汽车尾气废热发电电力调节器的研制——毕业论文

武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 目录 摘要 I ABSTRACT .II 1 绪论.1 1.1 研究背景及意义 .1 1.2 热电应用发展现状 .1 1.3 DC/DC 变换器控制方法研究现状.2 1.4 本文主要研究内容 .4 2 系统建模与设计 6 2.1 方案设计.6 2.2 主电路选型与分析.7 2.2.1 主电路选型.7 2.2.2 BUCK 电路分析.8 2.2.3 保护电路设计 11 3 控制系统设计 .13 3.1 控制器设计 13 3.1.1 显示电路14 3.1.2 CAN 及通信电路 .15 3.1.3 驱动电路设计15 3.1.4 传感电路设计17 3.1.5 辅助电路设计20 4 相关参数计算 .21 4.1 主电路参数21 4.2 保护电路参数24 4.3 PID 参数 24 4.3.1 电压模式 PID 参数26 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 4.3.2 电流模式 PID 参数28 5 仿真分析 .29 5.1 BUCK 电路仿真29 5.2 PID 仿真 30 5.2.1 电压模式30 5.2.2 电流模式32 6 软件设计及测试 .34 6.1 软件设计 34 6.2 软件部分测试 35 7 总结与展望40 参考文献 .41 附录一 .42 附录二 .45 致谢 .49 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） I 摘要 热电发电技术（又称温差发电技术）是利用热电转换材料直接将热能转换为电能的 新能源技术，具有结构简单、可靠性高、可高效利用热能发电的特征。具有梯级能量特 征的尾气废热非常适合利用热电发电技术回收利用。 半导体温差发电器是系统电能的源头，由于汽车发动机功率的变化，排气管的温度 会发生变化，从而使得发电器发出的电压发生变化，这种电能在某种意义上都是“粗电” 。 在大多数情况下，使用这些“粗电”都不能尽如人意，所以需要稳压稳流装置，使其具 有稳定的输出功率，再通过车载铅酸蓄电池蓄能，形成一套比较完整的发电及蓄电系统。 本文提出的是基于 DSC 的 DC-DC 变流器，设计中采用 DSPIC30F6014A 芯片作为系 统的控制器，采用 BUCK 降压斩波电路作为基本的拓扑电路，并用霍尔电压、电流传感 器采集电路相关参数，控制器进行 A/D 转换后进行相关的数据处理和 PID 算法，输出相 应的 PWM 波控制 BUCK 电路，实现电压和电流的连续可调。系统还可以通过 CAN 总线 进行通信和控制，可以进行电流模式和电压模式的双模式切换以及系统的软开关，同时 系统还具有自我检测和保护报警功能。 关键词：汽车动力 热能回收 DSC DC-DC 斩波 PID 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） II Abstract Thermoelectric power generation technology (also known as thermoelectric power generation technology) to direct the heat into electricity new energy technologies is the use of a thermoelectric conversion material, has a simple structure, high reliability, efficient use of the characteristics of thermal power generation. The exhaust waste heat cascade energy feature is ideal for thermoelectric power generation technology recycling. Thermoelectric Power is the source of the electricity system, due to changes in automotive engine power, the exhaust pipe temperature will change, allowing issued by the electric voltage change, electrical energy in a sense “coarse power“. In most cases, the use of these “coarse power“ are not satisfactory, so they need a steady flow regulator device, it has a stable output power, and then through the vehicle lead-acid battery energy storage to form a