混合动力电动车用高效双向直流变换器的设计
随着能源危机、环境污染加剧等问题的日益突出，绿色且经济的电动汽车的发展越来越受到人们的重视，是21世纪最具有发展前途的绿色清洁汽车。电动汽车是用电池替代传统燃油作为车载能源，然而在现有的技术条件下，动力电池的性能是电动汽车发展的主要瓶颈。双向DC/DC变换器可以优化电动机控制、提高电动汽车的整体效率和性能。
本论文针对传统以蓄电池为动力的电动车存在的问题，提出以超级电容加双向DC-DC变换器为辅助动力源的方案。该方案在弥补了蓄电池缺陷的同时，提高了整个系统的能源利用效率，并增加了电动车的续驶里程。在参阅国内外相关文献的基础上，论文在简要介绍了超级电容储能系统的基础上，分析了双向DC/DC变换器的拓扑结构，列举了四种非隔离型双向DC/DC变换器的拓扑结构，通过对它们的分析、比较，选取非隔离Buck/Boost双向DC/DC变换器作为本次设计的拓扑结构。论文分析了非隔离Buck/Boost双向变换器的惰行、Boost、Buck三种工作模式，Boost和Buck模式控制器均采用平均电流控制的方法，并对双向变换器进行了软开关分析，使用仿真软件MATLAB/Simulink建立了双向DC/DC变换器的仿真模型，仿真结果证明了理论分析和计算的正确性。
1.1 课题背景及研究的目的和意义
从蒸汽机发明至今的两个半世纪里，汽车工业得到了飞跃式的发展。汽车的出现和使用大大改变了人们的生产生活方式，为人类社会的进步提供了巨大的推动力。可以说，汽车已经成为当今人类活动不可或缺的交通工具。
传统汽车消耗的是石油、天然气等不可再生能源，与传统耗能工业一样，传统汽车工业也面临着石油资源短缺，大气环境污染加剧等难题，传统汽车发展的道路困难重重。
依照国土资源部的统计，全国在2014年的石油产量是2.1亿吨，有138万吨净增长，增长率0.7%，2亿吨以上年产量已经连续5年。据海关总署公布的数据，我国在2014年的进口原油量是3.1亿吨，本国内的石油资源也是非常短缺，能源危机迫在眉睫。同时，随着我国人民生活水平的提高，我国的汽车保有量正快速增长，每年都会产生大量的汽车尾气，这使得大气污染日益严重。
电动汽车的出现在一定程度上能够缓解汽车工业面临的资源和环境的压力。相对于传统汽车，电动汽车在环境保护，经济技术等方面有着巨大的优势。传统的电动汽车以蓄电池作为整车的单一能量源，具有零排放、噪声低等优点。但是在目前的技术水平下，
动力电池相对滞后的发展制约着电动汽车的发展，以蓄电池为单一能源的电动汽车有以下问题：
(1)蓄电池比功率相对较低，电动汽车在重载时需要电池释放较大的瞬时功率，造成电池瞬时放电电流过大，从而减小蓄电池的寿命；
(2)蓄电池有充放电次数限制，电池的更换费用是一个问题；
(3)废旧电池的有比较大的污染，处置比较困难。
为了提高蓄电池的使用寿命并保证电动汽车在重载时较大的功率输出，由蓄电池和其他能源组成的复合电源系统进入了研究者的视线，例如超级电容。超级电容的一个突出优点是具有很高的功率密度，既可以作为电动汽车重载时的辅助能源，还可以作为电动汽车制动时的能量回收装置。但是，超级电容不能直接装在蓄电池上，而是要通过双向DC/DC和蓄电池一起组成复合电源来对外工作。双向DC/DC对于电动汽车来说是能量管理部件的核心之一，它的研究和应用正日益得到国内外机构和学者的青睐。如今，双向DC/DC凭借其能降低驱动系统成本，提高能源效率等优点，已经在混合动力汽车、电梯、城轨交通以及新能源系统等领域都得到了广泛应用。所以，双向DC/DC对缓解资源环境压力有着促进作用。因此，快响应，高可靠性和高效率的双向DC/DC变换器的研究对电动汽车的研究和发展具有重大的意义。
1.2国内外研究与应用现状
电动汽车行驶工况比较复杂，尤其是城市电动公交，启动和制动比较频繁。启动和制动过程中均会产生较大的瞬时功率和电流，如果单纯以蓄电池作为能量源直接接在电机上驱动电动汽车，将会对电池产生巨大的冲击，使蓄电池的使用寿命缩短，并且大大降低整车的能量利用率。所以，双向DC/DC变换器的加入，对于合理的控制能量的流动，减轻蓄电池的压力，提高电动汽车的运行效率很有帮助。基于这些原因，国内外众多机构和学者纷纷对电动汽车以及电动汽车用双向变换器做了研究。
1.2.1电动汽车国内外研究现状
城市公交系统的公共汽车经常要制动启动，这会降低电机的工作效率，使能耗加大，电动汽车可以将这一能耗大幅降低。技术先进的欧美日等国家很早就开始了对电动汽车的研制。日本丰田公司首次将电动汽车投向市场使用，就是经典的Prius混合电动汽车，随后几年又相继推出Estima、Crown、Insight和Civic等混合动力电动汽车[9]。美国在电动汽车上的研究略滞后于日本，真正量产的电动汽车仅有福特和通用公司的极个别车型。法国的车用充电站比较普及，设施相对齐全，其电动汽车的推广早就上升到国家层面，包括各种激励补贴政策以及国家电动汽车协调委员会的建立，使得法国成为全球纯电动汽车应用最成功的国家之一
国内电动汽车起步相较先进发达国家滞后不少，但是发展较快，充满朝气的市场和
研究团队推动了电动汽车在国内的迅速普及。“十五”制定的“电动汽车重大科技专项”刺激了高校、科研机构以及企业等科研团队对电动汽车的研究11。哈尔滨工业大学、清华大学和浙江大学等高校和企业组成的联合实验室展开了对电动汽车的研究。金龙客车，比亚迪，五洲龙等电动汽车已经投入量产并走入城市道路和市民的车库中。随着国家对新能源汽车的进一步高度重视，中兴等企业也投入了对电动汽车的研究，其无线充电电动汽车已经奔跑在一些城市的道路上。
1.2.2电动汽车用双向DC/DC 的应用现状
为了降低蓄电池在电动汽车启动时的输出功率波动，提高制动能量回收率，普通装载双向DC/DC 变换器的电动汽车结构如图1.1所示。
驱
动
轴逆变器双向
DC/DC 蓄电池
电动机
图1.1装载双向DC/DC 变换器的电动汽车驱动系统结构图
图1.1所示的结构解决了蓄电池直接接收逆变器上的应力过大问题，但是没有能够解决蓄电池比功率低，使用寿命短和蓄电池承受的瞬时功率过大等问题，尤其当电动汽车启动和加速等需要较大电流时，蓄电池将承受较大的输出压力，这是该结构研究发展的最大瓶颈。
多能量源复合电源的出现为解决上述问题提供了新的可行方法。将超级电容引入电动汽车，与双向DC/DC 变换器组成的复合电源将蓄电池比能量高、超级电容比功率高的特点结合起来。加速时超级电容可以为逆变器提供额外的大电流，减速制动时可以把电机回馈回来的能量储存在超级电容里。这样就能够较好地解决电动汽车存在的问题，还能提高电源效率和整车动力性。图1.2是装载了含超级电容复合电源的电动汽车驱动系统结构图。
驱
动
轴逆变器双向
DC/DC 蓄电池
电动机超级电容
图1.2电动汽车结合超级电容驱动系统结构图
1.3超级电容
超级电容器是近年来出现的一种新型储能元件，它兼具蓄电池能量密度大和普通电
容功率密度大的优点，充放电速度快、效率高、无污染，且在使用中无须维护。因此，有人认为它是介于蓄电池与普通电容器之间的一种新型的能量器件。
超级电容器由于其无可比拟的优越性，具有广泛的应用性，如微处理器、系统主板等小功耗的电子设备的备用电源、电动汽车及混合动力汽车电源、变频驱动系统的能量缓冲器等。由于超级电容单体电压较低，通常为3~4V ，不能满足电动车辅助动力源的能量要求，所以必须将多个超级电容单体串并联组成超级电容器组使用。假设超级电容器组的一条串联支路由n 个特性相同的单体电容组成，再由m 条相同的支路构成并联支路，则超级电容器组的容量可表示为：
()/cell C C m n
=?（1.1）
等效内阻为： ()/cell r R n m
=?（1.2） 从以上两式看，可近似将超级电容等效为电阻和电容的串联，其简单的RC 等效模
型使外在电气特性被较为准确地反映了出来。
超级电容器主要有三个作用： (1) 在燃料电池发电前通过双向DC-DC 变换器升高电压，提供较高的总线电压，保持电源输出功率的稳定：
