（电力系统及其自动化专业论文）直流斩波电源的研究与设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb r i n g i n go ft h em o d e me l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dm a n i p u l a t i v et e c h n o l o g yi n t o t r a d i t i o n a l s c o p e s o fe l e c t r i c p o w e r ，t h eu s i n gs e m i c o n d u c t o ro fe l e c t r i cs w i t c h m i c r o p r o c e s s o rt oa c h i e v ee l e c t r i cp o w e r st r a n s f o i t na n dc o n t r o l ，t h a ti st h ep o w e r e l e c t r o n i c s i ti st h er i s i n gi n t e r s e c t i n gs u b j e c tt h a ti n t e g r a t e st h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h e m a n i p u l a t i v et e c h n o l o g ya n dt h ee l e c t r i cp o w e rt e c h n o l o g y t h ed e v e l o p m e n t so fe l e c t r i c p o w e rh a v et h eg r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h en a t i o n a le c o n o m y f i r s t l y , t h eb a s a lp r i n c i p l e 出a ts e m i c o n d u c t o ro fe l e c t r i cs w i t c ha c h i e v e se l e c t d c p o w e ra r ea n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，t h ed e s i g n sp r i n c i p l eo ft h ed c d cp o w e rs u p p l y a r er e s e a r c h e d ，a n ds h o wt h ee n t i r ed e s i g n sb l u ep r i n t s s e c o n d l y , t h ec o r r e l a t i v et h e o r i e sa r er e s e a r c h e di nt h ed e s i g no ft h ed cc o n v e r t o r , 血e ya r et h ek e yo ft h ei t e m sa c h i e v e m e n t ，i n c l u d i n gt h ec o r r e l a t i v et h e o r i e so fd c d c c o n v e y o r sm a i ne l e c t r oc i r c u i t ，t h ep r i n c i p l e so fn u m e r a lp i dr e g u l a t o ra n dt h ep r o d u c e a n dc o n t r o li nt h ep u l s ew i d t l lm o d u l a t i o n ( p w m ) ad cc o n v e r t o ri sd e s i g n e da n dd e v e l o p e do nt h eb a s i so ft h et h e o r i e s i nh a r d w a r e s d e s i g n ，i ti sr e s e a r c h e dt h a tt h ed c d cc o n v e r t e rw h i c hi sm a i ne l e c t r oc i r c u i ti nt h