毕业设计（论文）-汽车尾气废热发电电力调节器的研制

武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）目录摘要 .IABSTRACT .II1 绪论.11.1 研究背景及意义 .11.2 热电应用发展现状 .11.3 DC/DC 变换器控制方法研究现状.21.4 本文主要研究内容 .42 系统建模与设计 .62.1 方案设计.62.2 主电路选型与分析.72.2.1 主电路选型.72.2.2 BUCK 电路分析.82.2.3 保护电路设计 .113 控制系统设计 .133.1 控制器设计 .133.1.1 显示电路.143.1.2 CAN 及通信电路 .153.1.3 驱动电路设计.153.1.4 传感电路设计.173.1.5 辅助电路设计.204 相关参数计算 .214.1 主电路参数.214.2 保护电路参数.244.3 PID 参数 .244.3.1 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.285 仿真分析 .295.1 BUCK 电路仿真.295.2 PID 仿真 .305.2.1 电压模式.305.2.2 电流模式.326 软件设计及测试 .346.1 软件设计 .346.2 软件部分测试 .357 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全套设计加扣 3012250582武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）IIAbstractThermoelectric 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 ）11 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）Q1D1CRig(t)i(t)V(t)+-开关变换器功率开关管驱动器dVref+-+-误差放大器比较器锯齿波VeVpVsaw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）Q1D1CRig(t)i(t)V(t)+-+-+误差放大器比较器SRQQsVeVrefVsR图 1-3 电流型控制电路+-+sVeVrefVsRsawVsi电流积分器比较器pV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1%，输出功率 1000w，也可通过 CAN 总线将调节器控制在电流模式下，输出武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）5电流由用户通过 CAN 总线控制，变化范围 0-25A，纹波电流1%。调节器采用 buck 降压架构，设计电路参数，建立电路模型并仿真；设计 PID 控制器，通过仿真确定 PID 参数。本文将详细的介绍设计的相关具体内容和设计的步骤以及仿真，包括 BUCK 电路的建模分析，保护电路设计，控制系统设计，参数计算以及相关的仿真。完成任务书所要求达到的功能和相关指标，本文主要研究内容如下：（1）系统的建模与设计，主要内容为整体方案的设计，即要达到任务书的要求所需要的基本硬件电路和软件设计，所需要的基本系统电路主要分为电源电路、功率电路、驱动电路、保护电路、传感电路、控制电路、显示电路、通信电路等，后续章节将详细介绍相关具体内容。（2）BUCK 电路的建模与分析，主要分析 BUCK 电路在电流连续模式下，开关器件在开通和关断时的系统建模以及电压和电流模式控制策略，还对 BUCK 电路的主要器件的保护电路进行相关的设计。（3）控制系统的设计，控制系统选用 DSC 作为控制系统的处理器，DSC 拥有较高的性能完全可以满足本设计所需要的相关功能，以控制器为核心器件设计了显示电路、CAN 通信电路、IGBT 驱动电路、温度传感器以及电流电压传感电路的设计。（4）相关参数的计算，参数的计算包括 BUCK 电路的相关参数的计算和控制器软件设计时需要的 PID 参数计算，参数的计算需要进行先关的分析和仿真并参考相关的资料，参数的计算为系统的仿真进行提供了正确的参数。（5）系统软件的设计及调试，软件设计过程中先要画出软件流程图，然后根据流程图进行相关的软件的编写，系统要实现的功能需要对控制器进行编程才能实现，包括CAN 通信、A/D 转换、PWM、数字 PID、温度传感器读写、液晶显示，软件的编写在,MPLAB 集成环境下进行，软件的调试在设计的电路板上进行。武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）62 系统建模与设计2.1 方案设计根据任务书要求可知，系统主电路是降压斩波电路，控制系统要求具有相关的控制精度以及相关的通信等基本功能。