电力电子课程设计可逆直流PWM调速系统

目 录第一章 电子器件.11.1 三极管 .21.2 晶闸管 .21.3 电容 .41.4 运算放大器 .41.5 单片机 .5第二章 应用软件介绍.72.1 软件简介 .72.2 PROTEUS 软件特点 .92.3 软件内部结构 .10第三章 主电路分析.113.1 电路介绍 .113.2 剔除毛刺 .13第四章 仿真总结.14结论.15致谢.16参考文献.17电力电子课程设计1第一章 电子器件以电力为对象的电子技术称为电力电子技术，它是一门利用各种电力电子器件，对电能进行电压、电流、频率和波形等方面的控制和变换的学科。电力电子技术包括电力电子器件、电路和控制三部分，是横跨电力、电子和控制三大电气工程技术之间的交叉学科，是目前最活跃、发展最快的一门新兴学科。由于电力电子器件具有体积小、重量轻、容量大、损耗小、寿命长、维护方便、控制性能好以及可采用集成电路制造工艺等优点，用它做成的装置具有可靠性高、节能、性能好等优点。图 1-1 三种单片机外形 电力电子电路是以电力电子器件为核心，通过对不同电路的各种控制来实现对电能的转换和控制，它的基本功能有以下四种：1） 整流与可控整流电路亦称交流、直流（AC/DC）变换电路，把交流电变换为固定或可调直流。2） 逆变电路称直流、交流（DC/AC）变换电路，把直流电变换成频率固定或频率可调的交流电。如把直流电能逆变成 50HZ 的交流返送交流电网称为有源逆变，把直流电能逆变为固定频率或频率可调的交流供给用电器则称为变频电路。3） 直流斩波电路亦称 DC/DC 变换电路，其功能是把固定直流变换成可调或固定直流。4） 交流调压与周波变换亦称 AC/AC 变换电路，把恒定交流变换为可变交流称为交流调压，把固定频率的交流变为频率可变的交流称为变频电路。在实际使用时可将一种或几种功能电路进行组合，上述四种电路的变换功能统称为变流，因此电力电子技术通常也称为交流技术。电力电子课程设计21.1 三极管半导体三极管也成为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。它最重要的功能是电流放大和开关作用。由于不同的组合方式，形成了一种是 NPN 型的三极管，另一种是 PNP 型的三极管。（1） 用途 图 1-2 三极管介绍三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。三极管大都是塑料封装或金属封装，常见三极管的外观，有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是 NPN 型三极管，而箭头朝内是 PNP 型。实际上箭头所指的方向是电流的方向。（2）作用三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换任然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。 图 1-3 三极管（3） 三极管电极和管型的判别管型及管极判别：管型判别一般是 NPN 还是 PNP应从管壳上标注的型号来判别。依照部分标准，三 极管型号的第二位，A、C 表示 PNP 管，B、D 表示NPN 管。 1.2 晶闸管晶闸管全称晶体闸流管，曾称可控硅，简称 SCR。晶闸管的结构与原理：晶闸管是一种功率四层半导体器件，有三个引出极，阳极（A） 、阴极（K） 、门极（G） ，常用的有螺栓式与平板式。晶闸管是电力电子器件，工作时发热大，必须安装散热器。晶闸管内部原理结构：管芯由四层半导体组成，形成三个 P-N 结。当管子阳极与阴极叫上反向电压时，阳极和阴极结处于反向阻断状态；当加上正面电电力电子课程设计3压时门极结处于反向阻断状态，管子仍不通。只有在晶闸管阳极与阴极之间必须加正向电压，门极加正向电压，才能正常导通。导通后流过晶闸管的电流由通态平均电流来标定，晶闸管的关断条件是必须使阳极电流 Ia 小于维持电流 IH，对于电阻负载，只要使管子阳极电压降为零即可。 主要参数： 图 1-4 多个晶闸额定电压UTn由于晶闸管工作温度可能升高，在使用中会出现各种不可避免的瞬时过电压，因此在选用管子的额定电压时，应比工作电路中加在管子上的最大瞬时电压值UTM大23倍，即UTM=(23)额定电流IT(AV)亦称额定通态平均电流在室温40度和规定的冷却条件下，器件在电阻负载流过正弦半波（导通角不小于170度）电路中，结温不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流值，将此值靠取相近电流等级即为器件的额定电流IT(AV).晶闸管额定电流是以通态平均电流来标定，而发热应由流过电流的有效值来决定，为此，可根据管子额定电流IT(AV)换算出额定有效电流ITn.门极触发电流 图1-5 单个晶闸管在室温下施加6v正向阳极电压，是管子完全导通所必须的最小门极电流，称门极触发电流IGT,对应的门极触发电压为UGT.在技术数据中所给出的最大触发电压和最大触发电流是不允许值，而是指该信号的所有晶闸管都能触发导通所给出的最小触发电压和电流，而且该触发电流是直流指。