ep o w e r s u p p l 5t h ed r i v e so fe l e c t r i cs w i t c hw h i c hi sa c c e s s o r i a le l e c t r oc i r c u i ti nt h ep o w e rs u p p l 5 e l e c t r i cc u r r e n ta n dv o l t a g e sa m p l i f i e r , i n n e rp o w e rs u p p l yi nt h ed c d cp o w e rs u p p l y , i n t e r f a c ee l e c t r oc i r c u i t sd e s i g nb e t w e e nt h ec m o sc h i p8 9 c 5 1a n dt h ed ac o n v e r t e r 1 5 4 3 ，t h ee l e c t r oc i r c u i to ft h ek e y s t r o k ea n dt h ed i s p l a y , a n da n a l y z et h ee l e c t r oc i r c u i t s p r i n c i p l e ，e x p l a i nt h ep a r t so fa na p p a r a t u s ，s h o wt h ec i r c u i td i a g r a m i ns o f t w a r e sd e s i g n ，i ti sr e s e a r c h e dt h a tt h em a i np r o g r a mi nt h ed c d cp o w e r s u p p l y , c a l c u l a t i o np r o g r a m ，t h ep r o g r a mo fv o l t a g e sr i s ea n dd e c l i n e ，t h ep r o g r a mo f d i v i s i o n ，t h ep r o g r a mo fa di n t e r f a c e ，t h ep r o g r a mo fh e x sc o n v e r s i o na n dt h ep r o g r a mo f d a t a sd i s p l a y i nt h i sp a p e r , b r i e fa n a l y s e so ft h ep r o g r a m sp r i n c i p l e ，e x p l i c a t i o no ft h e p r o g r a m sm e a n i n g ，a n ds h o w i n gt h ep r o g r a m sf l o wc h a r ta r ed o n e n l er e s e a r c hi ss u m m a r i z e di nt h ee n do ft h i sp a d e ra n df u r t h e rw o r ki sp o i n t e d k e yw o r d s ：p o w e re l e c t r o n i c s d cc o n v e r t e rp i dr e g u l a t o r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 小保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名； 曰期：扣妒恫f 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 将现代电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件 和半导体集成电路、微处理器控制系统实现电力变换和控制，就是电力电子变换和控 制技术。它是一门综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科。电力电子 变换和控制技术被国际电工委员会命名为电力电子学( p o w e r e l e c t r o n i c s ) 或称为电力 电子技术4 1 。 在电力系统中，公用电网提供的电源是固定频率的某一标准等级的单相或三相交 流电源，但是用电设备的类型与功能干差万别，对电能的电压、频率要求各不相同。 