故系统主要分为电源电路、功率电路、驱动电路、保护电路、传感电路、控制电路、显示电路、通信电路等模块组成，系统框图如下图所示：控制器传感电路显示电路驱动电路通信电路斩波电路负载图 2-1 系统框图控制器是整个系统的核心，一般设计中采用单片机处理器，在数字电源设计中常用的芯片是 DSP，因为 DSP 有强大的数据处理功能和运算能力。DSPIC 是是 PIC 单片机与DSP 的结合体，它具有 16 位单片机的高性能控制功能，又具有 DSP 的计算能力和数据吞吐能力，用其设计数字控制系统可以缩短开发周期降低开发成本，节省电路板空间6。通信电路是为了方便系统集成而设计的，本设计要求采用 CAN 总线通信模式，而所选控制器自带 CAN 通信模块，只需添加 CAN 收发器即可，本设计中采用 MCP2551 作为CAN 收发器。显示电路模块为人机交互界面，可以实时的显示系统运行的相关参数和信息，本设计中将采用 LCD 液晶模块作为显示电路，方便在系统运行和调试过程中方便查看系统数据。驱动电路主要是驱动功率电路中的开关器件，由于本设计采用的是数字控制器，所以驱动电路执行的只有驱动任务，由于功率开关器件的驱动电压和电流由严格的要求，所以驱动电路需要符合相关的标准。目前在数字开关电源中采用的较多的是集成的电路驱动模块，这种模块一般带有光耦隔离以及电流电压保护模块，简化了开发过程中的步骤，使用更加方便。降压电路是系统的功率电路，常用的降压电路有 BUCK、CUK 降压斩波电路，两种斩波电路有各自的适用场合，同时可以选择不同的功率开关器件，对于各自的优缺点将在下文中介绍和讨论武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）7传感电路主要的功能是采集电路中的相关信息，供给控制器处理，同时构成一个闭环系统，根据设计要求需要用到的传感器主要有电压传感器、电流传感器以及温度传感器。 2.2 主电路选型与分析2.2.1 主电路选型根据任务书要求，本设计是属于 DC-DC 变流器系统设计，由于半导体温差发电器在汽车发动机发动后能在短时间之内输出电压就可以达到 48V 以上，所以变流器可直接采用降压电路设计以减少设计的成本和复杂程度常见的降压斩波电路主要有 BUCK 和 CUK斩波电路，其中 CUK 为升降压斩波电路。Cuk 斩波电路也称 Cuk 变换器。美国加州理工学院 Slobodan Cuk 提出的对Buck/Boost 改进的单管不隔离直流变换器，在输入输出段均有电感，可以显著减小输入和输出电流的脉动，输出电压的极性和输入电压相反，输出电压既可以低于也可以高于输入电压。Cuk 变换器可看做是 Boost 变换器和 Buck 变换器串联而成，合并了开关管7。CRLVinLC图 2-2 Cuk 电路虽然 CUK 电路的输出电压和电流波形是连续的，但是从上图可以看出，CUK 电路需要用到两个电感和电容，设计成本相对较高，而且 CUK 电路中的开关器件和二极管的开关容量很大，器件必须承受的电压很高，流过的电流峰值也很高，特别是在二极管的值较大时，这是 CUK 电路的弱点。BUCK 电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值 Uo 总是小于输出电压UD 通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感 L 和电容 C 的数值。简单的 BUCK 电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，当加入 PID 控制器，实现闭环控制。可通过采样环节得到 PWM 调制波，再与基准电压进行比较，通过PID 控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现 BUCK 电路闭环 PID 控制系统8。武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）8图 2-3 buck 电路BUCK 电路的结构比较简单，运用广泛，是设计中常采用的电路结构，本设计将采用这种降压斩波电路。2.2.2 BUCK 电路分析下面将分别讨论 Buck 变换器的非线性化的模型，及相关的三个输出电压控制策略。Buck 变换器主电路拓扑研究：Buck 变换器主拓扑如图 2-4 所示：IzCRLVinrcV图 2-4 Buck 变换器在电流连续的模式下（CCM）即开关开通的时候，电感电流连续变换器表现为两个电路状态。第一个状态是当 MOSFET 开通的情况（图 2-5(a)） 。第二个状态是当MOSFET 关断的情况（图 2-5（b） ） 。