畢業(yè)設(shè)計開題報告：通用PWM發(fā)生器的研制

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）開 題 報 告題目通用 PWM 波發(fā)生器的研制專業(yè) 電氣工程及其自動化班級學(xué)生指導(dǎo)教師2014年一、畢業(yè)設(shè)計 (論文 )課題來源、類型課題來源：自選題目。類型 :硬件制作。二、選題的目的及意義脈寬調(diào)制 PWM是開關(guān)型穩(wěn)壓電源中的術(shù)語。 這是按穩(wěn)壓的控制方式分類的，除了 PWM型，還有 PFM型和 PWM、PFM混合型。脈寬寬度調(diào)制式（ PWM）開關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或 MOS 管柵極的偏置，來實現(xiàn)晶體管或 MOS 管導(dǎo)通時間的改變，

2、從而實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。在模擬電路中，模擬信號的值可以連續(xù)進(jìn)行變化，在時間和值的幅度上都幾乎沒有限制，基本上可以取任何實數(shù)值，輸入與輸出也呈線性變化。所以在模擬電路中，電壓和電流可直接用來進(jìn)行控制對象，例如家用電器設(shè)備中的音量開關(guān)控制、采用鹵素?zé)襞轃艟叩牧炼瓤刂频鹊?。但模擬電路有諸多的問題：例如控制信號容易隨時間漂移，難以調(diào)節(jié)；功耗大；會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗；易受噪聲和環(huán)境干擾等等。能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重 ( 如老式的家庭立體聲設(shè)備 ) 和昂貴

3、。與模擬電路不同，數(shù)字電路是在預(yù)先確定的范圍內(nèi)取值，在任何時刻，其輸出只可能為 ON和 OFF兩種狀態(tài)，所以電壓或電流會通 / 斷方式的重復(fù)脈沖序列加載到模擬負(fù)載。 PWM技術(shù)是一種對模擬信號電平的數(shù)字編碼方法，通過使用高分辨率計數(shù)器（調(diào)制頻率）調(diào)制方波的占空比，從而實現(xiàn)對一個模擬信號的電平進(jìn)行編碼。其最大的優(yōu)點是從處理器到被控對象之間的所有信號都是數(shù)字形式的，無需再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換過程；而且對噪聲的抗干擾能力也大大增強(qiáng)（噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯值改變時，也可能對數(shù)字信號產(chǎn)生實質(zhì)的影響） ，避免了以上的缺陷， 實現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號，可以大幅度降低成本和功耗。這也是 PWM在通訊等信號傳輸

4、行業(yè)得到大量應(yīng)用的主要原因。 PWM 的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?0或?qū)⑦壿?0改變?yōu)檫壿?1時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。對噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是 PWM 相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)?PWM 用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向 PWM 可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)?RC 或 LC 網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 PWM對調(diào)速系統(tǒng)來說，有如下優(yōu)點 : 系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定精度等指標(biāo)比較好 ; 電樞電流 的脈動 量小，容

5、易連續(xù)，而且可以不必外加濾波 電抗 也可以平穩(wěn)工作 ; 系統(tǒng)的 調(diào)速范圍 寬; 使用元件少、線路簡單。 PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一 , 從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較， 產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制 SPWM信號以控制功率器件的開關(guān)開始， 到目前采用全數(shù)字化方案， 完成優(yōu)化的實時在線的 PWM 信號輸出，可以說直到目前為止， PWM在各種應(yīng)用場合仍占主導(dǎo)地位 , 并一直是人們研究的熱點。脈沖寬度調(diào)制廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中，由于其四象限變流的特點，可以反饋再生制動的能量，對于目前國家提出的節(jié)能減排具有積極意義?？傊?， PWM 既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗

6、噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。所以通用 PWM 波發(fā)生器的研制意義重大。三、本課題在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展PWM 控制技術(shù)的發(fā)展主要包括脈沖觸發(fā)電路的發(fā)展和脈沖觸發(fā)電路算法的發(fā)展兩大方面。1.脈沖觸發(fā)電路的發(fā)展1.1 由電子管、晶體管組成的1906 年，第一個電子管誕生；1912 年前后，電子管的制作日趨成熟引發(fā)了無線電技術(shù)的發(fā)展； 1918 年前后，逐步發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體材料；1920 年，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料所具有的光敏特性；1932 年前后，運用量子學(xué)說建立了能帶理論研究半導(dǎo)體現(xiàn)象； 1956 年，硅臺面晶體管問世電子管，是一種在氣密性封閉容器中產(chǎn)生電流傳導(dǎo)，利用電場

7、對真空中的電子流的作用以獲得信號放大或振蕩的電子器件。由于電子管體積大、功耗大、發(fā)熱厲害、壽命短、電源利用效率低、結(jié)構(gòu)脆弱而且需要高壓電源的缺點，很快就不適合發(fā)展的需求，被淘汰的命運就沒躲過。晶體管，是一種固體半導(dǎo)體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其它功能。 類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出, 靜止式無功功率動態(tài)補(bǔ)償?shù)?。這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變 , 但工作頻率較低 , 僅局限在中低頻范圍內(nèi)。晶體管很快就成為計算機(jī)“理想的神經(jīng)細(xì)胞” ，從而得到廣泛的使用。雖然晶體管的功能比電子管大了很多，但由于電子信息技術(shù)的發(fā)展，晶體管也越來越不適合科技的發(fā)展。這時的電力電