这些设备都要求能运用电力电子技术将发电厂生产的单一频率和电压的电能变换为 各个用电设备最佳工作情况所需要的另一种特性和参数( 频率、电压、相位和波形) 的 电能，再供负载使用。而公用电网的恒频、恒压电能运用电力电子技术经过适当的变 换、控制和处理后再供负载使用，可以获得更好的技术特性和更大的经济效益。 在今天，电力电子技术已经发展成为一门非常重要的学科。国际电气和电子工程 师协会( i e e e ) 的电力电子学会将电力电子技术( 或电力电子学) 表述为：有效地使用电 力半导体器件，应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和 控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换【2 】。 1 1 开关型电力电子器件与电力电子变流装置 开关型电力半导体器件主要有可关断晶闸管( g t o ) ，大功率晶体管( g t r ) ，功率 场效应晶体管( p o w e r f e t ) ，绝缘栅功率晶体管( i g b t ) ，m o s 控制晶闸管( m c t ) 等。 开关型电力电子器件的基本特点之一是能以小信号输入控制很大的输出。放大倍 数极大，这就是电力电子设备成为强、弱电之间接口的基础。微电子技术和计算机技 术的新成机可以通过这一接口移植到传统产业产品，可以促使传统产品的更新换代。 电力电子器件的另一基本特点是工作于开关状态，正向压降低而反向漏电流小，从而 在理论上保证了各类电力电子设备所共有的节能性能。 应用电力电子技术构成的变流装置，按其功能可分为如下几种类型： ( 1 ) 交流( a c ) 直流( d c ) 整流电路或整流器：将频率为f 1 电压为v l 的交流电能 变换为频率f 2 = o 、电压为v 2 的直流电能。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 直流( d c ) 交流( a c ) 逆变电路或逆变器：将频率为f l - - 0 、直流电压为v 1 的 直流电能变换为频率f 2 ( 不为零) 、电压为v 2 的交流电能。 ( 3 ) 直流( d c ) 直流( d c ) 电压变换电路：将频率f 1 = o 、直流电压为v l 的直流电 能变换为频率f 2 - - - - o 、直流电压为v 2 的直流电能。又叫真流斩波电路、直流斩波器。 ( 4 ) 交流( a c ) 交流( a c ) 电压和或频率变换电路：将频率f e 的交流电压v i 变换 为频率f 2 的交流电压v 2 。如果频率不变( f l = f 2 ) ，仅改变电压，则称为交流电压变换 器或交流靳波器。如果频率、电压均改变，则称为直接变频器。 这四类电力变换类型的应用如下图1 - 1 所示h j 。 交濉 电源 鱼漉 电豫 监f 可丽语 3 直最新没群 - 恒连直流电压或 可控舟流电压 d c 量叵硝a c 蕊 童频变压堂潍电 叫；蓍羹雯蓉萎 图1 - 1 电力变换类型 1 2 开关型器件实现电力电子变换的基本原理 直 漉 仉 藏 空 流 鱼 戴 c厶 s s ) r f i ：。 一b 一 。 s s 图1 - 2 桥式开关电路 2 华中科技大学硕士学位论文 如图1 - 2 所示的四个开关s l 、s 2 、s 3 、s 。所组成的桥式开关电路这种桥式开关 电路模型是目前用到的所有电压变换器的基本模型。电源v s 接至开关电路的输入端 a b ，开关电路的输出端c d 接负载，这时开关电路有三种工作情况： ( 1 ) 当s l 、s 4 导通，s 2 、s 3 阻断时，电源正端a 经s l 接至负载正端c ，电源负 端b 经s 4 接至负载负端d ，即电源正负端经开关s 1 、s 4 与负载正负端c 、d 直接连 接。这时经开关电路输出至负载的电压v o = + v s ，负载电流i o 也就是电源电流，i o = i ；。 ( 2 ) 当s 2 、s 3 导通，s l 、s 4 阻断( 断开) 时，电源正端a 经s 2 接至负载负端d ， 电源负端b 经s 3 接至负载正端c ，即电源正负端经开关s 2 、s 3 负载负正端交叉连接， 这时开关电路输出至负载的电压v o = - - v s ，输出电流i o = - - i 。 ( 3 ) 当s l 、s 2 导通( s 3 、s 4 阻断) 时或当s 3 、s 4 导通( s t 、s 2 阻断) 时，开关 电路输出至负载的电压v o 印，这时负载与电源脱离，如果负载电流是感性电流则可 经s 1 、s 2 或经s 3 、s 4 继续流动。 