relatively complete set of power generation and storage system. In this paper, the DSC-based DC-DC converter design DSPIC30F6014A chip as the system controller, Buck buck chopper circuit as the basic circuit topology, and the Hall voltage, current sensors, data acquisition circuit parameters, controller A / D conversion, data processing and PID algorithm, the output of the PWM wave control BUCK circuit voltage and current continuously adjustable. The system can also communicate via the CAN bus and control of the dual-mode switching of the current mode and voltage mode soft switching system, the system also has self-detection and protection alarm function. Keywords: vehicle power heat recovery DSC DC-DC chopper 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 截至 2011 年 8 月底，我国汽车保有量已经突破 1 亿辆，汽车年消耗燃油超过 2 亿吨， 占全国燃油消耗总量的 50%以上。在汽车消耗燃油所产生的能量中，约 40%的能量以废 热形式由尾气排出。按 2011 年汽车保有量和汽车燃油消耗总量计算，约 7000 万吨燃油 产生的能量以尾气废热形式排出，折合成原油约 1.2 亿吨，相当于两个半多大庆油田的年 产量。汽车尾气废热具有沿排气管梯级分布的特征，在发动机及排气歧管附近，最高温 度超过 500，在一级消声器之前的大部分区域温度在 250以上。 热电发电技术（又称温差发电技术）是利用热电转换材料直接将热能转换为电能的 新能源技术，具有结构简单、可靠性高、可高效利用热能发电的特征。具有梯级能量特 征的尾气废热非常适合利用热电发电技术回收利用。利用赛贝克热电效应让半导体热电 材料包裹在排气管周围，可将热能转换成电能加以有效地利用。汽车发动机排出的废热 通过肋片形成发电器的热端，而冷端则用顺排管束式风冷散热器，使冷端保持相对稳定 的温度。以 2.0L 轿车为例，如果利用转换效率为 10%左右的热电发电材料，则可将尾气 废热能量的 810%直接转换为电能，可降低燃油消耗 10%以上，减少 CO2 排放约 1 吨， 这对实现我国节能减排战略目标具有重大意义。 1.2 热电应用发展现状 自从塞贝克效应 1821 年被发现以来，温差发电技术已经历了近两个世纪的发展。但 由于受热电转换效率低的制约和成本高的限制，温差发电技术长期以来主要应用在航天 和军事等尖端领域。近年来，随着高性能热电材料的出现，温差发电技术在工业和民用 产业领域的应用成为可能。世界上一些发达国家先后开展了相关研究，温差发电技术在 日本已被作为一种能源和环境的战略技术而得到了大力支持和发展，其在热电陶瓷材料 方面处于世界领先地位。美国能源部(DOE)于 2003 年 11 月 12 日公布“工业废热温差发 电用先进热电材料“资助项目(主要应用对象是利用冶金炉等工业高温炉废热发电以降低能 耗)后，于 2004 年 3 月又发布了一个项目指南开展汽车发动机余热温差发电研究。同 年，美国的能源部和 NAVY 还组织了本国的十多个项级研究单位启动一个大型高效纳米 热电半导体材料的研究项目，投资达近千万美元。同时还在 Clemsom 大学投资 250 万美 元成立了美国温差电即热电半导体材料与器件研究中心。日本也在 2003 年投资了数千万 日元组织十多家单位启动了“废热温差发电“大型项目。欧洲有 20 余个研究机构也联合进 行了汽车发动机余热发电方面的相关研究，并在组织“纳瓦到兆瓦热电能量转换”的大 型科研项目。其中，以德国为主的国家在 2002 年即启动了类似于美国 NAVY 的“大型温 差电半导体材料与器件的研发项目” 。可见，各发达国家对该领域的研究非常关注和重视。 相比之下，我国在此领域的研究才刚刚起步(20 世纪末期投入很少)，在技术和产品自主创 新方面尚是空白。不过近几年来在国家自然科学基金及国家“863“研究计划的支持下该领 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 2 域的研究已经取得了一定的进步。探索新的材料制备途径、优化制备工艺、降低成本、 提高材料性能，以改变目前国内热电材料普遍存在的热电转换效率低、稳定性差、材料 利用率低及制造成本高的缺点是使热电材料在我国获得大规模应用的唯一出路，这迫切 需要国家项目的连续投入。 