(2) 当汽车加速时，超级电容通过双向DC-DC 变换器提供所需的峰值功率;
(3) 当汽车制动时，逆变器和双向DC-DC 变换器将再生制动的能量存储到超级电容中。
1.4本文研究内容
本论文主要完成的主要研究内容有：
(1)在了解本文研究背景情况下，介绍电动汽车在国内外的发展研究现状，然后对超级电容做了简单介绍。
(2)介绍了双向DC/DC 变换器，对非隔离型直流变换器和隔离型直流变换器进行比较，并对选择非隔离型直流变换器说明理由。
(3)对所选非隔离Buck/Boost 双向变换器的工作模式进行介绍，分别在Buck 和
Boost 工作状态下建立小信号模型和控制框图，用平均电流控制变换器
(4)使用仿真软件MATLAB/Simulink 搭建双向DC/DC 变换器仿真模型，并对电动汽车不同行驶工况下的双向DC/DC 变换器进行仿真，最后对本文做出简单的总结。
2双向DC/DC变换器电路拓扑结构
2.1双向DC/DC变换器
双向DC/DC变换器在电动汽车的电动机驱动系统中起着举足轻重的作用，可以根据系统的要求完成相应的功能。例如，在由电池组供电的电动机驱动系统中，DC/DC
变换器可以根据转矩参考指令和转速来调整电动机的输入电压，在电动机需要将机械能反馈回电池组的再生制动过程中，DC/DC变换器可以实现能量的反向流动。
(1)双向DC/DC变换器的概念
双向DC/DC变换器是DC/DC变换器的双象限运行。它的输入，输出电压极性不变，输入，输出电流的方向可以改变。变换器的输出状态可以在V-I的第一二象限内变换，即双向DC/DC变换器实现了能量的双向传输。从基本的变换器拓扑上看，用双向开关代替单向开关就可以实现能量的双向流动。
双向DC/DC变换器可以实现能量的双向流动，在功能上相当于2个单向DC/DC变换器的能量流动，是比较典型的“一机两用”设备。在需要能量双向流动的应用场合可以很大幅度降低系统的体积、重量及成本，具有很高的研究价值。
(2)双向 DC/DC 变换器的应用场合
当在一个系统中的直流电源间需要实现能量的双向流动时，就需要用到双向DC/DC 变换器。例如燃料电池系统、可再生能源系统、不停电电源系统、直流电机驱动系统、航空航天电源系统、电动汽车系统等各种系统中都有其应用的场合。实际上这样的系统已经走进了我们的生活中，例如具有双向功能的充电器在供电网正常时用于向蓄电池充电，一旦供电网供电中断，该电器可将电池电能返回电网，向电网短时应急供电。控制直流电动机的变换器也应是双向的，电动机工作时，将电能从电源送到电动机，电动机旋转，带动设备工作，制动时电机能量通过变换器返回电源。
(4)研究双向DC/DC变换器的意义
双向直流变换器是典型的一机两用设备，有很重要的研究价值。目前针对双向直流变换器的研究主要在两个方面:一方面是电路的拓扑，另一方面是电路的控制。目前研究的常见的几种拓扑结构存在下面一些问题：
(1)隔离型双向直流变换器因为含有隔离型Boost 存在开关管电压尖峰问题；
(2)移相式双向直流变换器通过变压器的漏感传递能量，存在环流大的问题；
(3)反激式双向直流变换器通过耦合电感传递能量，传输功率等级受到限制；
(4) Cuk和Sepic/Zeta型直流双向变换器由于电路拓扑结构复杂，能量传输复杂，实际应用很少。所以，研究直流双向变换器的拓扑结构对了解双向直流变换器的适用场合有很重要的意义。在控制功率流向时，控制模型也很重要。因此，在不同的场合运用不同的控制模型，也是双向直流变换器的研究方向。
2.2.单向DC/DC变换器拓扑
单向DC/DC变换器可以按照输出与输入是否有电气隔离分为：非隔离型直流变换
器和隔离型直流变换器。
(1)从两个拓扑结构很容易看出，图2.2的直流变换器结构复杂，所用的元器件数量和种类都比较多，相比较而言，图2.1结构简单，所用的元器件数量和种类都比较少。
(2)由于受到变换器体积的限制，图2.2中必须采用高频变压器，因此相应的开关管只能采用功率MOS管。图2.1则可以采用IGBT管，IGBT管兼备了MOS管和IGBT 管两者的优点，具有驱动简单、速度高、通态压降低、耐压高和可以承受大电流等优点，因此在大功率的场合得到了广泛的应用。
(3)MOS管导通压降高于IGBT管，在图2.2中MOS管的导通损耗高于图2.1中IGBT 管的导通损耗，而且图2.2中还有2个整流二极管的导通损耗。
(4)为了实现双向能量变换功能，图2.1可以很容易地通过与其他的开关元器件相配合采用一套DC/DC变换器来实现，而图2.2则难以采用一套变换器实现，采用两套变换器会使得整个变换器装置体积增大。
通过对以上两种拓扑结构的比较分析，本次设计中采用了非隔离型变换器拓扑结构。
2.3双向DC/DC变换器的拓扑结构
双向DC/DC变换器的拓扑结构多是在已有的单向DC/DC变换器的基础上，通过为电路中的开关元件和二极管分别并联反向二极管和开关元件从而实现能量的双向流动的，下面列出了四种不隔离双向DC/DC变换器的拓扑结构。这四种电路拓扑结构分别
是双向Buck/Boost 变换器(图2.3)、双向半桥变换器(图2.4)、双向Cuk变换器(图2.5)
以及双向SEPIC变换器(图2.6)。这四种电路拓扑结构都可以满足设计要求，并且相对
于隔离的变换器拓扑而言电路比较简单，采用的元器件相对较少，可以满足电动汽车对于安装体积和成本的要求。
2.4双向DC-DC变换器的工作原理
2.4.1双向Buck/Boost变换器
图2.7a和图2.7b分别绘出了Buck/Boost变换器正向工作时的电路图，此时开关管S1导通，S2截止。当S1处于导通状态时，电池组和输出电容C2分别对电感L和负载充电；当S1处于关断状态时，二极管D1正向偏置导通，电感L对输出电容C2和负载供电。因此通过改变S1的占空比即可以调整变换器的输出电压U0。
图2.8a和图2.8b分别绘出了Buck/Boost变换器反向工作时的电路图。变换器反向
工作时，开关管S1截止，经过一个固定的死区时间后，开关管S2工作，能量反向流动，实现对电池组充电。通过改变S2的占空比可以控制充电电流，使其限制在最大反向电流。
当S2导通时，电容C1对电池组充电，能量将存储在电感L中；当S2关断时，二极管D2正向偏置导通，电感L对电池组和电容C充电。
2.4.2双向半桥变换器
双向半桥变换器正向工作时，开关管S1导通，S2截止，此时电路即为Boost升压变换电路(如图2.9a)；反向工作时，开关管S2导通，S1截止，此时电路即为Buck降压变换电路(如图2.9b)。从图2.7a~图2.9b中，可以看出双向Buck/Boost 变换器和双向半桥变换器两者的一个共同点：他们都是通过电感实现能量的储存和传输的。因此，他们属于电感储能式变换器。
2.4.3双向Cuk变换器
图2.10a和图2.10b绘出了双向Cuk变换器正向工作时的电路图。此时开关管S1导通，Cuk变换器中的电容C3的容量要求很大，变换器稳态工作时，C3的电压基本保持恒定。当S1导通时，电池组向电感L1充电，电容C3经负载和电感L2放电；当S1关断时，电池组和电感L1向电容C3充电，电感L2问负载供电。
图2.11a和图2.11b绘出了Cuk变换器反向工作时的电路图。开关管S1截止，而S2导通。当S2导通时，负载向电感L2充电，电容C3经电池组和电感L放电；当S2截止时，负载和电感L2向电容C3充电，电感L1向电池组供电。
2.4.4双向SEPIC变换器
双向SEPIC变换器正向工作时，开关管S1导通，S2截止，电路如图2.12所示。当S1导通时，电池组向电感L1充电，电容C3向电感L2充电，输出电容C2向负载供电。当S1关断时，电池组和电感L1共同向电容C3和负载供电，电感L2通过二极管D1也向负载供电。
反向工作时，开关管S2导通，S1截止，此时电路即为Zeta变换器，如图2.13所示。当S2导通时，负载向电感L2充电，同时，负载和电容C3共同向电感L1和电池组充电。当S2关断时，电感L2通过二极管D2向电容C3充电，电感L1向电池组充电。双向SEPIC变换器可以看作是正向SEPIC变换器和反向Zeta变换器的组合。