那么，在任意瞬间开关电路的输入电压v s 与开关电路的输出电压v o 有以下函数 关系： v o = 5 k 其中s 被称为开关状态变量，其值取决于开关电路的四个开关的通断状态，分别 为1 ，一1 ，0 三个值。 如果令s 1 、s 2 、s 3 、s 4 四个开关按一定的时间顺序，周期性地处于导通一阻断一 导通一阻断交变状态，且每次导通和阻断的持续时间都恰如其分，那么图所示的开关 电路就成为一个电压变换器。开关状态变换时，电源电压的瞬时值或被直接引至负载， 或被反向引至负载，或者使负载脱离电源而使负载电压的瞬时值为零。 1 3 开关型电力电子变换器的应用领域和前景 开关型电力电子变换器有两类应用领域：开关型电力电子变换电源和开关型电力 电子补偿控制器。 1 3 1 开关型电力电子变换电源 利用半导体开关型电力变换电路，可以经济、有效地将一种频率、电压、波形的 电能变换为另一种频率、电压、波形的电能，再对负载供电，使用电设备在最佳的供 华中科技大学硕士学位论文 电电源下工作，获得最大的技术、经济效益。它主要用于电力系统中的直流远距离输 电、电流电动机变速传动控制、交流电动机变速传动控制和各类商性能的不间断供电 电源等方面。 开关型电力电子变换电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变换技术，将一次 电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。开关电源在电源技术中占有重要地位。 从1 0 k h z 发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫级的高频开关电源， 为商频变换提供了技术基础，促进了现代电源的繁荣与发展。 1 , 3 2 开关型电力电子补偿控制器 利用一个闭环控制系统，按控制指令要求，周期性地、实时、适式她改变电路开 关的通、断状态，使开关型电力电子变换器向电网输出所要求的补偿电压或电流，从 而大幅度提高输电线路输送能力和提高改善电力系统的运行特性和运行经济性。它主 要有电压、电流( 有功功率、无功功率) 补偿控制器和阻抗补偿控制器两方面的应用。 传统的调节电力潮流的措施，如机械控制的移相器、有载调压变压器、开关投切 电容和电感、固定串联补偿装黄等，只能实现部分稳态潮流的调节功能，而且由于机 械开关动作时间长、响应慢，无法适应在暂态过程中快速灵活连续调节电力潮流、阻 尼系统振荡的要求。因此，电网发展的需求促进了灵活交流输电这项新技术的发展和 应用。近年来，开关型电力电子补偿控制器技术已经在美国、日本、瑞典、巴西等国 重要的超高压输电工程中得到应用。 半导体开关型电力电子变换器的第一类应用现在已经十分广泛，第二类应用涉及 高压、大功率开关电路和十分复杂的控制技术，它将在今后几十年导致电力系统的革 命性变革并推动电力电子技术的继续发展和进步强】。 1 4 课题来源与本文研究内容 我们研制的这个斩波电源用于电机与电力拖动系统的实验教学，它安装在电机与 拖动综合实验台上，为直流电动机和同步发电机的励磁回路提供可调的直流电源。目 前在电机与拖动综合实验台上用到的斩波电源是武汉市特瑞电力技术研究所研制的， 但由于当时改建电机实验室时经费比较紧张，这个斩波电源的研制比较粗糙，主要缺 点表现在它输出的直流电压谐波比较大，带来的结果是输出的直流电压值稍大于斩波 电源显示的数据；设计的同步发电机励磁回路电源的过流电流值太小，在实验中经常 4 华中科技大学硕士学位论文 出现斩波电源过流停机的事故出现，给实验过程造成很大的麻烦。我们目前研制的这 个斩波电源比较好地解决了以上两个问题，目前这个斩波电源的样机已经在实验台上 使用了，实验效果良好。 在斩波电源的开发中，作者主要完成以下的工作： ( 1 ) 斩波电源的总体方案设计。 ( 2 ) 斩波电源硬件电路的设计、制作、调试。 ( 3 ) 斩波电源软件的编制。 本文主要章节组成为： 第一章分析了开关型电力电子变换器概念、原理；探讨了它的应用领域和前景， 同时介绍了课题来源和作者所做的工作。 第二章提出了直流斩波电源设计要求，介绍了它的设计原理，给出了总体设计方 案，同时分析了系统开发流程。 第三章深入分析了直流斩波电源研发过程中涉及到的相关理论，在此基础上提出 了研发过程中技术难点的解决方案。 第四章深入分析了直流斩波电源硬件电路的设计。给出了五部分硬件电路的电路 原理图，并对工作原理、参数选择以及使用的元器件功能进行了讲解。 第五章深入分析了直流斩波电源软件程序的设计。给出了比较重点的四个软件模 块的流程图，讲解了它们采用的算法与作用，同时对另外三个软件模块也进行了简单 描述。 