IzCRLVinrcViVc（a）CRLIzrcVi（b）图 2-5 Buck 变换器状态：(a)MOSFET 导通时 （b）MOSFET 关断时两种状态的状态空间表达式分别为：武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）9（2-1）1()()()110()()()cccccinczccccRrRrRiL RrL RrLL RrVivIRvC RrC RrC Rr&（2-2）0()()()110()()()cccccinczccccRrRrRiL RrL RrL RrVivIRvC RrC RrC Rr&式中 i 和 Vc分别代表电感电流和电容电压，电流源 Iz代表负载电流扰动，rc是输出电容的等效串联电阻（ESR） 。对（1）式和（2）式进行加权平均，则得出 Buck 变换器的平均状态空间方程为9：（2-3）()()()110()()()cccccinczccccRrRrRdiL RrL RrLL RrVivIRvC RrC RrC Rr&注意式（1-/03）是一个非线性方程，因其包含了 d 和 Vin，而 d 与 Vin是不相关的变量。电路的传递函数为： （2-4）211inCvdVsCRGLss LCR电压模式控制策略（VMC）：VMC 控制策略如图 2-6 所示。CRLVinrcVControllerH(s)PWM ModulatorVpVrefVcd图 2-6 使用 VMC 控制的 Buck 变换器具体做法如下：首先将变换器的输出电压 V 反馈回来，并与参考电压 Vref 做差，这两个电压的差值称为误差电压；然后控制环节 H（s）根据误差电压得出控制电压 Vc；紧武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）10接着控制电压 Vc与锯齿波相比较以产生 PWM 信号d；最后由 d 来控制 MOSFET 的开关动作。我们定义 d 与 Vc 的商为 PWM 调制增益，表达式为： （2-5）1cpdVV其中 Vp是锯齿波电压的幅值。图 2-7 所示的控制器可以用来补偿 Buck 变换器的主要的二阶特性。R1R3R2R4C1C2VVrefVc图 2-7 包含双极点和双零点的控制器控制环节有 2 个极点（）和 2 个零点（） ，传递函数如下：12,pp12,zz （2-6）1212(1)(1)( )(1)(1)czzppssVH sKssV其中 K=R3/(R1+R2)，=1/R4C2，=1/R2C1，=1/(R3+R4)C2和=(R1+R2)z12z1p1p/R1R2C2。在设计控制器的时候，第一个极点通常被放置在低频区用来增强系统的 DC1p增益，第二个极点用来抵消由输出电容的 ESR 引入的零点的作用。两个零点用来抵2p消由 LC 滤波器引入的两个极点10。电流模式控制策略（CMC）：CM 控制策略如图 2-8 所示:武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）11CRLVinrcVControllerH(s)VrefClock PulseIrefIfbQS RdT(1-d)TIIpdT(1-d)TIref(c)iIfb(b)(a)图 2-8 （a）使用 CMC 的 Buck 变换器；（b）电感电流波形；（c）开关电流波形在一个开关周期开始的时候，时钟信号将触发器置位（Q=1）使 MOSFET 开通。在开关开通的这段时间内，流过开关的电流等于电感电流，并呈线性增长；与此同时我们将开关电流 Ifb与来自控制器控制信号 Iref作比较。当 Ifb稍大于 Iref的时候，比较器输出高电平，触发器被复位（Q=0） ，MOSFET 被关断，这标志了一个开关周期的结束。以后的开关周期都遵循这个过程周而复始。由稳态时电感电流的波形（如图 2-8（b）所示）可得出平均电感电流11： （2-7）()2inpVV dTIIL其中 Ip是电感电流的峰值，T 是开关周期。由开关电流的波形（如图 5（c）所示）可得出 Ip与 Iref的关系： （2-8）fbsrefIR IpI其中 Rs是电流传感增益。将（7）代入（6）可得（2-9）2()()refinsILdIVV TR在 CMC 中，因为电感电流是被控量，所以它不再是独立的变量。因此，使用 CMC的 Buck 变换器是一个一阶系统，即是说，它的动态特性主要受变换器的输出电容的影响。武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）122.2.3 保护电路设计IGBT（绝缘栅双极性晶体管）是一种用 MOS 来控制晶体管的新型电力电子器件，具有电压高、电流大、频率高、导通电阻小等特点，因而广泛应用在变频器的逆变电路中。