由于温差发电是将余热废热等低品位能源转换为电能的有效方式，近年来得到世界 许多国家的高度重视和大量投入，如日本利用这项技术建立了 500W 级的垃圾燃烧余热发 电示范系统，已取得了良好的实际效果。美国公司也已开发了多种热电发电系统，且均 已投入使用，如在大型货运卡车上安装 1000W 级的废热发电系统为汽车提供辅助电源等。 车用发动机余热温差发电技术近几年来发展很快，转换规模可在数百瓦至几千瓦之间。 其中，日本 Nissan 汽车公司研究中心研制的一种排气温差发电器可以回收 ll的热量， 西班牙研制的排气温差发电器可以回收 37的热量。美国 HiZ 公司在能源部资助下进 行的柴油机载重车排气余热温差发电研究在台架和道路实验中得到 T20004000W 的功 率。俄罗斯联邦科学中心物理与能源工程研究所进行的高寒区载重发动机直接发电的研 究产生了 600W 的电能。 由于我国的能源十分短缺，能源的利用率也较低，因此，节能降耗是进行可持续发 展的必由之路。目前，各种工业余热、汽车废热等都没有得到有效利用，迫切需要发展 新型能源利用技术以节约能源和提高效率。温差发电技术具有许多优点，尤其在低品位 热能利用方面具有其独特的优势和良好的应用前景。温差发电技术是一种利用半导体材 料实现热能和电能直接转换的绿色能源，使用这项技术就可利用农作物、垃圾、汽车余 热以至人体热能在住宅、农庄、汽车上建立一个小型发电系统，从而满足人们对小功率 电能的需求。美国、日本利用这项技术开辟绿色新能源已取得了良好效果，这为我国开 发利用热电技术提供了有益借鉴，对我们发展循环经济、建设节约型社会具有重大意义。 另外，由于中国的温差电元件性价比高(我国的产品价格比欧美的同类型产品便宜一半以 上，而性能却基本相当)，中国目前已成为世界上最大的温差电元件生产出口国。这一优 越条件为我国未来温差电的广泛应用打下了坚实的基础。因此，在我国政府当前大力倡 导可持续发展策略，号召建立节约型社会这一宏观背景下，我国应大力发展该技术，使 温差发电技术的应用逐步深化发展，并尽快产业化。可见，利用车用发动机余热进行温 差发电具有广泛的应用前景。 1.3 DC/DC 变换器控制方法研究现状 DC/DC 变换器按照检测信号的不同可以分为单环控制和双环控制。恒压源单环控制 主要是电压型控制；双环控制则有电流型、V2型等几种控制方式。虽然 V2型控制方法 （V Squared Control 或 V2 Control）具有良好的动态性能，适用于电压调整模块等对动态 特性要求比较高的场合，但其对输入和输出电流都没有直接控制，所以不便于电源的并 联使用，需要额外的电路来进行过流保护1。所以常用的是电压型控制和电流型控制。 （1）电压型控制 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 3 图 1-2 所示为电压型控制 buck 变换器。从图 1-2 可以看出，电压型控制方法是利用 输出电压采样作为控制环的输入信号，将该信号与基准电压 Vref进行比较，并将比较的结 果放大生成误差电压 Ve。误差电压 Ve与振荡器生成的锯齿波 Vsaw进行比较生成一脉宽 与 Ve大小成正比的方波，该方波经过锁存器和驱动电路驱动开关管导通和关断，以实现 开关变换器输出电压的调节。 早期文献中 Duty Cycle Control 都是特指的电压型控制。在电流型控制方法出现之后， 才明确提出了 Voltage Mode Control 的说法。电压型控制方法只检测输出电压一个变量， 因而只有一个控制环，所以设计和分析相对比较简单。其主要缺点是只能在输出改变时 才能检测到并反馈回来进行纠正，因此响应速度比较慢。由于电压型控制对负载电流没 有限制，因而需要额外的电路来限制输出电流。 （2）电流型控制 电流型控制（Current Mode Control）又称为 Current Injection 是 1978 年首次提出2。 电流型控制同时引入电容电压和电感电流 2 个状态变量作为控制变量，提高了系统的性 能。由图 1-3 可以看出，电流型控制方法和电压型控制方法的主要区别在于：电流型控制 方法用开关电流波形代替电压型控制方法的锯齿波作为 PWM 比较器的一个输入信号。电 流型控制方法的工作原理为：在每个周期开始时，时钟信号使锁存器复位开关管导通， 开关电流由初始值线性增大，检测电阻 RS上的电压 VS也线性增大，当 VS增大到误差电 压 Ve时，比较器翻转，使锁存器输出低电平，开关管关断。直到下一个时钟脉冲到来开 始一个新的周期。 由于电流型控制方法采用输出电流前馈控制，相对于电压型控制方法有更快的负载 和输入瞬态响应速度，减小了输出电压的纹波；且由于其自身具有限流的功能，易于实 现变换器的过流保护，因而在多个电源并联时，更便于实现均流。但电流型控制方法在 占空比大于 50%时要产生次谐波振荡，从而产生稳定性问题3。这通常可在比较器输入端 使用一个补偿斜坡来消除。 