第六章对全文进行总结，分析了直流斩波电源的技术参数，并提出需进一步开展 的工作。 华中科技大学硕士学位论文 2 直流斩波电源的设计要求与总体方案 2 1 设计要求 我们设计的这个直流斩波电源由于电机和电机拖动系统实验的要求，需要可以同 时给直流电机和同步发电机的励磁回路供电，而且宜流电机的励磁电压与同步发电机 的励磁电压大小，励磁回路内阻也不同。直流电机的最高励磁电压要在2 4 0 v ，回路 内阻在1 5 0 f 2 左右：而同步发电机的最高励磁电压在1 0 0 v ，内阻1 5 q ，所以要求直流 斩波电源具有如下的特点： ( 1 ) 拥有两套完全独立的直值变换器及其辅助电路，分别为直流电机和同步发 电机的励磁回路供电，可以同时工作。 ( 2 ) 直流斩波电源为直流电机供电可输出最高电压为2 4 0 v ，最大电流2 a ；为 同步发电机供电可输出最高电压为1 0 0 v ，最大电流4 a 。 ( 3 ) 输出直流电压值与显示直流电压值误差在2 以内。 2 2 设计原理与总体方案介绍 在图1 - 2 所示基本开关电路中，若s 4 持续导通，s 3 持续阻断，则得到图2 ，1 ( a ) 所示直流直流降压变换电路。在个开关周期t s 中，令s 1 、s 2 交替地通断转换，那 么在s l 导通、s 2 阻断的t 。时间内，直流电源电压v d 输出到c 、d 两端，开关电路 的输出电压v 0 = v d ，经l c 滤波器加至负载两端。这期间，电感电流增大，电容充电； 在一个开关周期t s 的其余时间t 简期间( = 瓦一乙) ，令s 1 阻断，s 2 导通，直流电 源v d 与c 点断开，这时电感电流经负载历再经s 2 续流，电感电流下降，在此期间( s 1 断开、s 2 导通) v o = o 。所以在一个周期t s 内，v o 是一个脉宽为t 。幅度为的直流方波， 如图2 - 1 ( b ) 所示，v d 除直流电压平均值v d o 外，还含有一系列交流谐波，输出电压 v o 的傅立叶级数表达式为； “忙t 瓦o v 。嘻等咖旧石弘 沼。 v o ( f ) = d y 口+ 昙善吉8 i n ( ，t d 石) c o s 甜) ( 2 - 2 ) 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = ；= = = = = = = = 一= = 坼= d v o t s 时，开关管t 又导通，开始下一个开关周期。 电感电流连续时，由图中的输出电压v f o 的波形也可得到输出直流电压的平均值 v o 为： k = 孚k = d k = m k ( 3 一l o ) s 这时的变压比为： m = = = = 口 3 1 2 2 电感电流断流时电路的开关状态 图3 7 给出了电感电流断流工作时的电压电流波形，此时b u c k 变换器由三种工 作状态： 1 5 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) t 导通，d 截止的t 。期间：电路结构为图3 - 3 的开关状态1 。在t 。= d t s 期间，电感的电流从零开始增加到i l m 。，其增量为： 脚旷。= v sl - v o 口五= 等。( 3 - 1 2 ) 这期间变换器输出电压v e o = v s 。 ( 2 ) t 截止，d 导通的丁k 1 期间，电路结构为图3 - 4 的开关状态2 。令d i = ，r s 在t 。朋= d l t s 期间，i l 从i l m 。线性下降到零，电流的下降量为： f l 一= l 。；= 争= 鲁。- 瓦= 百v o d i ( 3 - 1 3 ) t 截止、d 导通的t o h l = d 1 t s 期间，变换器输出电压恒为零。 ( 3 ) t 和d 都截止，电路结构为图3 5 所示的开关状态3 ，在一个周期t s 的剩 余时间t o = t s t o 。t = t s ( 1 一d d 1 ) 期间，t 、d 都截止，在此期间i l 保持为零，图中 变换器输出电压v e 0 = v 0 。 图3 - 5 开关状态3 ，t 阻断、d 截止等效电路 在t 导通的t 。= d t s 期间，v p 甜= v s ，在d 导通的t o f f l = d i t s 期间 t o = t s ( 1 一d d i ) 断流期间，v e o = v o 。故整个周期t s 输出电压平均值为： k 2 去 d 瓦k + ( 1 - d - d , ) t s v o = 。