但由于 IGBT 的耐过流能力与耐过压能力较差，一旦出现意外就会使它损坏。为此，必须但对 IGBT 进行相关保护。IGBT 过流保护一般其驱动电路中有，本设计中 IGBT 驱动电路带有过流保护，故此处只讨论过压保护装置。IGBT 在由导通状态关断时，电流 Ic 突然变小，由于电路中的杂散电感与负载电感的作用，将在 IGBT 的 c、e 两端产生很高的浪涌尖峰电压 Uce=L dic/dt，加之 IGBT 的耐过压能力较差，这样就会使 IGBT 击穿，因此，其过压保护也是十分重要的。过压保护可以从以下几个方面进行：（1）尽可能减少电路中的杂散电感。作为模块设计制造者来说，要优化模块内部结（如采用分层电路、缩小有效回路面积等），减少寄生电感；作为使用者来说，要优化主电路结构（采用分层布线、尽量缩短联接线等），减少杂散电感。另外，在整个线路上多加一些低阻低感的退耦电容，进一步减少线路电感。所有这些，对于直接减少 IGBT的关断过电压均有较好的效果12。（2）采用吸收回路。吸收回路的作用是；当 IGBT 关断时，吸收电感中释放的能量，以降低关断过电压。常用的吸收回路有两种，如图 2-10 所示为充放电吸收回路。对于电路中元件的选用，在实际工作中，电容 c 选用高频低感圈绕聚乙烯或聚丙烯电容，也可选用陶瓷电容，容量为 2uF 左右。电容量选得大一些，对浪涌尖峰电压的抑制好一些，但过大会受到放电时间的限制。电阻 R 选用氧化膜无感电阻，其阻值的确定要满足放电时间明显小于主电路开关周期的要求，可按 RT/6C 计算，T 为主电路的开关周期。二极管V 应选用正向过渡电压低、逆向恢复时间短的软特性缓冲二极管13。（3）适当增大栅极电阻 Rg。实践证明，Rg 增大，使 IGBT 的开关速度减慢，能明显减少开关过电压尖峰，但相应的增加了开关损耗，使 IGBT 发热增多，要配合进行过热保护。Rg 阻值的选择原则是：在开关损耗不太大的情况下，尽可能选用较大的电阻，实际工作中按 Rg=3000/Ic 选取。 .CR1V0 图 2-10 吸收回路武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）13除了上述减少 c、e 之间的过电压之外，为防止栅极电荷积累、栅源电压出现尖峰损坏 IGBT，可在 g、e 之间设置一些保护元件，电路如图 2-11 所示。电阻 R 的作用是使栅极积累电荷泄放，其阻值可取 4.7k；两个反向串联的稳压二极管 V1、 V2。是为了防止栅源电压尖峰损坏 IGBT。 RgV1V2RPWM 图 2-11 防栅极电荷积累与栅源电压尖峰的保护IGBT 的损耗功率主要包括开关损耗和导通损耗，前者随开关频率的增高而增大，占整个损耗的主要部分；后者是 IGBT 控制的平均电流与电源电压的乘积。由于 IGBT 是大功率半导体器件，损耗功率使其发热较多（尤其是 Rg 选择偏大时），加之 IGBT 的结温不能超过 125，不宜长期工作在较高温度下，因此要采取恰当的散热措施进行过热保护。在实际工作中，我们采用普通散热器与强迫风冷相结合的措施，并在散热器上安装温度开关。当温度达到 7580时，通过 驱动电路的关闭信号停止 PMW 发送控制信号，从而使驱动器封锁 IGBT 的开关输出，并予以关断保护，故设计中还需要有 IGBT 的稳定传感器14，本文将在传感器电路设计章节讲解。3 控制系统设计3.1 控制器设计Microchip 公司推出的 dsPIC 数字信号控制器(DSC)即拥有 16 位闪存单片机功能强大的外围设备和快速中断处理能力的高性能，又兼具数字信号处理器 DSP 的计算能力和数据吞吐能力，融合了可管理高速计算活动的数字信号处理器功能，指令执行速度可达30MIPS，配备自编程闪存，并能在工业级温度和扩展级温度范围内工作。DSPIC 目前被广泛运用于电机调速系统和电源变换领域。本设计采用 dsPIC30F6014A 数字信号控制器（DSC）器件作为核心处理器。dsPIC30F 器件在其高性能 16 位单片机（MCU）架构中，融合了丰富的数字信号处理器DSP 功能，dspic30f6014 芯片具有多达 62 个向量的中断向量表，包括 8 个处理器异常和软件陷阱、用户可悬着优先级的定时器、输入捕捉、A/D 转换、通信操作、输出比较、PWM 故障以及外部中断等。DSC 自带的 10 位 A/D 转换器、CAN 模块、DSP 引擎以及PWM 模块可完全实现系统所需功能15。其管脚如下图所示：武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）14 图 3-1 DSPIC30F6014A 管脚图实际运用电路中，还应增加一些相应的时钟电路、复位电路以及抗干扰电路：武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）15图 3-2 工作电路3.1.1 显示电路为了方便读取参数和监视系统，本设计采用 LCD 液晶显示器 128X64 来实时显示相关参数。