Vg（t） Q1 D1C R ig(t)i(t) V(t) + - 开关变换器 功率开关管 驱动器 d Vref + - + - 误差 放大器 比较器 锯齿波 Ve Vp Vsaw 图 1-2 电压型控制电路 以上的电流型控制由于不能精确控制电流以及抗干扰性差等缺点，提出了平均电流 型控制（Average Current Mode Control）4。为了与平均电流型控制方法区别，上文所述 的控制方法又称为峰值电流型控制（Peak Current Mode Control） 。平均电流型控制方法的 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 4 控制电路见图 1-4，检测电流经电流积分器积分后与误差电压 Ve相减，其差值与锯齿波 比较后驱动开关。平均电流型控制方法不但提高了电流的控制精度，而且抗干扰性强， 但是响应速度比峰值电流控制方法慢。 Vg（t） Q1 D1C R ig(t)i(t) V(t) + - + - - + 误差 放大器 比较器 S R Q Q s V e V ref V s R 图 1-3 电流型控制电路 + - - + s V e V ref V s R saw V s i 电流积分器 比较器 p V 图 1-4 平均电流型控制电路 （3）其他控制方法 随着控制理论的发展，一些现代的控制方法，如模糊控制、滑模变结构控制等非线 性控制方法也被尝试应用于开关电源的控制电路中。虽然这些控制方法到目前没有得到 广泛应用，但是由于其独特的控制性能，应用前景可观。 模糊控制（Fuzzy Logic Control）是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻 辑的规则推理为理论基础的一种计算机控制方法。应用于开关电源的模糊控制的硬件电 路即为普通的数字控制电路5。 滑模变结构控制（Sliding Mode Control）的基本思想是系统从任何一点出发的状态轨 线通过控制作用拉到某一指定的切换面，然后沿着此切换面滑动到平衡点。可以看出， 滑模变结构控制是一种开关反馈控制系统。 1.4 本文主要研究内容 本文主要设计一款汽车尾气废热发电电力调节器，调节器输入源为热电电池，电压 范围为 0-600V，调节器输出电压由用户通过 CAN 总线控制，电压变化范围为 48-58V， 电压纹波 num=0.03,600; den=2e-6 4e-4,1; G=tf(num,den); margin(G) grid 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 28 由 Bode 图可知，幅值穿越频率为 20800rad/s,相角稳定裕 =48.9。根据稳定环路的 准则： （1）幅频曲线的穿越频率范围为开关频率的 1/51/4,因为本文所选开关频率 10K rad/s，而此时穿越频率 20800rad/s，显然穿越频率过大。 （2）系统的相位裕量至少要为 45，而此时相角稳定裕度为 48.9，满足要求。所以 下面的工作主要考虑如何减小穿越频率，从而达到系统的控制要求。本设计将用 PID 控 制方法解决这个问题。 由系统稳定准则知系统稳定时的穿越频率取值范围为（20002500）Hz 取开关频率 为 2250 Hz，根据系统的开环 Bode 图，其对应的赋值为 35.8dB 。所以 20lg wc=35.8，wc=61.7rad/s。此时如果不加别的环节，即低频段才用了 PI 调节，相当于将剪切 频率变为。wc=2200rad/s 此时在中频段加上微分环节可以增大系统的相角裕度，改善系统 的相对稳定性和动态性能，为简便计算可取 wc=2200rad/s 使之满足以-20dB/deg 的斜率穿 过剪切点 wc。 4.3.1 电压模式 PID 参数 本设计采用电压模式，考虑电容寄生电阻 ESR 的影响。 开关电路的传递函数为： ； (4-18) i 0 2 (1) 1 C V R Cs Gs sL LCs R PWM 比较器的传递函数为： (4-19) 1 p Gs KT 1 m V 锯齿波幅值。,开环传递函数： m V (4-20) vOP G d sGs Gs 2 (1)1 1 iC V R Cs sL Vm LCs R 取=2V，使占空比最大在 80%左右，实际中占空比不可能达到 1。代入数据得： Vm (4-21) 5 624 300(81) 241 V e s G d s e se s 电压开环增益为： (4-22) G s 55 -624624 (81)480 (81) 241241 Ke ske s e se se se s 由=40mV ，参考电压为 48V。根据 srPP eV 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 29 (4-23) 3 0 148 lim*100 1 sr s ese G ss 得=480，所以=1.6。PID 传递函数的基本形式 K k = (4-24) 12 s (1)(1) pid s k ww G s 2 PID K sKK s s (4-25) 4 1.6(0.01661)(0.000451)1.6 0.027280.1195 PID ss Ge s ss 图 4-5 加 PID 后 Bode 图 MATLAB 输入程序如下： G=tf(conv(1e-4 1,conv(conv(480,0.016 1),0.00045 1),2e-6 4e-4 1 0); margin(G) grid 所以=0.028，=1.6，。