k + ( 1 - d - d 1 ) v o v 即- - 0 ，在 ( 3 1 4 ) 1 6 华中科技大学硕士学位论文 ： 二卜h 己 d u u f ) 图3 - 6电感电流连续时主要波形 图3 7电感电流断流时主要波形 3 1 3b u c k 变换器输出电压外特性 变换器的变压比m 与占空比d 和负载电流的函数关系称为外特性：m = f ( d ，i o ) 。 下图3 - 8 示出了b u c k 变换器的外特性。在电感电流连续时，变压眈m 等于占空比d ， 输出电压k = m h = d k ，m 、v o 的大小仅由d 确定而与负载电流无关。控制特性 是线形的，控制规律简单。在电感电流断续的情况下，变压比m 的控制特性是非线 性的。外特性从线性到非线性的转折点由临界负载电流i d b 确定1 5 4 7 1 。 临界负载电流i o n 为： 小鬟k = ( 1 一d ) k ( 3 1 5 ) 式中，。s = 乡幺以是v 。为常数时，当d = o 时，临界负载电流1 0 a 的最大值a d = o 时，i o s 有最大值，。= 乡幺疗，取i o b m 为负载电流的基准值，则负载电 流i o 的标么值为： 1 7 华中科技大学硕士学位论文 i 临界负载电流1 0 b 的标么值： i = i 。哌。4 一d = i - m b u c k 变换器v o = 常数时的外特性如下图3 - 8 所示。 ，： o ，o k m ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( b ) = 常数，乇x 。= 岳 图3 - 8b u c k 变换器v 0 = 常数时的外特性 3 2 数字p i d 控制原理及实现 3 2 1p i d 控翩原理 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是p i d 控制。常规p i d 控制系统原 理框图如图3 - 9 所示。系统由模拟p i d 控制器和被控对象组成。 1 b 华中科技大学硕士学位论文 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r ( t ) 的实际输出值c ( t ) 构成控制偏 差。将偏差的比例( p ) 、积分( i ) j i 微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行 控制，故称p i d 控制器。其控制规律为： 谢叶+ 高+ 掣j 1 8 ) 或写成传递函数形式 g = 锱喝( ，+ 嘉w 睁 式中k r 比例系数； t r 一积分时间常数o t d _ 一微分时间常数。 简单说来，p i d 控制器各校正环节的作用如下： ( 1 ) 比例环节 即时成比例地反映控制系统的偏差信号e ( t ) ，偏差一旦产生，控 制器立即产生控制作用，以减少偏差。 ( 2 ) 积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决 于积分时间常数t 1 ，t 1 越大，积分作用越弱，反之则越强。 ( 3 ) 微分环节能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号值变得 太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小 调节时间。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 2 数字p i d 控制算法 在计算机控制系统中，p i e ) 控制规律是用计算机程序来实现的，因此它的灵活性 很大。些原来在模拟p i d 控制器原本无法实现的问题，在引入计算机以后，就可以 得到解决，数字p i d 算法主要有：位置式p i d 控制算法、增量式p i d 控制算法、积分 分离p i d 控制算法、遇阻削弱积分p d 控制算法、不完全微分p i d 控制算法、微分先 行p i d 控制算法和带死区的p i d 控制算法等” 1 2 0 l 。 在斩波电源的设计中，采用的就是数字p i d 控制器，数字p i d 控制算法采用的 是位置式p i d 控制算法。 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因 此式3 - 1 8 中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟p i d 控制 算法的算式，现以一系列的采样时刻点k t 代表连续时间t ，以和式代替积分，以增量 代替微分，则可作如下近似变换： t 友t ( 3 2 0 ) i 已o 涉= r e e o r ) = r e f ( ，) ( 3 - 2 1 ) a e ：f ( t ) 。