从图2.10a~图2.13b中，可以看出双向Cuk变换器和双向SEPIC变换器的一个共同点：他们都是通过电容实现能量的储存和传输的。因此，他们属于电容储能式变换器。
本文以非隔离Buck/Boost双向变换器拓扑为基础，采取小电感并使其电流工作于断续模式（DCM），这样一方面提高了系统的功率密度，另一方面减小了开关及反向恢复损耗。当电感电流变为零时，电路中的电容会与主电感发生谐振，引起振铃现象。这在产生严重电磁干扰噪声的同时，也整体上使系统的运行效率受到了影响。因此，为避免上述问题的出现，就必须采取相应的措施。
3工作模式
惰行模式：即正常工况时，电动车匀速行驶，此时i Load
Boost模式：电动车处于快速启动、加速及爬坡时，此时负载电流大于蓄电池的最优放电电流，负载电流由蓄电池和超级电容共同提供。此模式下，不仅避免了经常过放会降低蓄电池的使用寿命，而且保证了蓄电池一直处于以最优放电电流工作的状态。
Buck模式：根据电动车行驶工况及能量源状态，双向DC-DC变换器Buck模式有两种情况：（1）电动车再生制动，此时V L
4 控制器的设计
4.1 Buck 模式控制器设计
工作在Buck 模式：（1）电动车再生制动时，负载电流i Load 为负，如图3.1所示工况，电流提供给辅助动力系统的蓄电池和超级电容。（2）电动车低速及减速行驶，如此时超级电容电压V L 变换器Buck 模式下交流小信号方程： {L di?L d t =Dv ?L +d ?V H ?v ?L ?i??(R L +R on ) C 1dv ?L dt =i?L ?v ?L R 1 (4.1) 式中：R L -电感的等效电阻，R on -晶体管的导通电阻，R 1-超级电容的内阻。 由式(4.1)可得到电感电流i?L (s )对控制变量d ?(s )的传递函数： G id (s )=i?L (s ) d ?(s )=R 1C 1V H s+V H LR 1C 1s 2+[L+(R L +R on )R 1C 1]s+R 1+(R L +R on ) (4.2) 平均电流控制器的传递函数： G c (s )=K p s+K 1s (4.3) 滤波电路及负载电流采样网络的传递函数： H 1(s )=K 11RCs+1 (4.4) 式中：K 1-负载电流采样系数，R 、C 分别是RC 滤波器的电阻和电容。 将K 1变为电感电流的采样系数K 2,可得电感电流采样网络及滤波电路传递函数： H 2(s )=K 21RCs+1 (4.5) PWM 的传递函数： G PWM (s )=1V M (4.6) 式中：V M 是锯齿波的幅值。 如图4.1所示为双向DC-DC 变换器工作在Buck 模式的控制框图。由控制框图可以看出，系统经过PI 控制器补偿，在保证了系统稳定性的同时实现了对超级电容的恒流充电。 图4.1 Buck 模式控制框图 4.2 Boost 模式控制器设计 工作在Boost 模式：Boost 模式下对变换器的要求是确保蓄电池能在绝大多数时间里处于以最优放电电流i bat_rate 工作的状态。辅助动力系统向电机提供的电流为i Hing =i Load ?i bat_rate ，仍采用平均电流控制的方法。 Boost 模式下变换器的交流小信号方程： {L di?L d t =v ?L ?D 、V ?H +d ?V H ?i?L ?(R L +R on )C 2dv ?L dt =D 、i?L ?v ?L ?V bat R 2?D 、V H ?V bat R 2d ? (4.7) 式中：V bat 、R 2分别是蓄电池的端电压及内阻。 由(4.7)计算可得到电感电流i?L (s )对控制变量d ?(s )的传递函数： G id (s )=i?L (s ) d ?(s )=R 1C 1V H s+V H LR 1C 1s 2+[L+(R L +R on )R 1C 1]s+R 1+(R L +R on ) (4.8) 如图4.2所示为双向DC-DC 变换器工作在Boost 模式时的控制框图。Boost 模式下控制器的设计需最大限度的提高控制环路的带宽，这样可以满足系统的稳定性及电动车快速的动态响应。 图4.2 Boost 模式控制框图 5软开关实现过程分析 隔离型双向变换器中间有高频变压器隔开，而对于非隔离型，由于其结构的特性必须考虑开关管的软开关实现问题。软开关的实现能够提高变换器效率，减小无源器件体积，并可以降低电磁干扰。门极信号及Buck模式下的电感电流波形如图5.1所示,由图可以看出，电感电流在过零变负后再逐渐上升，这样就抑制了振铃现象，同时实现了开关管的零电压谐振转换（ZVRT）。 (1)工作模态1：t1~t2时间段,如图（a）所示，上桥臂开关管S1驱动信号到来，S1导通，电感电流线性上升。 (2)工作模态2：t2~t3时间段，如图（b）所示，处于信号死区时段，电感电流逐渐减小。C S1充电、C S2放电，S1端电压由于C S1的充电并非立刻升高，而是缓慢上升，这样就使得关断损耗降低；C S2放电结束时，S2两端电压减小为0，电感电流在由二极管D S2构成的回路中流动，从而实现了开关管S2的ZVRT。 (3)工作模态3：t3~t4时间段，如图（c）所示，由于超级电容的作用，电感电流线性下降直到过零。 (4)工作模态4：t4~t5时间段，如图（d）所示，S2导通，D S2零电压关断，不仅反向恢复损耗为零，而且避免了振铃现象的产生。 (5)工作模态5：t5~t6时间段，如图（e）所示，S2关断信号来临，亦即进入了死区时间，C S1放电，C S2充电。 (6)工作模态6：t6~t7时间段，如图（f）所示，电感电流流过D S1，S1零电压开通，同时减少了S2的开关损耗。 以上对双向变换器软开关进行的分析，上下桥臂开关管S1、S2均工作于ZVRT，寄生二极管D S1、D S2都在自然状态下导通，消除了反向恢复损耗，抑制了振铃现象的出现，实现了开关管的软开关。 6仿真波形分析 以理论分析为基础，搭建了本文所提方案的Matlab仿真模型，即超级电容加双向DC/DC变换器，分析了仿真模型所得相关波形。 7 结论 本文针对传统以蓄电池为电动车单一动力源的缺陷，采用以蓄电池为主动力源，超级电容加双向DC-DC变换器为辅的方案。对于系统稳定性差、无法实现超级电容的恒流充电及电动车动态响应速度慢的问题，采用平均电流控制的方法。本文分析了双向DC/DC变换器的拓扑结构，通过对不隔离的直流变换器与有隔离的直流变换器拓扑结构的比较分析，决定采用非隔离的拓扑结构。论文列举了四种非隔离的双向DC/DC变换器的拓扑结构，通过对这四种拓扑结构的详细分析比较，决定采用非隔离Buck/Boost 双向变换器的拓扑结构，然后分别对Buck模式和Boost模式下的控制器进行了设计，结果证明所提控制策略是可行、有效的。对于非隔离Buck/Boost双向变换器难以实现开关管的软开关的问题，对其进行了软开关分析，结果表明在避免了此拓扑结构所存在的问题的同时，实现了开关管的软开关。仿真所得波形进一步验证了所设计变换器具有快响应速度和高效率。 黑龙江大学课程设计说明书 学院：机电工程学院 专业：电气工程及其自动化 课程名称：电力电子技术 设计题目：桥式直流PWM变换器仿真 姓名： 学号： 指导教师： 成绩： 目录 第一章课程设计的性质和目的 (2) 第二章课程设计的内容 (2) 第三章设计报告要求 (2) 第四章参考资料 (2) 第五章课程设计的题目 (3) 第六章课程设计的内容 (3) 6.1总体电路的功能框图及其说明 (3) 6.2单相桥式PWM逆变电路 (3) 6.3控制电路 (4) 6.4驱动电路 (5) 6.5缓冲电路 (6) 6.6双极性PWM控制方式 (6) 6.7单极性PWM控制方式 (9) 第七章心得与体会 (11) 第八章参考文献 (13) 附录：评分标准 (14) 一、课程设计的性质和目的 性质：是电气自动化专业的必修实践性环节。 