如图 4-5 所示为加入 PID 后校正后的 P K I K 4 0.1195 D Ke Bode 图，校正后相角裕度为 57.9deg,Wc=2420rad/s，系统稳定。对参数进行微调，最后取 =0.024，=1.8，。 P K I K 4 1 D Ke 4.3.2 电流模式 PID 参数 本设计电流模式采用平均电流模式进行设计。 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 30 开关电路的传递函数为： (4-26) i 0 2 (1) 1 C I R Cs Gs sL LCs R PWM 比较器的传递函数为： (4-27) 1 p Gs KT 1 m V 锯齿波幅值。开环传递函数： m V (4-28) IOP G d sGs Gs 2 (1)1 1 C Ii R Cs sL Vm LCs R 取=2V，使占空比最大在 80%左右，实际中占空比不可能达到 1。代入数据得： m V (4-29) 5 624 12.5(81) 241 I e s G d s e se s 开环增益： (4-30) G s 55 -624624 (81)12.5 (81) 241241 Ke ske s e se se se s 由=20mA ，参考电压为 25A。根据 srPP eI (4-31) 3 0 125 lim*20 1 sr s ese G ss 得 K=125，所以=10。PID 传递函数的基本形式k (4-32) 4 10(0.01661)(0.000451)10 0.17050.747 PID ss Ge s ss 所以=0.1705，=10，。对参数进行微调，最后取 P K I K 4 0.747 D Ke =0.024，=1.8，。 P K I K 4 1 D Ke 5 仿真分析 5.1 BUCK 电路仿真 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 31 图 5-1 buck 电路 仿真结果如下图 5-2 所示，其中图形上部分为输入电流波形，下部分为输出电压波形， 很明显输出波形有明显的振荡和不稳定。 图 5-2 开环 BUCK 电路仿真 5.2 PID 仿真 Matlab 下集成了强大的功能软件，simulink 是其中的一个附加组件，为用户提供一个 建模仿真的平台，它能够实现动态系统建模与方正的集成环境集成，且可以更具设计及 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 32 使用要求，对系统进行修改和优化，提高系统的性能，实现高效开发系统的目的。Power System Blockset（电力系统工具箱）是在 Simulink 环境下使用的仿真工具箱，功能强大， 可用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等领域的仿真，并提供了一种类似电 路搭建的方法用于系统的建模。 本设计中，采用 Simulink 进行电路的搭建和电路实时仿真，以及 PID 参数的整定和 选取。 5.2.1 电压模式 电路模块搭建如下图所示，其中包含了 BUCK 主电路、PID 控制电路，可以实时的 观察仿真波形，修改相关参数。 图 5-3 电压模式仿真电路图 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 33 图 5-4 输出电压波形 图 5-5 负载有变化时波形 如图 5-5 所示，在 0.1 秒时系统的负载由 5 为 2.5，变流器输出电压出现小幅度 下降，后又调节趋于稳定，在 0.2 秒时变流器负载又恢复为 5，此时输出电压出现小幅 度的超调，短时间后又恢复输出。 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 34 图 5-6 输出电压波形局部放大 如上图所示，仿真的结果满足输出电压为 47.7V-48.1V 纹波小于 1%，在 0.1 秒时负 载加倍，输出电压只出现小幅度下降，满足设计要求。 5.2.2 电流模式 下图为工作在流模式的系统电路仿真图，流过电感的电流作为反馈量和被控量。 图 5-7 电流模式仿真电路图 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 35 图 5-8 负载变化时的输出电流波形 图 5-9 输出电流波形局部放大 由图 5-7 可看出，在 0.1 秒时系统负载又 5 为 2.5 导致输出电流出现了超调，电 流波峰达 50A，短时间后恢复为 25A 电流输出，在 0.2 秒时负载恢复为 5，输出瞬时电 流下降为 17A，短时间后恢复 25A 输出。 由图 5-9 可以看出，输出电流为 24.9A-25.1A，仿真输出电流纹波小于 1%，符合设计 要求。 