带中文字库的 128X64 是一种具有 4 位/8 位并行、2 线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。 内置 8192 个 16*16 点汉字，和 128 个 16*8 点 ASCII 字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示 84 行1616 点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。图 3-3 LCD 液晶模块管脚武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）163.1.2 CAN 及通信电路控制器局域网 CAN（Controller Area Network）作为一种多线路网络通信系统，以其时分多主、非破坏性总线仲裁和自动检错重发等灵活、可靠的通信技术，及低廉的价格，被广泛地应用于工业自动化生产线、汽车、传感器、医疗设备、智能化大厦、电梯控制、环境控制等分布式实时系统。汽车电子设备（即引擎控制单元、传感器和防滑系统等）均是使用 CAN 以最大比特率（1Mb/s）连接的。CAN 网络可以用来取代汽车中的线路连接以有效节约成本。DSPIC30F6014A 自带 CAN 模块,CAN 模块式实现 BOSCH 规范定义的 CAN2.0A/B 协议的通信控制器。模块支持 CAN 协议 CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0B Passive 和CAN2.0B Active 版本。该模块实现的是 1 个完全 CAN 系统。设计中采用 MCP2551 作为 CAN 收发器与 DSPIC 芯片配合使用，MCP2551 是一个可容错的高速 CAN 器件，可作为 CAN 协议控制器和物理总线接口。MCP2551 可为 CAN 协议控制器提供差分收发能力，它完全符合 ISO-11898 标准，包括能满足 24V 电压要求。它的工作速率高达 1 Mb/s。典型情况下， CAN 系统上的每个节点都必须有一个器件，把 CAN 控制器生成的数字信号转化成为适合总线传输（差分输出）的信号。它也为CAN 控制器和 CAN 总线上的高压尖峰信号之间加入了缓冲器，这些高压尖峰信号可能是由外部器件产生（EMI、ESD 和电气瞬态等）16。其电路图如下所示：图 3-4 CAN 通信3.1.3 驱动电路设计M57962AL 是日本 ISAHAYA 株式会社生产的一种 IGBT 驱动集成电路(HybridIntegrated Circuit For Driving IGBTModules 简称 HIC),应用在 N 沟道 IGBT 模块的驱动电路中。M57962AL 的输入与输出实现了光电隔离,耐压 Viso 达到 2500Vrms(60s)。M57962AL 具有 IGBT 短路保护功能, 在发生短路故障时从 M57962AL 第 8 管脚输出一武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）17个低电平故障信号, 同时降低第 5 管脚输出的驱动电压。M57962AL 开关频率最高可以达到 20kHz,tPLH 不超过 1ms,tPHL 不超过 1.3ms,tr 和 tf 都不超过 1ms,是一个比较理想的高速驱动电路。M57962 A L 可驱动 600V/1200V 的 IGBT 模块,电流分别可以达到600A/400A。M57962AL 可采用单电源供电或双电源供电,图 1 为使用 M57962AL 驱动GA150LD120ST 模块的电路图,采用双电源+15V,-9V 供电方式。使用-9V 作为关断电压,提高了抗干扰能力,确保可靠关断,保证了电路可靠工作。在图 1 电路中,R3=2,C1=1nF,C2=C3=100nF,E1=E2=100mF,Z1=Z2=Z3=30V。R3 起到栅极电阻 Rg 的作用。R3 较小时,可减少 IGBT 开关时间,降低开关损耗,但 R3 过小将导致 IGBT 集电极 di/dt增大,由此产生的较高尖峰电压可能损坏 IGBT;R3 较大时, 则正好相反, 降低了尖峰电压值, 但也造成 IGBT 开关损耗增加。在本电路中 R3 取 2。在正常工作情况下,M57962AL 管脚 5 根据管脚 13、14 的输入电平而改变输出电平。