目的： 1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。 2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。 3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。 4、培养学生运用仿真工具的能力和方法。 5、提高学生课程设计报告撰写水平。 6、加深理解《电力电子技术》课程的基本理论； 7、初步掌握电力电子电路的设计方法。 二、课程设计的内容： 1、整流电路的选择 2、整流变压器额定参数的计算 3、晶闸管（全控型器件）电压、电流额定的选择 4、平波电抗器电感值的计算 5、保护电路（缓冲电路）的设计 6、触发电路（驱动电路）的设计 7、画出完整的主电路原理图和控制电路原理图 8、用MATLAB进行仿真，观察结果 三、设计报告要求 依据“课程设计说明书”（电子文档）的模板格式撰写。内容应包括： 1、主电路设计说明 2、控制电路设计说明 3、仿真结果讨论（说明是否达到设计指标的要求） 4、附录：主电路和控制电路原理图 四、参考资料 电力电子技术教材及相关资料 《电力拖动技术课程设计》报告书 直流电动机调速设计 专业：电气自动化 学生姓名： 班级： 09电气自动化大专 指导老师： 提交日期： 2012 年 3 月 前言 在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工效率。 《综合实验1》设计说明书 题目直流调速系统设计与调试 系部自动化系 专业自动化 班级自动化092班 学号 09423002 09423004 09423013 09423022 姓名裴玉柱刘勇薛尚刘鲲鹏 指导老师刘艳于美荣 日期2012年11月23日－2012年12月06日 直流调速系统设计与调试 (3) 1 技术要求： (3) 2 硬件系统设计 (4) 2.1 驱动电路： (4) 2.2 控制电路： (4) 3 直流调速系统参数和环节特性的测定： (5) 3.1 电枢回路总电阻R的测定 (5) 3.2 电枢回路电感L的测定 (6) 3.4 直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2 的测定 (7) 3.4 主电路电磁时间常数Td的测定 (8) 3.5 电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定 (8) 3.6 系统机电时间常数TM的测定 (8) 3.7 晶闸管触发及整流装置特性Ud=f(Ug)和测速发电机特性UTG=f(n)的测定 (9) 4 直流调速系统设计 (9) 5 系统调试与分析 (10) 5.1双闭环系统的调试 (10) 5.2 系统的分析 (14) 7 参考文献： (14) 直流调速系统设计与调试 1 技术要求： （1）设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构； （2）设计出触发系统和功率放大电路； （3）采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环+电流内环控制。 （4）器件选择：晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗选择、晶闸管保护设计 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源，一路输入给直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。直流电机的调速方案一般有下列3种方式：1、改变电枢电压；2、改变激磁绕组电压；3、改变电枢回路电阻。最常用的是调压调速系统，即1（改变电枢电压）.一种模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用PID适配器调整。该调速器体积小、重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能。一种模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用pid适配器调整。该调速器体积小、重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能 现代工业自动化的高速发展也给直流电机的控制与调速提供了大范围的应用与更新:如远程信号传输,远距离调速,高温环境的遥控调速与控制,手动自动集成等。 目录 1.引言 (2) 1.1研究意义 (2) 1.2研究内容 (2) 2.直流-直流变换器的工作原理 (2) 4 H桥DC/DC变换系统的电路仿真模型建立与实现 (6) 5 结论 (11) 心得体会 (12) 1.引言 1.1研究意义 电能是现代工农业、交通运输、通信和人们日常生活不可缺少的能源。电能一般分为直流电和交流电两大类，现代科学技术的发展使人们对电能的要求越来越高，不仅需要将将交流电转变为直流电，直流电转变为交流电，以满足供电能源与用电设备之间的匹配关系，还需要通过对电压、电流、频率、功率因数和谐波等的控制和调节，以提高供电的质量和满足各种各样的用电要求，这些要求在电力电子技术出现之前是不可能实现的，随着现代电力电子技术的发展，各种新型电力电子器件的研究、开发和应用，使人们可以用电力电子变流技术为各种各样的用电要求提供高品质的电源，提高产品的质量和性能，提高生产效率，改善人们的生活环境。 所谓变流就是指交流电和直流电之间的转换，对交直流电压、电流的调节，和对交流电的频率、相数、相位的变换和控制。而电力电子变流电路就是应用电力电子器件实现这些转换的线路，一般这些电路可以分为四大类。 （1）交流—直流变流器。 （2）直流—直流斩波调压器。 （3）直流—交流变流器。 （4）交流—交流变流器。 本课题所要研究的是直流—直流斩波调压。 1.2 研究内容 （1）工作原理分析 （2）系统建模及参数设置 （3）波形分析 2.直流-直流变换器的工作原理 直流—直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路也称斩波电路，它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为带隔离的直流—直流变流电路或直—交—直电路。直流—直流变流器有多种类型，主要有降压变流器、升压变流器和桥式直流变流器等，这里主要介绍桥式（H型）直流变流器。 电流可逆斩波电路虽可使电动机的电枢电流可逆，实现电动机的两象限运行，但其所能提供的电压极性是单相的。当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合，就必须将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，即成为桥式可逆斩波电路。 单片机原理及应用课程设计报告设计题目： 学院： 专业： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 年月日 目录 设计题目：PWM直流电机调速系统 本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。 关键词：直流电机调速；定时中断；电动机；波形；LED显示器；51单片机 1 设计要求及主要技术指标： 基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。 设计要求 （1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。 （2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。 （3）设计一个4个按键的键盘。 K1:“启动/停止”。 K2：“正转/反转”。 K3：“加速”。 K4:“减速”。 （4）手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在 手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。 （5）*测量并在LED显示器上显示电动机转速（rpm）. （6）实现数字PID调速功能。 主要技术指标 (1）参考L298说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。 (2)使用定时器产生可控PWM波，定时时间建议为250us。 (3）编写键盘控制程序，实现转向控制，并通过调整PWM波占空比，实现调速； (4）参考Protuse仿真效果图：图（1） 图（1） 2 设计过程 本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。 本设计以控制驱动电路L298为核心，L298是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。 本设计以AT89C52单片机为核心，如下图（2），AT89C52是一个低电压，高性能 8位，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（），器件采用的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 图（2） 对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范 目录 前言 (1) 一、设计目的 (2) 二、设计要求 (2) 三、直流调速系统整体设计 (2) 四、系统参数选取 (7) 五、各部分设计 (8) 六、双闭环系统设计 (14) 七、系统仿真 (17) 八、设计总结 (18) 参考文献 (19) 前言 由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能，已广泛应用于工业、航天领域等各个方面。随着电力电子技术的发展，脉宽调制（PWM）调速技术已成为直流电机常用的调速方法，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和功耗低等特点。而以H桥电路作为驱动器的功率驱动电路，可方便地实现直流电机的四象限运行，包括正转、正转制动、反转、反转制动，已广泛应用于现代直流电机伺服系统中。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用SIMULINK对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。 一、设计目的 通过对一个实用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。 二、设计要求 完成所选题目的分析与设计，进行系统总体方案的设计、论证和选择；系统单元主电路和控制电路的设计、元器件的选择和参数计算 三、直流调速系统整体设计 1、直流电机PWM调速控制原理 直流电动机转速公式为： n=(U-IR)/Kφ 其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。 直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法用得很少，大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中脉冲宽度调制(PWM)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来调整直流电机的电枢电压U，从而控制电机速度。 PWM的核心部件是电压-脉宽变换器，其作用是根据控制指令信号对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。在本次课程设计采用双闭环直流调速系统进行调速控制。 2、双闭环直流调速系统 A.双闭环调速系统的工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电 长安大学交流调速课程设计 一．摘要 变频调速是一种新兴的技术，将变频调速技术用于供水控制系统中,具有高效节能、水压恒定等优点。随着社会经济的发展，绿色、节能、环保已成为社会建设的主题。对于一个城市的建设，供水系统的建设是其中重要的一部分，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到居民的生活质量。近年来，随着自动化技术、控制技术的发展，以及这些技术在供水系统的应用，高性能、高节能的变频恒压控制的供水系统已成为现在城市供水管理的必然趋势。本次课程设计采用CPM1A PLC控制器结合富士变频器控制两台水泵的各种转换，实现变频恒压供水系统的功能，并且实现故障转换与报警等保护功能，使得系统控制可靠，操作方便。 二．设计要求 一楼宇供水系统，正常供水量为30m3/小时，最大供水量40m3/小时，扬程24米。采用变频调速技术组成一闭环调节系统，控制水泵的运行，保证用户水压恒定。当用水量增大或减小时，水泵电动机速度发生变化，改变流量，以保证水压恒定。 要求设计实现： ⑴设二台水泵。一台工作，一台备用。正常工作时，始终由一台水 泵供水。当工作泵出现故障时，备用泵自投。 ⑵二台泵可以互换。 ⑶给定压力可调。压力控制点设在水泵出口处。 ⑷具有自动、手动工作方式，各种保护、报警装置。采用OMRON CPM1A PLC、富士变频器完成设计。 三．方案的论证分析 传统的小区供水方式有： ⑴恒速泵加压供水方式 该方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，目前较少采用。 ⑵气压罐供水方式 气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，也使浪费加大，从而限制了其发展。 ⑶水塔高位水箱供水方式 水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。 综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、 直流变换器课程设 计 目录第一章．设计概要 1.1 技术参数 1.2 设计要求 第二章．电路基本概述 第三章. 电力总体设计方案 第三章.电力总体设计方案 3.1 电路的总设计思路 3.2电路的设计总框图 第四章 BUCK 主电路设计 4.1 Buck变换器主电路原理图 4.2 Buck变换器电路工作原理图4.3 主电路保护（过电压保护）4.4 Buck变换器工作模态分析 4.5 主电路参数分析 第五章控制电路 5.1 控制带你撸设计方案选择 5.2 SG3525控制芯片介绍 5.3 SG3525各引脚具体功能 5.4 SG3525内部结构及工作特性 5.5 SG3525构成的控制电路单元电路图第六章驱动电路原理与设计 6.1 驱动电路方案设计与选择 6.2 驱动电路工作分析 第七章附录 第八章设计心得 第一章．设计概要 1.1 技术参数： 输入直流电压Vin=25V，输出电压Vo=10V，输出电流Io=0.5A，最大输出纹波电压 50mV，工作频率 f=30kHz。 