e ( k r ) - 1 e 。 ( k - 一1 ) r ：e ( k ) 1 - 4 ，k 一- o ( 3 - 2 2 ) d f丁r 式中t 为采样周期。 显然，上述离散化过程中，采样周期t 必须足够短，才能保证有足够的精度。 可得离散的p d 表达公式为 m ) - 酢她卜赢十丽t e t e 点j - e t k - 1 ) j ) ( 3 - 2 3 ) 五s ( ) 。 或 k “ ) = k ，4 k ) + k 。8 ( ) + 七d e ( k ) - 4 k 一1 ) 】 ( 3 2 4 ) ) - - o 式中k 采样序号，k = 0 ，1 ，2 ； u ( k 3 i 第k 次采样时刻的计算机输出值 2 0 华中科技大学硕士学位论文 e ( k ) 第k 次采样时刻输入的偏差值； e ( k 1 ) 第( k 一1 ) 次采样时刻输入的偏差值； k j 积分系数，置1 = k ，； k 广微分系数，k 。= k r ； 由z 变换的性质 z k 一1 ) 】= z 。e ( z ) ( 3 2 5 ) z阻i，_尚_j=o z i e 圳= 最 j 卜 厶 ， 【，( z ) = 睇e ( z ) + 蜀箦+ 。e ( z ) 】 由以上各式就可z 1 4 数字p 1 d 控制器的z 传递函数为 g ( z ) = 锪= k p + 。k t 塌1 ) g ( z ) = 南k ，( 1 - z - + k 1 + k o ( 1 - z - 1 ) 2 】 图3 1 0 数字p i d 控制器控制结构图 下图3 1 l 给出了位置式p i d 控制系统示意图1 0 】【1 l 】。 ( 3 - 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) ( 3 - 2 9 ) 2 i 华中科技大学硕士学位论文 t 图3 - 1 1 位置式p i d 控制系统示意图 从图3 - 1 1 中可以看出由计算机输出的u ( k ) 直接去控制执行机构( p w m 调制信号) ， 同时u 的值和执行机构的位置( p w m 调制信号的脉冲宽度) 是一一对应的a 3 3p w m 调制信号的产生与控制 改变开关管k 在一个开关周期t s 中的导通时间t 。，即改变导通占空比d ，即可 改变变压比m ，可以通过两种方式改变导通占空比d ，调节或控制输出电压v o 【4 】： ( 1 ) 脉冲宽度调制方式p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 保持t s 不变( 开关频率不变) ，改变t 。n ，即改变输出脉冲电压的宽度0 ，调控输出 电压v 0 。 ( 2 ) 脉冲频率调制方式p f m ( p u l s e f r e q u e n c y m o d u l a t i o n p u l s e ) 保持1 k 不变改变开关频率f s 或周期t s 调控输出屯压v o 。 实际应用中我们采用的是p w m 方式。因为采用定额p w m 开关时，输出电压中 谐波的频率固定，滤波器设计容易，开关时所产个电磁干扰容易控制，此外由控制系 统获得可变脉宽信号比获得可变频率信号容易实现。 3 3 1p w m 调制信号的产生 斩波电源中结构相同的降压斩波主电路共有两路，这两路分别由c p u 的定时器 t o 、t 1 中断来控制。单片机内部设置两个1 6 位可编程的定时器，计数器t o 和t 1 ，它 们具有计数器方式和定时器方式两种工作方式及四种工作模式。其控制字均在相应的 特殊功能寄存器中，通过对控制寄存器的编程，用户可以方便地选择适当的工作模式。 对每个定时器计数器( t o 和t i ) ，在特殊功能寄存器t m o d 中都有一位控制位，它 选择t 0 或t 1 为定时器还是计数器【z ”。 定时器计数器的两个作用是用来精确地确定某一段时间间隔( 作定时器用) 或累 计外部输入的脉冲个数( 作计数器用) 。当用作定时器时，在其输入端输入周期固定的 脉冲根据定时器计数器中累计( 或事先设鼍) 的脉冲个数，即可计算出所定时间的 长度。当在用作脉冲信号的产生作用时，选择它们的定时器功能【8 】i ”。 计数器t 0 和t 1 工作于模式1 ，这时定时器的等效电路如图3 - 1 2 所示。 华中科技大学硕士学位论文 巾 图3 1 2 定时器计数器t l 工作模式1 逻辑结构框图 由于调制脉冲信号是由定时器产生的，那么它的频率( 5 0 0 h z ) 就可以在定时器 中设定，具体做法是距离定时器结束前一定的时区开始计数，就可以产生想要的频率 的调制脉冲信号。 