在实际应用中多采用脉冲电流来触发，因此触发脉冲电流幅值允许可达5倍的常规触发电流来进行触发。UGT、IGT值受温度影响很大，在冬天使用管子时，UGT、IGT值会增大，使用时要注意。通态平均电压UT(AV)在规定环境温度和标准散热条件下，管子流过额定正弦半波电流时，阳、阴极之间的平均电压成通态平均电压简称管压降，UT(AV)值小管子功耗亦小。维持电流在标准室温且门极断开时，管子从较大通态电流降至刚能保持导电力电子课程设计4通的最小阳极电流称维持电流IH.晶闸管加上触发脉冲使其开通的过程中，当脉冲消失此时要保持管子维持导通所需的最小阳极电流值称为掣住电流IL,如管子在开通过程中阳极电流Ia未上升到IL值，当触发脉冲去除后管子又会恢复阻断。1.3 电容电容元件也成为电容，所以电容这一术语及其代表符号 C，一方面表示电容元件，另一方面也表示电容元件的参数电容量。实际的电容器均标出电容量和额定工作电压两个参数。使用时应注意电容器的电压不应超过其额定值，否则电容器的介质就有可能损坏或击穿，失去电容器的功能。电容可分为两种连接形式：电容的串联和电容的并联。（1）电容的串联把两个电容串联的电容看成是一个等效电容 C，则根据电容的定义，有Uc=（1/C）q比较式，可得1/C=1/C1+1/C2若有 n 个电容串联，则有 n 个电容分之一相加。Uc1=（C2*Uc）/（C1+C2）Uc2=（C1*Uc）/（C1+C2）即在两个电容相串联的电路上，每个电容分配到的电压计算是在形式上与并联电阻的分流公式相似。（2）电容的并联把两个并联的电容看成是一个等效电容 C，根据等效的概念，电容 C 极板上的电荷应是 q1 和 q2 之和，且 uc1=uc2=uc，于是C=q/uc=C1+C2当 n 个电容并联，则有 C 等于 n 个电容值之和。1.4 运算放大器运算放大器简称运放，是具有很高方的倍数的电路单元。在实际电路中通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于早起计算机中用以实现数学运算，故得名“运算放大器” 。运放是一个从功能的角度命名的电路单元可以有分离的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛运用于电子行业，运算放的起最早被设计出出来的目的是：将电压类比成数据，用来进行加减乘除的运算，同时也成为实电力电子课程设计5现电子计算机的基本构建方块。 1.5 单片机单片机定义是：将中央处理、随机存储器、只读存储器、中断系统、定时器/计数器以及 I/O 接口电路等微型计算机的主要部件集成在一块芯片上，使其具有计算机的基本功能，就叫做单片微型计算机，简称单片机。单片机应用于：（1）工业控制。单片机可以构成各种工业控制系统、数据采集系统等。（2）仪器仪表。如智能仪表、医疗器械、数字示波器等。 图 1-6 AT89C51 图（3）计算机外部设备与智能接口。如图形终端机、传真机、复印机、打印机、绘图仪、智能终端机等。（4）商用产品。如自行销售机、电电子收款机、电子秤等。（5）消费类电子产品。（6）通讯设备和网络设备。图 1-7 单片机实物图电力电子课程设计6（7）家用电器。如微波炉、电视机、空调、洗衣机、录像机、音响设备等。（8）汽车、建筑机械、飞机等大型机械设备。（9）儿童智能玩具。（10）交通控制设备。（11）智能楼宇设备。电力电子课程设计7第二章 应用软件介绍2.1 软件简介2.1.1 Keil 简介Keil 软件是目前最流行开发系列单片机的软件，Keil 提供了包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。而 Proteus 与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机 CPU 的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。（1）建立工程文件点击“Project-New project”菜单，出现一个对话框，要求给将要建立的工程起一个名字，你可以在编缉框中输入一个名字,点击“保存”按钮，出现第二个对话框，按要求选择目标器件片。建立新文件并增加到组。分别设置“target1”中的“Target,output,debug”各项，使程序汇编后产生 HEX 文件。（2）汇编，调试系统程序Keil 单片机模拟调试软件内集成了一个文本编辑器，用该文本编辑器可以编辑源程序。在集成开发环境中选择菜单“File New.”、单击对应的工具按钮或者快捷键Ctrl +N 将打开一个新的文本编辑窗口，完成汇编语言源文件的输入，并且完成源程序向当前工程的添加。然后在集成开发环境中选择菜单“FileSave As.”可以完成文件的第一次存储。注意，汇编语言源文件的扩展名应该是“ASM”，它应该与工程文件存储在同一文件夹之内。在完成文件的第一次存储以后，当对汇编语言源文件又进行了修改，再次存储文件则应该选择菜单“FileSave”、单击对应的工具按钮或者快捷键Ctrl +S 实现文件的保存。