1.2 设计要求： （1）设计主电路，建议主电路为：采用 BUCK 变换器，大电容滤波，主功率管用 MOSFET；（2）选择主电路所有图列元件，并给出清单； （3）设计 MOSFET 驱动电路及控制电路； （4）绘制装置总体电路原理图，绘制： MOSFET 驱动电压、 BUCK 电路中各元件的电压、电流以及输出电压波形（波形汇总绘制，注意对应关系）； （5）编制设计说明书、设计小结。 第二章．电路基本概述 直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter）。直流斩波电路一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，输入与输出不之间不隔离。直流斩波电路的种类较多，包括 6 种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk 斩波电路，Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路。Buck 电路作为一种最基本的 DC/ DC 拓扑，结构比较简单，输出电压小于输入电压，广泛用于各种电源产品中。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路能够分为脉冲宽度调试、频率调制和混合型三种控制方式，Buck 电路的研究对电子产品的发展有着重要的意义。 MOSFET 特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于 GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过 10kW 的电力电子装置。功率MOSFET 的种类：按导电沟道可分为P 沟道和 N 沟道。按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于 N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率 MOSFET 主要是 N 沟道增强型。 第三章.电力总体设计方案 3.1 电路的总设计思路 电力拖动课程设计 题目：直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统 姓名：强 学号：U201311856 班级：电气1303 指导老师：徐伟 课程评分： 日期：2016-07-10 目录 一、设计目标与技术参数 二、设计基本原理 （一）调速系统的总体设计 （二）桥式可逆PWM变换器的工作原理（三）双闭环调速系统的静特性分析（四）双闭环调速系统的稳态框图 （五）双闭环调速系统的硬件电路 （六）泵升电压限制 （七）主电路参数计算和元件选择 （八）调节器参数计算 三、仿真 （一）仿真原理（含建模及参数） （二）重要仿真结果（目的为验证设计参数的正确性） 四、结论 参考文献 附录1：调速系统总图 附录2：调速系统仿真图 一、设计目标与技术参数 直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统的设计目标如下： 额定电压：U N=220V；额定电流：I N=136A；额定转速：n N：=1460r/min； 电枢回路总电阻：R=0.45Ω；电磁时间常数：T l=0.076s；机电时间常数：T m=0.161s； 电动势系数：C e=0.132V*min/r；转速过滤时间常数：T on=0.01s；转速反馈系数α=0.01 V*min/r； 允许电流过载倍数：λ=1.5；电流反馈系数：β=0.07V/A； 电流超调量：σi≤5%；转速超调量：σi≤10%；运算放大器：R0=4KΩ； 晶体管PWM功率放大器：工作频率：2KHz；工作方式：H型双极性。 PWM变换器的放大系数：K S=20。 二、设计基本原理 （一）调速系统的总体设计 在电力拖动控制系统的理论课学习中已经知道，采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环调速系统就难以满足需要。这主要是因为在单闭环调速系统中不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。如图2-1所示。 图2-1 直流调速系统启动过程的电流和转速波形 用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。 直流双闭环调速系统的结构图如图2-2所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM装置。其中脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。 直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速控制系统的简称，与晶闸管直流调速系统的区 《交直流调速系统》课程设计 一、性质和目的 自动化专业、电气工程及其自动化专业的专业课，在学完本课程理论部分之后，通过课程设计使学生巩固本课程所学的理论知识，提高学生的综合运用所学知识，获取工程设计技能的能力；综合计算及编写报告的能力。 二、设计内容 1.根据指导教师所下达的《课程设计任务书》课程设计。 2.主要内容包括： （１）根据任务书要求确定总体设计方案 （２）主电路设计：主电路结构设计（结构选择、器件选型、考虑器件的保护）、变压器的选型设计； （３）控制回路设计：控制方案的选择、控制器设计 （４）保护电路的选择和设计 （５）调速系统的设计原理图，调速性能分析、调速特点 3.编写详细的课程设计说明书一份。 三、设计内容与要求 1.熟练掌握主电路结构选择方法、主电路元器件的选型计算方法。 2.熟练掌握保护方式的配置及其整定计算。 3.掌握触发控制电路的设计选型方法。。 ４.掌握速度调节器、电流调节器的典型设计方法。 ５.掌握绘制系统电路图绘制方法。 ６.掌握说明书的书写方法。 四、对设计成品的要求 1.图纸的要求： 1）图纸要符合国家电气工程制图标准； 2）图纸大小规格化（例如：1＃图，2＃图）； 3）布局合理、美观。 2.对设计说明书的要求 1）说明书中应包括如下内容 ①目录 ②课题设计任务书； ③调速方案的论证分析（至少有两种方案，从经济性能和技术性能方面进行分析论证）和选择； ④所要完成的设计内容 ⑤变压器的接线方式确定和选型； ⑥主电路元器件的选型计算过程及结果； ⑦控制电路、保护电路的选型和设计； ⑧调速系统的总结线图 系统电路设计及结果。 2）说明书的书写要求 ①文字简明扼要，理论正确，程序功能完备，框图清楚明了。 ②字迹工整；书写整齐，使用统一规定的说明书用纸。 ③图和表格不能徒手绘制。 ④附参考资料说明。 电子信息工程《专业基础课程设计》研究报告 AD转换器设计 学生姓名：王欢 学生学号：20094075XXX 指导教师：赵肖宇 所在学院：信息技术学院 专业班级：电子信息工程1班 中国·大庆 2012 年12 月 目录 1 设计任务要求 (1) 2 方案设计与比较 (1) 2.1 总体设计框图 (1) 2.2 各框图的功能和可选电路及特点 (1) 3 单元电路设计 (2) 3.1 模拟电压产生电路 (2) 3.2 输出电路 (2) 3.3 555信号发生器 (3) 3.4 555信号清零 (4) 3.5 74LS00 (4) 3.6 计数器电路 (5) 3.7 D／A转换器DAC0832 (5) 3.8 LM324比较器 (7) 4 元件选择 (7) 5 整体电路 (8) 6 电路工作原理 (9) 7 困难问题及解决措施 (9) 8 总结与体会 (9) 9 致谢 (10) 10 参考文献 (11) 1 设计任务要求 ?电源 5V； ?输出数字量8位； ?误差1LSB； ?带转换开始控制； ?输入直流电压0-2.5V； ?主要单元电路和元器件参数选择； ?用绘图软件画出总体电路图； ?