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 36 6 软件设计及测试 6.1 软件设计 DSPIC30F 系列编程软件是微芯公司发布的 MAPLAB 集成开发环境。系统的软件主 要包括显示模块、A/D 转换模块、CAN 通信、PWM 以及 PID 等几个模块，软件流程图 如下所示： 系统初始化 开始 工作模式 电压模式参数 设置 电流模式参数 设置 CAN通信及显示 各变量单元 初始值 开中断 查故障标志 电压/电流A/D采样故障报警处理 等待复位调用PID调节器 开定时器1中断 图 6-1 系统软件流程图 系统开机后，将自动进行相关的初始化设置包括 A/D 转换、CAN 通信、PWM、显示 器、定时器等的初始化后，开始进行 CAN 通信，通过上位机设置系统的工作模式和输出 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 37 电压或者电流，在接到开始工作命令后系统将进入工作状态，开中断，开定时，调用 A/D 采样然后进行 PID 运算，运算完成后将控制量送到 PWM 发生模块输出相应的 PWM，显 示将采用定时刷新模式。 开始 清中断标志 时间到？ AD转换 调用PID调节器 调用PWM开关点计 算 开关点参数送 MCPWM 返回 N Y 图 6-2 定时器中断服务程序 图 6-3 PID 调节器 本设计程序中用的定时器为为 TIMER3，主要的功能是设定 A/D 采样的时间以及显 示电路的刷新，定时器初始化后，装入需要定时的时间以及中断入口，主要的服务程序 为 A/D 采样以及 PID 运算和 PWM 输出程序。 PID 算法采用数字增量式算法，其算法不需要做累加，控制增量的确定仅与最近几次 误差采样值有关，计算误差或计算精度问题，对控制的计算影响较小。 6.2 软件部分测试 软件部分包括系统初始化、CAN 通信、液晶驱动、A/D 转换、温度传感器驱动以及 相关的菜单和服务程序。 开始 计算参数 A、B、C 设初值e(k-1)=e(k-2)=0 读入本次采样e(k) 计算偏差e(k)=r(k)-c(k) 计算控制量？U(k) U(k)=Ae(k)-Be(k)+Ce （k-2） 输出u(k) 为下一时刻作准备 e(k-1）e(k- 2),e(k)e(k-1) 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 38 系统开机后将显示欢迎界面，随后进入了工作界面，首先要与上位机通过 CAN 总线 进行通信设置相关的工作模式和参数，设置指令的基本格式是四个双十六进制数，第一 个双十六位进制数为工作模式设置：“01 00”为电压模式设置， “02 00”为电流模式设 置， “00 00”为进入设置， “FF00”为确定设定值系统开始工作。第二个双十六位进制数 为相关模式下电压或者电流的输出值，其格式为“XX00” ， “XX”代表所要设置的值的整 数部分十六进制代码。第三个双十六进制数为相关模式下要设定的值的小数部分，其格 式为“XX 00” ，同样“XX”代表所要设置的值的整数部分十六进制代码。第四位双十六 进制数暂时闲置不用初始值设定为“00 00” 。 在软件调试过程中使用了 Pickit3 作为下载调试器，控制器与上位机之间的 CAN 通信 需要 CAN 转换器，在本次设计中采用 USB-CAN 转换器配合电脑上的 CAN 调试助手进 行相关的命令操作。 如下图所示，为要进入设置模式的输入指令界面，输入指令为“00 00”： 图 6-1 设置指令输入 如上图所示，在 data 栏里的第一个双十六进制数改为“00 00”即进入模式参数设置 界面，设置界面如下图所示： 图 6-2 界面显示 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 39 进入模式设置界面后，可以继续进行相关模式和参数设置，下图为电压模式设置指 令输入，电压值设定为 48.2V，其指令为“01 00 30 00 02 00 00 00”： 6-3 电压模式设置指令输入界面 在界面点击发送后，系统将设置工作模式和对应模式下的电流或者电压值，如下图所示： 图 6-4 电压模式界面显示 进入模式设置界面后，也可以设置为电压模式，设置电流模式指令输入，电流值设 定为 24.2A，其指令为“01 00 18 00 02 00 00 00”： 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 40 图 6-5 电流模式指令输入界面 在指令输入完成后，显示界面将进入电流模式设置显示界面，如下图所示： 图 6-6 电流模式设置界面 在设置完成后，要进入运行状态，其指令为“FF 00 XX 00 XX 00 00 00” ，在输入指 令并发送后，系统进入运行状态，将要发送数据到上位机，本设计中发送的数据为温度 传感器的整数部分和小数部分以及两个效验数据分别为“0x5A5A”和“0xa5a5”,其指令发 送与接收窗口如下图所示： 图 6-7 模式确定指令输入和数据接收 如上图所示，在发送了模式确定指令后系统进入正常工作模式，上位机接收到系统 发送的数据，从图中可以看出，接收到的数据为“1C 00 30 00 ”省略的为校验数据。 