接着的工作需要把汇编语言源文件加入工程之中。选择工程管理器窗口的电力电子课程设计8子目“Source Group 1”，再单击鼠标右键打开快捷菜单。在快捷菜单中选择“Add File to Group Source Group 1”，加入文件对话框被打开。在这个对话框的“查找范围（I）”下拉列表框中选择存储汇编语言源文件的文件夹，在“文件类型（T）” 下拉列表框选择“Asm Source file（*.a*；*.src）”，这时存储的汇编语言源文件将显示出来。双击要加入的文件名或者选择要加入的文件名再单击“Add”按钮即可完成把汇编语言源文件加入工程。文件加入以后，加入文件对话框并不消失，更多的文件也可以利用它加入工程。如果不需要加入其它文件，单击“Close”按钮可以关闭加入文件对话框。这时工程管理窗口的文件选项卡中子目录“Source Group 1”下出现一个汇编语言源文件。 需要注意，当把汇编语言源文件加入工程但还没有关闭加入文件对话框，这时有可能被误认为文件没有成功地加入工程而再次进行加入操作，系统将显示所需的文件已经加入的提示。在这种情况下，单击提示框中的“确定”按钮，再单击“Close”按钮可以关闭加入文件对话框。（3）编译源程序，出现错误时，返回上一级对错误更改后重新编译，直到没有错误为止。2.1.2 proteusproteus 简介简介 protues是Labcenter公司出品的电路分析、实物仿真系统，而KEIL是目前世界上最好的51单片机汇编和C语言的集成开发环境。图 2-1 打开 proteus他支持汇编和C的混合编程，同时具备强大的软件仿真和硬件仿真功能。Protues能够很方便的和KEIL、Matlab IDE等编译模拟软件结合。Proteus提供了大量的元件库有RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件，它可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU，与keil和MPLAB不同的是它还提供了周边设备的仿真，只要给出电路电力电子课程设计9图就可以仿真。这里我将 keil 和 Protues 两个软件的快速集成起来使用。（1）首先将 keil 和 Protues 两个软件安装好。（2）然后在 C：Program FilesLabcenter EletronicsProtues 6 ProfessionalMODELS 目录下的 VDM51.DLL 动态连接库文件复制到C:KEILC51BIN 目录下面这个文件将在 keil 的 debug 设置时用到。（3）打开 protues 软件，新建一文件将硬件原理图绘入图中。（4）将 KEIL 生成的 HEX 文件下载入单片机中，点击“开始”进行仿真。（5）在 keil 中进行 debug，同时在 proteus 中查看直观的结果。这样就可以像使用仿真器一样调试程序。利用 Proteus 与 Keil 整合进行实验，具有比较明显的优势，当然其存在的缺点也是有的。利用仿真实验可以做全部的软件实验和极大多数的硬件系统，虚拟仿真实验室，因极少硬件投入、所以经济优势明显，不仅可以弥补实验仪器和元器件缺乏带来的不足，而且排除了原材料消耗和仪器损坏等因素。图 2-2 添加元器件2.2 PROTEUS 软件特点其功能特点如下: Proteus 软件具有其它 EDA 工具软件的功能。这些功能是：电力电子课程设计10（1）原理布图（2）PCB 自动或人工布线（3）SPICE 电路仿真具有 3 大功能模块:（1）个易用而又功能强大的 ISIS 原理布图工具；（2）PROSPICE 混合模型 SPICE 仿真;（3） ARES PCB 设计. 2.3 软件内部结构Proteus 提供了丰富的资源: （1） Proteus 可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有 30 多个元件库。（2） Proteus 可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI 调试器、I2C 调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。图 2-3 在元件库中寻找运算放大器（3）除了现实存在的仪器外，Proteus 还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。 电力电子课程设计11（4）Proteus 可提供的调试手段 Proteus 提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。用电为调节 AT89C51 的 PWM 输出占空比，将 A/D 转换后的数据作为延时常数。当电位器阻值发生变化时，系统的输出值也相应的发生变化，进而调节单片机输出的 PWM 占空比，控制直流电机的转速。