在输出高电平情况下, Q 1 导通, Q 2关断,IGBT 门极处的电压为+15V,进入开状态;输出低电平情况下,Q2 导通,Q1 关断,IGBT 门极处的电压为-9V,进入关状态。在实际电路中试验, 控制信号开关频率达到 20KHZ 情况下使用示波器捕捉 IGBT 门极的电压波形进行观察,确认驱动电路满足了 IGBT 驱动要求,工作正常。在发生短路故障情况下,M57962AL 管脚 1 用作短路检测, 短路发生时或流过IGBT 电流过大时,IGBT 的集电极电压上升,当集电极电压超过 15V,M57962AL 进入保护状态, 故障输出管脚 8 输出低电平, 同时驱动输出管脚 5 电平下降,Q2 导通,IGBT 关断。管脚 2 通过电容 C1 连接到+15V。C1 电容大小将决定 ttrip 大小。如不接电容 C1 ,ttrip=2.6ms;C1 越大,ttrip 也越大,短路保护的动作时间越长。短路保护发生后 12ms,输入信号为低时 M57962AL 将复位,重新进入下一轮短路检测, 管脚 8 将恢复高电平17。如果短路故障消失,M57962AL 将恢复正常工作状态,如果故障依然存在,将再次进入短路保护状态。在故障一直存在的情况下,管脚 8 将出现连续的脉冲信号,周期 12ms。因为管脚 8 与 IGBT 是没有实现光电隔离的, 为了安全起见,管脚 8 的输出通过光耦 U1 光电隔离后将信号送出。M57962AL 作为一个 IGBT 的驱动集成电路,其周边电路并不复杂。而且自带的短路保护功能, 降低了 IGBT 损坏风险, 相应提高了系统可靠性。武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）18接口电路锁存检测电路定时复位电路门关断电路1413421586光耦图 3-5 M57962L 的结构框图M57962AL 的引脚图如图 3-6 所示：12 3456789 1013 14图 3-6 M57962AL 引脚图M57962AL 是厚模单列直插式封装，从左至右依次编号，其中 912 为空端。1 端和2 端：故障检测输入端；4 端：接正电源 VCC；5 端：驱动信号输出端；6 端：接负电源VEE；8 端：故障信号输出；13 端和 14 端：驱动信号输入端。图 3-7 IGBT 驱动电路武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）19电源去耦电容 C4 C7 采用铝电解电容器，容量为 100 uF/50 V，R14 阻值取 1 k，R13 阻值取 1.5k，R9 取 5.1 k，电源采用正负 l5 V 电源模块分别接到 M57962L的 4 脚与 6 脚，逻辑控制信号 IN 经 l3 脚输入驱动器 M57962AL。双向稳压管 Z1 选择为9.1 V，Z2 为 18V，Z3 为 30 V，防止 IGBT 的栅极、发射极击穿而损坏驱动电路，二极管采用快恢复的 FR107 管。3.1.4 传感电路设计本设计中采用的是非接触式的霍尔电流和电压传感器，避免控制器被外界信号干扰。近年来，新一代功率半导体器件进入电力电子领域后，交流变频调速、逆变装置、开关电源等日渐普及，原有的电流、电压检出元件，已不适应中高频、高出 di/dt 电流波形的传递和检测。霍尔电流电压传感器模块，是近十几年发展起来的测量控制电流、电压的新一代工业用电量传感器，是弥补这一空缺的高性能电检测元件18。霍尔电流、电压传感器变送器模块的使用方法：电流、电压传感器只需外接正负直流电源，被测电流母线从传感器中穿过或接于原边端子，副边端子再做简单连接，即可完成立电路与控制电路的隔离检测，简化了电路设计。若与变送器配合使用，经 A/D 变换，可方便地与计算机和各种仪表接口，并可以长线传输。（1）磁补偿式电流传感器传感器有三个接线端子：“十” 端：正电源输入端；“一” 端：负电源输入端；M 端：信号输出瑞。接线方法如图 3-8 所示：+-M OUT被测电流+15VGND-15V图 3-8 磁补偿型电流传感器接线方法（2）电压传感器（CHV25P、CHV100）电压传感器有五只接线端子。其中两只为原边端子：被测电压输入端“十” ；被测电压输入端“一” 。另外三只为副边端子：“十”端：电源+15V；“一”端：电源-15V；M 端：信号输出端。根据用户所测电压的大小，须将被测电压串接一只电阻 R 后再接到传感器原边端子，电压传感器的输出端应用与磁补偿型电流传感器相同，电压传感器接线方法如下图所示：武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）20+HT-HTVpR+M-+15VGND-15VOUTR图 3-9 电压传感器（3）温度传感器 18B20为了防止 IGBT 过热，电路中需要监测 IGBT 的稳定，在本设计中采用数字稳定传感器 18B20，独特的单线接口方式， DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。