系统与上位机之间的通信的波特率为 125kbps,通信的数据帧为标准数据帧。 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 41 图 6-8 正常工作界面 正常工作时，显示屏第一行显示的是输入电压和电流的值，第二行显示的是输出电 压和电流的值，第三行显示的是输入功率和输出功率，第四行显示的是效率和 IGBT 的温 度。由于本程序的的 A/D 转换模拟量输入不正常，未经过校正，在论文撰写时还未处理 完成所以显示值不正确。 另外，如果输入指令错误，系统将会显示“指令输入错误” ，输入正确指令后又可恢 复相关操作。 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 42 7 总结与展望 本文是基于 BUCK 电路的降压模型的分析和设计，为汽车尾气废热发电提供电压和 电流的调节，主要分析了 BUCK 电路的工作原理和 PID 控制方法，以及控制系统和控制 方法的设计和介绍。本设计按要求完成了 BUCK 电路的相关电路设计和参数计算，并采 用 DSC 作为系统的控制器，可以完成相关的控制、显示以及 CAN 通信等先关功能。主 要的结论有： （1）设计过程中 PID 参数的整定是很重要的一项工作，其整定的方法很多种，在设 计过程中采用试凑法可能会浪费很多的时间，我们可以通过建模和计算与仿真相结合的 方式来提高设计的效率和质量。实际运用中其参数还需要工程上的修正，以达到最好的 控制效果。 （2）整个设计与通常的降压斩波电路相比，输入电压的变化范围更大，这就需要对 电路的参数选取和控制的策略有更高的要求，这对控制器及软件和算法的要求显得更高， 尤其是采样频率的确定，以及软件的定时中断和数据的刷新等需要严格的时序设计。 （3）电路工作在不同的模式下对负载和输入的抗扰动性能不同，从两种模式下的仿 真图中可以看出，采用单闭环的平均电流控制模式在负载剧烈扰动时抗扰能力比较弱， 而电压模式工作抗扰动能力较强。 需要进一步改进和研究的内容有： （1）系统输出的电能的主要的用途是给蓄电池充电和汽车上的用电设备供电，如何 实现智能切换两种工作模式给蓄电池的充电是一个待解决的问题。 （2）PID 控制算法的的该进，可以利用更加先进的控制算法对系统进行控制，以达 到最好的控制效果。 （3）A/D 采集的精度和采样的方式有待进一步改进，这需要对控制芯片有更深入的 解以及更加精确的硬件设计。 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 43 参考文献 1陈坚.电力电子学电力电子变换和控制技术.北京:高等教育出版社，2002 2林飞,杜欣.电力电子应用技术的 MATLAB 仿真.北京:中国电力出版社,2008 3林渭勋.现代电力电子电路.杭州:浙江大学出版社，2002 4 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2000 5于海生.计算机控制技术. 北京：机械工业出版社，2007 6张兴.高等电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2011 7何李高.dspic30F 电机与电源系列数字信号控制器原理与运用.北京：北京航空航天大学 出版社，2007 8 张超.基于 dsPIC30F6014 数字信号控制器的 CAN 节点设计,s 硕士论文.河北工业大学 9刘胜利.开关电源设计与制作与实践.北京：电子工业出版社，2007 10 张卫平.开关变换器的建模与控制D.北京:中国电力出版社,2005 11杨贵恒，张瑞伟.直流稳定电源.北京：化学工业出版社，2010 12普莱斯曼著.王志强译.开关电源设计.第二版.北京:电子工业出版社,2005.9 13 William L.Brogan, Ph.D. Modern Control TheoryNewJersey：Prentice-Hall，Inc，1985 14Robert W.Erickson,Dragan Maksimovic.Fundamental of Power Electronics(Second Edition) D. Kluwer Academic Publishers,2001 15 钟炎平.电力电力电路设计.武汉:华中科技大学出版社2010.4. 16 叶斌.电力电子应用技术.北京:清华大学出版社,2006.5. 17 徐德鸿.电力电子技术. 北京:科学出版社2006. 18 王英剑.新型开关电源的实用技术.北京:电子工业出版社1999. 19 G Venkalaraman,et al.PWM with Resonant DC Ling Converters,IAS.90,P984,1998. 20 胡寿松.自动控制原理D.