第三章 主电路分析3.1 电路介绍在课程设计开始的时候我组成员对课程题目进行了深刻的分析与讨论。首先，我们从DC-DC直流斩波开始进行分析，将一种直流电转换成另一种直流电。其次，着手于电机的转动，设想怎样才能使电机运转？我们利用的是斩波后利用集成运算放大器把pwm信号进行运放。图3-1 可逆直流PWM调速系统原理图最后，我们实现了电机的单向运转，可是没有完全实现可逆直流PWM调速系统。进而，我们将上述方案进一步完善，分析如下：第一，我们了解到用电压调节AT89C51的PWM输出占空比，将A/D转换后的数据作为延时常数。当电位器阻值发生变化时，系统的输出值也相应的发生变化，进而调节单片机输出的PWM占空比，控制直流电机的转速。电力电子课程设计12（a） （b）图 3-2 电机慢速转动及波形图（a）和电机快速转动及波形图（b）第二，利用单片机AT89C51的定时器1控制P2.0串口来产生PWM信号用全控晶闸管来控制信号的给定。第三，在编写程序时，设定一个变量通过按键实现变量大小的变化，间接地调节PWM信号：当按下一下按键Button1可使变量（PWM）变大，连续按Button1时高电平占空比不断增大；当按下一下按键Button2可使PWM不断增小，连续按Button2时高电平占空比变小；从而得到不同的PWM波形来调速。图 3-3 可逆直流 PWM 调速系统控制电路的原理图电力电子课程设计13 给定的 Vcc 信号通过晶闸管进行直流斩波，将斩波后的电流传入到主电路中，进而驱动电机运转。与此同时，双向开关控制电机的正、反转动。3.2 剔除毛刺此设计构建了一个小功率电动机可逆直流 PWM 调速系统，并通过实验最终实现可逆 PWM 控制的各种典型控制模式。可是，利用单片机 AT89C51 的定时器 1 控制 P2.0 串口来产生 PWM 信号后没有使用用全控晶闸管来控制信号的同时，产生了一定的毛刺（谐波），图如下（a）所示： （a） （b）图 3-4 带有毛刺波形（a）与消除毛刺波形（b）为了解决这一问题，我组成员将本学期所学的电力电子知识进行了应用。最终寻找到了晶闸管这一电子器件，将其放置在与单片机 AT89C51 的定时器 1 控制P2.0 串口来产生 PWM 信号的输出端且与 Vcc 信号相接。在此方针实现了毛刺的提出，如上图（b）所示。电力电子课程设计14第四章 仿真总结 通过以上结果分析比较，可逆直流 PWM 调速系统中最为关键的是可逆直流电路和 PWM 技术的应用。图 3-5 主电路图可逆直流电路是由直流转换为直流可影响电路中的电流输出值。PWM 技术是把正弦波分为 N 等份，就可以把正弦半波看成是由 N 个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，这些脉冲序列宽度相等，都等于 /N,但幅值不等，脉冲顶部是曲线，按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相关数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，所得到的脉冲序列，就是 PWM 波形。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM 波形。 又有 3.2 中成败两电路的分析过程，可以进行两者的比较，得出相应的结论：从第一个失败的电路可知，我们无法进行电机的可控调速和正反转功能；然而，第二个成功的电路图，则补充了相应的功能，电机会随着双向开关的快关来进行正/反转动，最后实现了电机可逆直流 PWM 调速系统。电力电子课程设计15 结论本次我们组进行了可逆直流 PWM 调速系统电子课程的设计。通过此次课程设计，培养了我与其他同学的团队合作精神。我们了解了关于常用电子器件识别与检测，proteus 软件的应用和电力电子技术基础知识的运用，虽说并没有十分熟练的掌握，但常用知识能进行应用。因此，本次课程设计培养了我们的思考及动手能力，进一步了解了现代脉宽调制技术的概念，对我们将来学习电工电子类课程有了提前的认识。电力电子课程设计16致谢 本文是在指导老师悉心指导下完成的，此报告固然体现了本人的劳动与汗水，也同样凝聚着老师的心血，在写报告的阶段得到了老师很大的帮助。指导老师精深的专业知识，严谨的治学态度以及兢兢业业的工作精神，经永远在今后的工作与学习中继续激励和鞭策着我，对于老师给予的教诲和帮助，学生深表谢意！ 同样深切感谢同组实训成员：文龙、闫骄梅、李旭升、余鹏，给予我的大力支持与慷慨帮助，在此，向我组成员表示最诚挚的感谢和由衷的敬意。 谨此对指导老师表示衷心的感谢！电力电子课程设计17参考文献1 莫正康.电力电子及应用技术M.机械工业出版社,2000。2 冯丽平.交直流调速系统M.电子工业出版社，2009。3 周国运.单片机原理及应用M.中国水利水电出版社，2009。4 王志良.电力电子新器件及其应用技术M.国防工业出版社，1995。5 孔凡才.自动控制原理与系统M.机械工业出版社，1999。6 王耀德.交直流电力拖动控制系统M.机械工业出版社，2000。