应用仿真软件仿真； 2 方案设计与比较 2.1 总体设计框图 上图为8位为计数式8位A/D转换器的总体设计框图。该八位AD转换器由以下几部分组成：1）模拟电压产生电路 2）电压比较电路 3） DA转换电路 4）脉冲产生电路 5）控制电路6）计数电路 7）输出电路 2.2 各框图的功能和可选电路及特点 1）模拟电压产生电路：在电位器上产生0～2.5V的待转换电压。 2）电压比较电路：比较两个电压值进行判断并输出高电平或低电平，待转换电压Vx进入比较器正端，而经DA转换器转换出的模拟电压量Vy则进入比较器负端与Vx比较。若Vx > Vy，则比较器输出为高电平，反之为低电平。 一、总体设计概述 本设计基于8051单片机为主控芯片，霍尔元件为测速元件， L298N为直流伺服电机的驱动芯片，利用 PWM调速方式控制直流电机转动的速度，同时可通过矩 阵键盘控制电机的启动、加速、减速、反转、制动等操作，并由LCD显示速度的变化值。 二、直流电机调速原理 根据直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和它励两种类型，其机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速，总满足下式： 式中U——电压； Ra——励磁绕组本身的内阻； ——每极磁通（wb ）; Ce——电势常数； Ct——转矩常数。 由上式可知，直流电机的速度控制既可以采用电枢控制法也可以采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但是低速时受到磁场和磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。 电枢控制法在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上来控制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串连一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低，平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制法。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制（PWM）调压等。调压调速法具有平滑度高、能耗低、精度高等优点，在工业生产中广泛使用，其中PWM应用更广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上的电压的“占空比”来改变平均电． 压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如 果电机始终接通电源是，电机转速最大为Vmax，占空比为D=t1/t，则电机的平均转速：Vd=Vmax*D，可见只要改变占空比D，就可以调整电机的速度。平均转 速Vd与占空比的函数曲线近似为直线。 三、系统硬件设计 实训报告课程名称：专业实训 专业：自动化班级：103031学号：10303104姓名：徐红颖指导教师：王艳秋成绩： 完成日期：2014 年1月9 日 任务书 1 单闭环直流调速系统 对于单闭环直流调速系统来说，转速是输出量，一般我们引入的是转速负反馈构成闭环调速系统。转速负反馈系统是在电动机上安装一台测速电机TG，引出和输出量转速成正比的负反馈电压Un，和转速给定电压Ua*进行比较，得到偏差电压ΔUa，经过放大器A,产生驱动或触发装置的控制电压Uct，与控制电动机的转速，组成了反馈控制的闭环调速系统。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。而一般采用的比例调节器的调速系统还是有静差，为了消除静差，可用积分调节器替代比例调节器。 反馈控制系统的规律是如果要想维持系统中的某个物理量基本不变，就要引用该量的负反馈信号去与恒量给定相比较，组成一个闭环系统。对于调速系统来说，如果想提高静态指标，就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要想维持转速这一物理量不变化，最有效和最直接的方法就是采用转速负反馈构成转速闭环调节系统。 1.1 主电路设计 直流调速系统电路的组成主要由主电路和控制电路两大部分组成，知道了电路组成的两大部分后，就应该确定主电路的接线方式和系统的控制方案。整流变压器由变压部分和整流部分组成，其变压部分将电网电压降压并变成稳定的交流电，整流部分将变压后的交流电整流为恒定40V的直流电压供给直流电动机的励磁回路，整流变压器变压后的交流电两端另接一个单相桥式全控整流电路，输出的可调直流电加在直流电动机的电枢回路。保护环节采用的是过电压保护的一种--阻容吸收，将其并联在整流变压器二次侧起到保护电路的作用。 主电路的设计需要准备的资料： 1 单相整流模块：MZKD-ZL-50 了解其功能，技术参数，电路内部结构，外部接法，控制线管脚接法，安装说明2电机参数：直流电机，额定电压24V，额定电流6A，励磁电压24V，最大允许电流50A，了解电机不同的接线形式，重点掌握电机他激（并激）方式的接线方法。 3 电机转速测量的检测器：光电编码器（E6B2-C） 河南机电高等专科学校课程设计报告书 课程名称：《交流调速系统与变频器应用》课题名称：造纸机同步控制系统设计 系部名称：自动控制系 专业班级： 姓名： 学号： 1 2014年12月25日 目录 一、造纸机同步控制系统的设计目的 (1) 二、系统的设计要求 (1) 三、造纸机同步控制系统的系统图 (1) 四、控制系统电气原理图 (3) 五、软件设计 (4) 六、程序调试 (5) 七、力控组态及调试 (7) 八、心得与体会 (8) 附录一参考文献 (9) 附录二程序清单 (10) 一、造纸机同步控制系统的设计目的 设计四台电机构成的变频调速同步控制系统：四台电机速度可以同步升降，也可以微调，1#电机微调其他电机同步微调，2#电机微调1#不同步微调，其他电机须同步微调，3#电机微调1#和2#不同步微调，4#电机同步微调，4#电机微调，其他电机均不同步微调。 二、系统的设计要求 1、采用西门子S7-200PLC和MM440变频器。 2、设有启动/停止按钮和速度同步升/降旋钮。 3、每台电机设有选择开关和升/降微调旋钮。 4、采用力控组态软件进行远程控制 三、造纸机同步控制系统的系统图 单相AC 220V 图一、造纸机同步控制系统图 1）就地控制：即外部端子控制，把200PLC程序下载到PLC中，通过外部端子来实现电机的启停，同步增减和微调增减。 2）远程控制：即组态控制，把PLC与力控通过PPI电缆连接，通过组态界面上设置的按钮，开关，速度仪表实现速度的调节。 四、控制系统电气原理图 1)原理图 2）I/O分配图 五、软件设计 控制系统的软件设计基于以下原则： 1）程序模块化、结构化设计、其中负荷分配、速度增减、初始化、紧纸、速比计算、校验、数据发送、接收等功能由子程序完成，这样结构程序较为简洁。2）程序采用循环扫描的方式对传动点进行处理，简化程序，提高程序执行效率。3）采用中断子程序进行数据的发送、接收；确保数据准确快速的传输。 4）必要的软件保护措施，以免造成重大机械损害。该程序通用性强，可移植性好，使用不同的变频器时，只需要进行相应协议的格式定义，即对数据发送、接收、校验程序作相应修改即可满足纸机运行的需要。 电力电子应用课程设计 课题：50W三绕组复位正激变换器设计 班级电气学号 姓名 专业电气工程及其自动化 系别电气工程系 指导教师 淮阴工学院 电气工程系 2015年5月 一、设计目的 通过本课题的分析设计，可以加深学生对间接的直流变流电路基本环节的认识和理解，并且对隔离的DC/DC电路的优缺点有一定的认识。