北京:中国电力出版社,2001 21李相锋, 郭前岗, 孟彦京, 邓震峰基于 dspic30F 数字信号控制器 PWM 功能的数控恒流 源设计西安：陕西科技大学学报,2008.2 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 44 附录一 图续 1 电压模式仿真电路图 图续 2 电流模式仿真电路图 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 45 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 46 图续 4 BUCK 主电路 图续 5 实验主控板 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 47 附录二 #include “p30f6014A.h“ #include “dsp.h“ _FOSC(0x0ffe5); /XT 振荡，4 倍频晶振. _FWDT(WDT_OFF); /关闭看门狗定时器 _FBORPOR(PBOR_OFF /掉电复位禁止，MCLR 复位使能。 _FGS(CODE_PROT_OFF); /代码保护禁止 /芯片配置字，看门狗关，上电延时开，掉电检测关，低压编程关，加密，4M 晶体 HS 振 荡 #define uch unsigned char /给 unsigned char 起别名 uch # define led PORTFbits.RF2 # define DQ PORTFbits.RF6 /定义 18B20 数据端口 # define DQ_DIR TRISFbits.TRISF6 /定义 18B20D 口方向寄存器 # define DQ_HIGH() DQ_DIR =1 /设置数据口为输入 # define DQ_LOW() DQ = 0; DQ_DIR = 0 /设置数据口为输出 unsigned char _attribute_(address(0x900) TLV; /采集到的温度高 8 位 unsigned char _attribute_(address(0x902) THV; /采集到的温度低 8 位 unsigned char _attribute_(address(0x904) TZ; /转换后的温度值整数部分 unsigned char _attribute_(address(0x906) TX; /转换后的温度值小数部分 unsigned int _attribute_(address(0x908) wd; /转换后的温度值 BCD 码形式 #define rs LATBbits.LATB4 /定义 LCD 的数据/命令控制口 #define rw LATBbits.LATB5 /定义 LCD 的读/写控制口 #define e LATBbits.LATB6 /定义 LCD 的使能口 #define psb LATBbits.LATB2 /8 位/4 位并口选择 #define rst LATBbits.LATB7 /定义复位口 #define nop() asm(“nop“) /定义 nop（）函数 unsigned int buffer1; /定义 CAN 接收缓冲单元 unsigned int buffer2; unsigned int buffer3; unsigned int buffer4; const unsigned char sdgt0416=“汽车尾气废热发电“, / 菜单数组 “电力调节器的研制“, “ 自动化 0802 班 “, “范新毕业设计作品“; const unsigned char sdgt=“ DSPIC30F6014A “; 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 48 const unsigned char clear= , , , , , , , , , , , , , , , ; const unsigned char time=“ CAN PID PWM AD“; unsigned char _attribute_(address(0x930) result616= U,i,0,0,0,.,0,V, ,I,i,0,0,.,0,A, U,o,0,0,0,.,0,V, ,I,o,0,0,.,0,A, P,i,0,0,0,0,W, , ,P,o,0,0,0,0,W, 0xa6,0xc7,=,0,0,.,0,%, ,T,=,0,0,0,.,0, , , , , , ,0,0,.,0,V, , , , , , , , , , , ,0,0,.,0,A, , , , , ; unsigned char _attribute_(address(0x910) adresult6; const unsigned char gongneng=“ 模式设置 “; const unsigned char warming1=“ 指令错误 “ ; const unsigned char moshi1=“ 电压模式 “ ; const unsigned char moshi2=“ 电流模式 “ ; unsigned long int i = 0; unsigned int lcd_x; /定义 LCD 页地址寄存器 unsigned int lcd_y; /定义