PWM控制斬波電路及仿真

1、 遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文） 題目：題目：pwm控斬波電路的設(shè)計 院（系）：院（系）： 工程技術(shù)學院工程技術(shù)學院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 電氣電氣121121 學學 號：號： 121902020 學生姓名：學生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字） 起止時間：起止時間：202010-12-15至至2011-12-26 課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語 院（系）：工程技術(shù)學院 教研室：電氣教研室 注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算。 學 號121902020學生姓名韓鐸專業(yè)班級電氣12

2、1 課程設(shè)計 （論文） 題目 pwm控制斬波電路的設(shè)計 課程設(shè)計（論文）任務(wù) 課題完成的設(shè)計任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù)課題完成的設(shè)計任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù) 實現(xiàn)功能實現(xiàn)功能 pwm 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，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的運行。 設(shè)計任務(wù)設(shè)計任務(wù) 1、方案的經(jīng)濟技術(shù)論證。2、主電路設(shè)計。3、通過計算選擇整流器件的具 體型號。4、確定變壓器變比及容量。5、觸發(fā)電路設(shè)計或選擇。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)實際工 作情況，最小控制角取20300左右。 進度計劃 第 1 天：集中學習；第 2 天：收集資料；第 3 天：方案論證；第 4 天：主電路 設(shè)計；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；第 9 天：總結(jié)并撰寫說明書；第 10 天：答 辯。 指導(dǎo)教師評語及成績 平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年

4、 月 日 摘要 提出一個基于 pwm 控制的斬波電路控制系統(tǒng)，本課程設(shè)計主要應(yīng)用了 matlab 軟件及其組件之一 simulink 進行系統(tǒng)的設(shè)計，pwm 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，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的運行。用 simulink 提供的示波器觀察波形，進行相應(yīng)的電壓和電流等的計算，最后進行總結(jié)，完成 整個 buck 變換器的研究與設(shè)計。 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 本文研究內(nèi)容.1 第 2 章 pwm 控制斬波電路的設(shè)計.2 2.1 pwm 控制斬波電路總

5、體設(shè)計方案.2 2.2 具體電路設(shè)計.2 2.2.1 主電路設(shè)計.2 2.2.2 控制設(shè)計.3 2.2.3 保護電路設(shè)計.5 2.3 buck 主電路參數(shù)設(shè)計.5 2.3.1 參數(shù)設(shè)計原理.8 2.3.4 采樣電阻的選.8 2.4 原件型號選擇.8 2.4.1 元件清單及參數(shù)設(shè)置 .8 2.4.2 電力二級管模式.9 2.4.3 電壓電流測量模塊.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)計總結(jié).12 3.1 心得體會.12 3.2 設(shè)計總結(jié).12 參考文獻.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 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。 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， 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，應(yīng)用領(lǐng) 域迅速擴展，成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。 matlab 是矩陣實驗室 matrix laboratory 的簡稱，是美國 mathworks 公司出 品的商業(yè)數(shù)學軟件，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)值計算的高級 技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，simulink 是 matlab 軟件的擴展它是實現(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，掌握和運用 matlab/simulink 工具分析系 統(tǒng)的基本方法。 1.2 本文研究內(nèi)容 本課程設(shè)計主要應(yīng)用了 matlab 軟件及其組件之一 simulink 進行系統(tǒng)的設(shè)計 與仿真系統(tǒng)主要包括：buck 降壓斬波主電路部分、pwm 控制部分和負載。buck 降 壓斬波主電路部分拖動帶反電動勢的電阻負載，模擬現(xiàn)實中一般的負載，若實際 負載中沒有反電

9、動勢，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，控制全控器件 igbt 的導(dǎo)通和關(guān)斷， 實現(xiàn)整個系統(tǒng)的運行。在 simulink 中完成各個功能模塊的繪制后，即可進行仿 真和調(diào)試，用 simulink 提供的示波器觀察波形，進行相應(yīng)的電壓和電流等的計 算，最后進行總結(jié)，完成整個 buck 變換器的研究與設(shè)計2。 第 2 章 pwm 控制斬波電路的設(shè)計 2.1 pwm 控制斬波電路總體設(shè)計方案. 本課程設(shè)計主要應(yīng)用了 matlab 軟件及其組件之一 simulink 進行系統(tǒng)的設(shè)計 與仿真系統(tǒng)主要包括：buck 降壓斬波主電路部分、pwm 控制部分和負載。buck 降 壓斬

10、波主電路部分拖動帶反電動勢的電阻負載，模擬現(xiàn)實中一般的負載，若實際 負載中沒有反電動勢，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，控制全控器件 igbt 的導(dǎo)通和關(guān)斷，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的運行。在 simulink 中完成各個功能模塊的繪制后，即可進行仿真和調(diào)試，用 simulink 提供的示波 器觀察波形，進行相應(yīng)的電壓和電流等的計算，最后進行總結(jié)，完成整個 buck 變換器的研究與設(shè)計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 2.2.1 主電路設(shè)計 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，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 lc 足夠大時輸出電壓的紋波足夠 小，可以認為是平滑直流電壓，穩(wěn)態(tài)時根據(jù)電感電流是否連續(xù)，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 都可能會永久性損壞6。 2.2.2 控制設(shè)計 控制方式選擇：根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(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 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，簡稱脈寬調(diào)制。它是

14、利用微處理器的數(shù)字 輸出來對模擬電路進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 管柵極或基極的偏置，來實現(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；當輸入電源是交流時，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現(xiàn)，在此我選擇的是軟件實 現(xiàn)，通過對單片機的 p3 的第七個管腳編程來產(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：由單片機產(chǎn)生的 pwm 的一個缺點就是驅(qū)動能力不足，所以在 單片機的 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 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 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，輸出電壓波形事實上如圖 2.7 所示，可以表達為7： 圖 2.7 電壓波形圖 所以實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?？梢约僭O(shè)開關(guān)紋波的幅值遠遠小于直流分量，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 現(xiàn).雙擊進入設(shè)置模塊，在進行設(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 電壓電流測量模塊 在 simpowersystemmeasurements 選擇“voltage measurement”電壓測量 模塊和“current measurement”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行參數(shù)的測量。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量模塊 配合使用，顯示測量點的電壓或電流波形。 “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，可以進行 x 軸和 y 軸的放大顯示，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 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)動電路，該模塊通過參數(shù)的設(shè)置，可以實現(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： 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 各個測量點的波形： （1）未放置電容 lc 時，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，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)計總結(jié) 3.1 心得體會 通過合作，我們的合作意識得到加強。合作能力得到提高。上大學后，很 多同學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 個人負責一定的部分，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請教。在此 過程中，每個人都想自己的方案得到實現(xiàn)，積極向同學說明自己的想法。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。在學習的過程中，不是每一個問題都能自己解決，向老 師請教或向同學討論是一個很好的方法。 3.2 設(shè)計總結(jié) 本次電子課程設(shè)計針對 buck 變換器進行了詳細的介紹，包括 buck 電路的工 作原理分析、bu