DS18B20 的主要特性：适应电压范围更宽，电压范围： 3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电 。独特的单线接口方式， DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20 的双向通讯 。DS18B20 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温 。DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 。温范围55125，在-10+85时精度为0.5。可编程的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、0.125和 0.0625，在 9 位分辨率时最多在 93.75ms 内把温度转换为数字， 12 位分辨率时最多 750ms 内转换为数字。 测量结果直接输出数字温度信号，以 “一线总线”串行送给 CPU，同时可传送 CRC 效验码具有极强的看干扰纠错能力。 负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20 有 4 个主要的数据部件：（1）光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20 的地址序列码。 64 位光刻 ROM 的排列是：开始 8 位（28H）是产品类型标号，接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20 的目的。（2）DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量，以12 位转化为例：用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB 形式表达，其中 S 为符号位。表 1: DS18B20 温度值格式表武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）21bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0bit15 bit14 bit13bit12 bit11 bit10bit9bit8SSSSSLS ByteMS Byte22222222222这是 12 位转化后得到的 12 位数据，存储在 18B20 的两个 8 比特的 RAM 中，二进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于0，这 5 位为 0，只要将测到的数值乘于 0.0625 即可得到实际温度；如果温度小于0，这 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到实际温度。例如 +125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为 0191H，-25.0625的数字输出为 FF6FH，-55的数字输出为 FC90H。其管脚及封装如下图所示：图 3-10 18B20 封装及管脚GND 为接地端， I/O 为串行数据接口， VDD 为外接电源输入供电端（在寄生电源模式时共地。3.1.5 辅助电路设计本设计中还需要电源电路对控制系统供电，由于本设计所设计的变流器输出最低电压为 48V，可以给汽车蓄电池充电，所以控制系统的电源应是由汽车蓄电池供给的 48V电压，在本设计中需要用的电源电压为直流+5V、15V，所以需要相应的电路来转换，本设计中采用两个 DC-DC 电源模块，一个为 48V 直流输入+5V 输出：主要给控制器以及通信电路供电；另一个为 48V 输入15V 输出：主要给控制电路和传感器供电。根据设计需求选用 48Vac 或 dc 输入 10W 系列单电压输出 DC/DC 电源模块如下为模块参数：输出功率为 10W；输入规格：48V(3672V)ac 或(3672)Vdc 宽电压；具有输入过压、输出过流短路，初始电压精度达1.0%，各项参数均满足设计的需求。武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ）224 相关参数计算4.1 主电路参数主电路为 BUCK 电路，输入电压范围为 0-600V，调节器输出变化范围为 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