在本应用实例中，假设时钟频率采用6 m h z ，要在p 0 4 和p 0 5 上输出一个周期 为2 m s 的方波( 5 0 0 h z ) ，方波的周期用定时器t o 来确定，采用中断的方法来实现。 即在t o 中设置一个时间常数，使其每隔l m s 产生一次中断，c p u 响应中断后，在中 断服务程序中对p 0 4 和p 0 5 取非。为此来举例说明如何确定时间常数： 机器周期= 1 2 ( 晶振频率) 1 2 ( 6 1 0 6 ) = 2 u s 设：需要初值频率为x ，则( 2 1 3 x ) 2 1 0 。6 = 1 1 0 。3 2j a _ x = 5 0 0 x = 7 6 9 2 化为1 6 进制x = 1 e o c h 根据1 6 位定时器特性，初值应为： t h 0 ；1 e ht l o = o c h 这样就可以产生一个频率为5 0 0 h z 的方波信号作为p w m 调制信号。 3 3 2p w m 调制信号的脉宽控制 c p u 对检测到的输出电压值，进行软件双闭环p i d 调节，即时调节定时器寄存器 的装入数据，改变输出脉冲宽度，使得输出电压与给定电压值相符。 由于在斩波电源中采用软件双闭环p i d 调节来根据需要输出的电压大小控制 p w m 调制信号正负脉冲的开通时间，同时正负脉冲换向采用中断的方法来实现，所 以在t o 和t 1 中设置一个时间大小可变的变量，使其在规定的时间产生中断，c p u 响应中断后，在中断服务程序中对p o 4 和p 0 5 取非。这样就可以对p w m 调制信号 的脉宽进行控制，进而对斩波电源输出的直流电压值进行控制了2 1 2 3 1 。 华中科技大学硕士学位论文 4 直流斩波电源的硬件设计 本章深入分析了直流斩波电源主电路直流直流变换器、开关管辅助电路光偶驱动 器、输出电压电流信号放大器、斩波电源机内电源电路、d a 转换器1 5 4 3 与8 9 c 5 1 芯片的接口电路设计以及按键输入和数码管显示输出电路这六个主要的硬件部分，研 究了其工作原理、探讨了主要元器件使用，同时给出了电路原理图。本章还分析了直 流斩波电源中的硬件抗干扰性设计特别是高速开关器件带来的电磁干扰的消除。 4 1 主电路直流，直流变换器 真流斩波电路的种类较多，包括六种基本斩波电路：b u c k 降压斩波电路、b o o s t 升压斩被电路、升降压斩波电路、c u k 斩波电路、s e p i c 斩波电路和z e t a 斩波电路， 而直流，直流变换输出的直流电压也有两类不同的应用领域：一是要求输出电压可在一 定范围内调节控制，即要求直流流变换器输出可变的直流电压，例如负载为直流电动 机，要求可变的直流电压供电以改变其转速。另一类负载则要求直流，直流变换器的输 出电压无论在电源电压变化或负载变化时，都能维持恒定不变，即输出一个恒定的直 流电压。在这里我们根据负载( 直流电机) 的工作特性，电机实验要求显然需要的是 第一种可变的直流电压输出。从成本方面考虑，采用基本的b u c k 降压斩波电路作为 斩波电源的主回路。需要指出的是，由于本直流斩波电源按照电机及拖动实验台的要 求需同时提供两路独立的可调直流电压：一路是提供直流电机的励磁回路的直流电源 ( 2 2 0 v 2 a ) ，另一路是提供同步发电机的励磁回路的直流电源( 1 0 0 v 4 a ) ，所以本电源 内有两套结构完全一样但元件的参数有区别的独立的主电路，它们为上述两套机组分 别供电。 图4 - 1 直流直流变换器电路框图 上图4 - 1 是直流直流变换器系统框图2 钔，从图中可以看出，直流，直流变换器的 华中科技大学硕士学位论文 输入是不稳定不可调的直流电压，它是由硅整流器整流获得，再采用开关直流直流 变换器( b u c k 变换器) 把不稳定不可调的直流输入电压变为所要求的稳定可调的直 流输出电压。下面把直流直流变换器系统框图进一步扩展成实用的电路图。 4 , 1 1 主电路功能介绍 图4 2 真流直流变换器电路 上图4 - 2 是本斩波电源的主电路图，其中b l 、b 2 是硅整流器，它把输入交流电整 流成为直流电压作为喜流直流变换器的输入电压。由于它是全波整流，所以整流出 的直流电压大约在2 4 0 v 左右，在硅整流器的输出端钮后面接着的四个电容主要起滤 波作用，c 2 、c 9 用来实现频率补偿，抑制硅整流器引入的高频干扰，c 1 、c i o 是电 解电容，以减小引入的低频干扰【2 ”9 1 。 在硅整流器的输出端钮后面的电路就是直流直流变换器主电路，它由两级直流 直流变换器( b u c