要求学生掌握单端正激变换器的脉冲变压器工作特性，了解其复位方式，掌握三绕组复位的基本原理，并学会分析该电路的各种工作模态，及开关管、整流二极管的电压电流参数设计和选取，掌握脉冲变压器的设计和基本的绕制方法，熟悉变换器中直流滤波电感的计算和绕制，建立硬件电路并进行开关调试。 需要熟悉基于集成PWM芯片的DCDC变换器的控制方法，并学会计算PWM控制电路的关键参数。输入：36～75Vdc，输出：10Vdc/5A 二、设计任务 1、分析三绕组复位正激变换器工作原理，深入分析功率电路中各点的电压 波形和各支路的电流波形； 2、根据输入输出的参数指标，计算功率电路中半导体器件电压电流等级， 并给出所选器件的型号，设计变换器的脉冲变压器、输出滤波电感及滤波电容。 3、给出控制电路的设计方案，能够输出频率和占空比可调的脉冲源。 4、应用protel软件作出线路图，建立硬件电路并调试。 三、总体设计 3.1 开关电源的发展 开关电源被誉为高效节能电源，代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。 开关电源分为DC/DC和AC/DC两大类。前者输出质量较高的直流电，后者输出质量较高的交流电。开关电源的核心是电力电子变换器。按转换电能的种类，可分为直流-直流变换器（DC/DC变换器），是将一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器；逆变器，是将直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器；整流器是将交流电转换成直流电的电能变换器和交交变频器四种。 开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前的小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领 设计任务书 一．题目： 4kw 以下直流电动机不可逆调速系统设计 二．基本参数： 三．设计性能要求： 调速范围D=10静差率s < 10%制动迅速平稳 四．设计任务： 五．参考资料： 1. 设计合适的控制方案。 2. 画出电路原理图，最好用计算机画图（号图纸） 3. 计算各主要元件的参数，并正确选择元器件。 4. 写出设计说明书，要求字迹工整，原理叙述正确。 5. 列出元件明细表附在说明书的后面。 直流电动机：额定功率 Pn=1.1kW 额定电压 Un=110V 额定电流 In=13A 转速 Nn=1500r/min 电枢电阻 Ra=1Q 极数 2p=2 励磁电压 Uex=110V 电流 Iex=0.8A 电动机作为一种有利工具，在日常生活中得到了广泛的应用。而直流电动机具有很好的启动，制动性能，所以在一些可控电力拖动场所大部分都米用直流电动机。 而在直流电动机中，带电压截止负反馈直流调速系统应用也最为广泛, 其广泛应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制。 他通常采用三相全桥整流电路对电机进行供电，从而控制电动机的转速, 传统的控制系统采用模拟元件，比如：晶闸管、各种线性运算电路的等。 虽在一定程度上满足了生产要求，但是元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂，通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特征也随着变化，所以系统的可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。直流调速系统是由功率晶闸管、移相控制电路、转速电路、双闭环调速系统电路、积分电路、电流反馈电路、以及缺相和过流保护电路。通常指人为的或自动的改变电动机的转速，以满足工作机械的要求。机械特性上通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机的机械特性和工作特性的机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化 由于本人和能力有限，错误或不当之处再所难免，期望批评和指正 燕山大学 CDIO课程项目研究报告 项目名称： H桥可逆直流调速系统设计与实验 学院（系）：电气工程学院 年级专业： 学号： 学生： 指导教师： 日期： 2014年6月3日 目录 前言 (1) 摘要 (2) 第一章调速系统总体方案设计 (3) 1.1 转速、电流双闭环调速系统的组成 (3) 1.2.稳态结构图和静特 (4) 1.2.1各变量的稳态工作点和稳态参数计算 (6) 1.3双闭环脉宽调速系统的动态性能 (7) 1.3.1动态数学模型 (7) 1.3.2起动过程分析 (7) 1.3.3 动态性能和两个调节器的作用 (8) 第二章 H桥可逆直流调速电源及保护系统设计 (11) 第三章调节器的选型及参数设计 (13) 3.1电流环的设计 (13) 3.2速度环的设计 (15) 第四章Matlab/Simulink仿真 (17) 第五章实物制作 (20) 第六章性能测试 (22) 6.1 SG3525性能测试 (22) 6.2 开环系统调试 (23) 总结 (26) 参考文献 (26) 前言 随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。 项目预期成果： 设计一个双闭环可逆直流调速系统，实现电流超调量小于等于5%；转速超调量小于等于5%；过渡过程时间小于等于0.1s的无静差调速系统。 项目分工：参数计算： 仿真： 电路设计： 电路焊接： PPT答辩： 摘要 一．摘要 变频调速是一种新兴的技术，将变频调速技术用于供水控制系统中,具有高效节能、水压恒定等优点。随着社会经济的发展，绿色、节能、环保已成为社会建设的主题。对于一个城市的建设，供水系统的建设是其中重要的一部分，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到居民的生活质量。近年来，随着自动化技术、控制技术的发展，以及这些技术在供水系统的应用，高性能、高节能的变频恒压控制的供水系统已成为现在城市供水管理的必然趋势。本次课程设计采用CPM1A PLC控制器结合富士变频器控制两台水泵的各种转换，实现变频恒压供水系统的功能，并且实现故障转换与报警等保护功能，使得系统控制可靠，操作方便。 二．设计要求 一楼宇供水系统，正常供水量为30m3/小时，最大供水量40m3/小时，扬程24米。采用变频调速技术组成一闭环调节系统，控制水泵的运行，保证用户水压恒定。当用水量增大或减小时，水泵电动机速度发生变化，改变流量，以保证水压恒定。 要求设计实现： ⑴设二台水泵。一台工作，一台备用。正常工作时，始终由一台水 泵供水。当工作泵出现故障时，备用泵自投。 ⑵二台泵可以互换。 ⑶给定压力可调。压力控制点设在水泵出口处。 ⑷具有自动、手动工作方式，各种保护、报警装置。采用OMRON CPM1A PLC、富士变频器完成设计。 三．方案的论证分析 传统的小区供水方式有： ⑴恒速泵加压供水方式 该方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，目前较少采用。 ⑵气压罐供水方式 气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，也使浪费加大，从而限制了其发展。 ⑶水塔高位水箱供水方式 水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。 综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力桥式直流PWM变换器仿真分析解析
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