guān)頻率fs=40khz。2、最大占空比，選擇dmax=50%。3、電容 選取兩個(gè)470uf/25v的電容并聯(lián)。4、電阻取用0.4歐姆的電阻。5、根據(jù)實(shí)際工 作情況，最小控制角取20300左右。 進(jìn)度計(jì)劃 第 1 天：集中學(xué)習(xí)；第 2 天：收集資料；第 3 天：方案論證；第 4 天：主電路 設(shè)計(jì)；第 5 天：選擇器件；第 6 天：確定變壓器變比及容量；第 7 天：確定平 波電抗器；第 8 天：觸發(fā)電路設(shè)計(jì)；第 9 天：總結(jié)并撰寫說明書；第 10 天：答 辯。 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī) 平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年

4、 月 日 摘要 提出一個(gè)基于 pwm 控制的斬波電路控制系統(tǒng)，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)，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。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)。 關(guān)鍵詞：pwm；buck 電路；控制；simulink 目 錄 第 1 章 緒論.1 1.1 電力電子技術(shù)概況.1 1.2 本文研究?jī)?nèi)容.1 第 2 章 pwm 控制斬波電路的設(shè)計(jì).2 2.1 pwm 控制斬波電路總

5、體設(shè)計(jì)方案.2 2.2 具體電路設(shè)計(jì).2 2.2.1 主電路設(shè)計(jì).2 2.2.2 控制設(shè)計(jì).3 2.2.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì).5 2.3 buck 主電路參數(shù)設(shè)計(jì).5 2.3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)原理.8 2.3.4 采樣電阻的選.8 2.4 原件型號(hào)選擇.8 2.4.1 元件清單及參數(shù)設(shè)置 .8 2.4.2 電力二級(jí)管模式.9 2.4.3 電壓電流測(cè)量模塊.10 2.4.4 示波器模塊.10 2.4.5pwm 脈沖模塊.10 2.5 系統(tǒng)仿真.11 2.5.1 主電路框圖.11 2.5.2 仿真波形.11 第 3 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié).12 3.1 心得體會(huì).12 3.2 設(shè)計(jì)總結(jié).12 參考文獻(xiàn).13 第

6、 1 章 緒論 1.1 電力電子技術(shù)概況 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)

7、。 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 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，用于算法開發(fā)、數(shù)

8、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 中來完成電路 的仿真與計(jì)算。通過系統(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。 1.2 本文研究?jī)?nèi)容 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)載中沒有反電

9、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 simulink 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。 第 2 章 pwm 控制斬波電路的設(shè)計(jì) 2.1 pwm 控制斬波電路總體設(shè)計(jì)方案. 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

10、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 simulink 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。 系統(tǒng)框圖如圖 2.1 所示: 圖 2.1 buck 變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖 2.2 具體電路設(shè)計(jì) 2.2.1 主電路設(shè)計(jì) buck 變換器的基本原理：buck 電路是由晶體開關(guān)管 v、續(xù)流

11、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 2.2： 圖 2.2 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。 igbt 的等效電路如圖 2.3 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

12、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 2.3 igbt 的等效電路 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)電壓過低，則 igbt 不能穩(wěn)定正 常地工作，如果過高超過柵極發(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集電極發(fā)射極之間的耐壓， 流過 igbt 集電極發(fā)射極的電流超過

13、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(huì)永久性損壞6。 2.2.2 控制設(shè)計(jì) 控制方式選擇：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） 本次課程設(shè)計(jì)選用第一種方式。 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

14、利用微處理器的數(shù)字 輸出來對(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)載荷的變化來調(diào)制晶體 管柵極或基極的偏置，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(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。 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，

15、pwm 波又可分為電壓波和電 流波4。 pwm 的產(chǎn)生原理：pwm 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(duì)單片機(jī)的 p3 的第七個(gè)管腳編程來產(chǎn)生 40khz 的 pwm，其占空比是 56%。其原理圖如圖 2.4 所示： 圖 2.4 pwm 產(chǎn)生電路圖 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 來獲得足 夠大的電壓來驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管。如圖 2.5 所示為 ir2101 的芯片管腳： 圖 2.5 ir2101 引腳圖 其引腳作用如圖 2.6 所示： 圖 2.6 管腳功能圖

16、 2.3buck 主電路參數(shù)設(shè)計(jì) 2.3.1 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，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(gè)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 2.7 所示，可以表達(dá)為7： 圖 2.7 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8。 由于直流變

17、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，通常可以假設(shè)開關(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)中沒有專用的電阻、 電感、電容模塊它們均可以通過 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 2.10 所示： 圖 2.10 阻感容串聯(lián)模塊 2.4.2 電力二極管模塊 在 simpowersystempower electronics 選擇“diode”電力二極管模塊，模 塊如圖 2.

18、11 所示，參數(shù)設(shè)置如圖 2.12 所示: 在 simpowersystempower electronics 選擇全控型“igbt”模塊，模塊如 圖 2.13 所示，參數(shù)設(shè)置如圖 2.14 所示： 2.4.3 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，通過這些模塊,可以方便的與示 波器模塊相連接來進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量。模塊如圖 2.15 所示： 圖 2.15 電流與電壓表 2.4.4 示波器模塊 在 simulinksinks 選擇“scope”示

19、波器模塊，用來與電壓和電流測(cè)量模塊 配合使用，顯示測(cè)量點(diǎn)的電壓或電流波形。 “scope”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 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 2.16 所示： 圖 2.16 示波器 2.4.5 pwm 脈沖模塊 在 simulinksources 選擇“pulse generato

20、r”模塊，用來模擬 pwm 控制電 路和驅(qū)動(dòng)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(hào)，模塊如圖 18 所示：參數(shù)設(shè)置如圖 19 所示： 圖 2.17 模擬 pwm 控制電路 圖 2.18 模擬 pwm 參數(shù)設(shè)置 2.5 系統(tǒng)仿真 2.5.1 主電路框圖 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 2.19 所示。 圖 2.19 buck 主電路仿真圖 2.5.2 仿真波形 設(shè)置仿真時(shí)間為 1s，仿真過程中或仿真結(jié)束后，

21、雙擊示波器模塊，即可查看 各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的波形： （1）未放置電容 lc 時(shí)，斬波波形：如圖 2.20 所示為斬波電路電流（上） 與電壓（下）波形圖： 圖 2.20 展播電路仿真波形 (2)放置電容 lc 并調(diào)好參數(shù)時(shí)，占空比為 50%和占空比 20%的波形比較如 圖 2.21: 圖 2.21 電壓比較圖 第 3 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 3.1 心得體會(huì) 通過合作，我們的合作意識(shí)得到加強(qiáng)。合作能力得到提高。上大學(xué)后，很 多同學(xué)都沒有過深入的交流。在設(shè)計(jì)的過程中，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 的問題，在交流中大家積極發(fā)言和提出意見，同時(shí)我們還向別的同學(xué)請(qǐng)教。在此 過程中，每個(gè)人都想自己的方案得到實(shí)現(xiàn)，積極向同學(xué)說明自己的想法。比較選 出最好的方案。在這過程也提高了我們的表達(dá)能力。 在設(shè)計(jì)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(gè)問題都能自己解決，向老 師請(qǐng)教或向同學(xué)討論是一個(gè)很好的方法。 3.2 設(shè)計(jì)總結(jié) 本次電子課程設(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、bu