8、子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變 , 但工作頻率較低 , 僅局限在中低頻范圍內(nèi)。由于電子管和晶體管存在這些自身的缺陷，所以由這些電子器件組成的脈沖觸發(fā)電路體積龐大，線路復(fù)雜，不易檢修。1.2 由集成電路組成的所謂集成電路（ IC），就是在一塊極小的硅單晶片上，利用半導(dǎo)體工藝制作上許多晶體二極管、三極管及電阻、電容等元件，并連接成完成特定電子技術(shù)功能的電子電路。從外觀上看，它已成為一個不可分割的完整器件，集成電路在體積、重量、耗電、壽命、可靠性及電性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于晶體管元件組成的電路，目前為止已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、儀器儀表及電視機(jī)、錄像機(jī)等電子設(shè)備中。 1960 年 12 月，世界上第一塊硅集成電路

9、制造成功， 1966 年，美國貝爾實驗室使用比較完善的硅外延平面工藝制造成第一塊公認(rèn)的大規(guī)模集成電路。 1988 年： 16M DRAM問世， 1 平方厘米大小的硅片上集成有3500 萬個晶體管，標(biāo)志著進(jìn)入超大規(guī)模集成電路階段的更高階段。1997 年：300MHz奔騰問世 , 采用 0.25 工藝，奔騰系列芯片的推出讓計算機(jī)的發(fā)展如虎添翼，發(fā)展速度讓人驚嘆。 2009 年： intel 酷睿 i 系列全新推出，創(chuàng)紀(jì)錄采用了領(lǐng)先的 32納米工藝，并且下一代 22 納米工藝正在研發(fā)。 集成電路制作工藝的日益成熟和各集成電路廠商的不斷競爭，使集成電路發(fā)揮了它更大的功能，更好的服務(wù)于社會。進(jìn)入八十年代

10、 , 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展 , 為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合 , 出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率 M0SFET的問世 , 而后絕緣門極雙極晶體管 (IGBT) 出現(xiàn)。 MOSFET和 IGBT的相繼問世 , 是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計 , 到 1995 年底 , 功率 M0SFET和 GTR 在功率半導(dǎo)體器件市場上已達(dá)到平分秋色的地步 , 而用 IGBT 代替 GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率 ,使其性能更加完善可靠 , 而且使現(xiàn)代電

11、子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展 , 為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能 , 實現(xiàn)小型輕量化 , 機(jī)電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。集成化的越來越好的發(fā)展，使這些新型電力電子器件出現(xiàn)，正是有這些硬件上的支持， PWM技術(shù)才得以產(chǎn)生。2.脈沖觸發(fā)電路算法的發(fā)展經(jīng)典的脈沖觸發(fā)電路如下圖示：通電后 IC 的 7 腳由電阻分壓產(chǎn)生8.25V 的直流電壓，剛通電時 6 腳電位低于 7 腳，比較器 (LM339)1 腳輸出高電位， R3的正反饋作用，使得比較器迅速飽和，隨著時間的推移，電容逐漸充電， 6 腳的電位逐漸升高，當(dāng)高于 7 腳的電位時 (8.25V) ，比較器突然翻轉(zhuǎn)， 1 腳輸出低電位，同樣正反饋的作用使得

12、該過程更強(qiáng)烈，此時電容通過 R4和二極管 D1向 LM339的 1 腳放電。當(dāng)電容上的電壓低于 IC7 腳的電壓 ( 這時可能不是 8.25V 了，因為 1 腳的低電位會影響到 7 腳電壓 ) 時，電路再次翻轉(zhuǎn)，重復(fù)前面的過程，從而在電容兩端形成了 8000Hz 的鋸齒波電壓。該鋸齒波電壓直接施加于比較器的 4 腳，又和控制電壓進(jìn)行比較，當(dāng)電容兩端電壓高于控制電壓時，比較器輸出低電位，低于控制電壓時輸出高電位，相當(dāng)于把鋸齒的上半部分切掉了，因此控制電壓越高，鋸齒切掉的越少，輸出的脈寬就越寬。穩(wěn)壓二極管在這里起削波的作用，實現(xiàn)脈出的整形。這個電路設(shè)計的非常經(jīng)典，是非常好的脈寬調(diào)制電路。2.1 均

13、值 PWM 波脈寬調(diào)制技術(shù)設(shè)法控制感應(yīng)電動機(jī)電壓中的諧波成分，就能改變感應(yīng)電動機(jī)的運行特性，而消除逆變器輸出電壓中的3、5、7 次等有害諧波分量，可是感應(yīng)電動機(jī)獲得良好的運行特性。為此，根據(jù)等面積PWM 控制方式的原理，選擇最佳脈沖中心線位置，可使得其PWM 波形的諧波成分最小，并定義這一調(diào)制方法為均值 PWM 法。均只能 PWM 法與消除諧波最優(yōu)的PWM 法相比有如下特點：(1)抑制諧波方面，最優(yōu) PWM 法挑選需要抑制的那些諧波進(jìn)行抑制， 均值 PWM 法對各次諧波的抑制均有很好的效果，而最優(yōu) PWM 法則不行。(2)用微機(jī)實現(xiàn)的均值PWM 方法比實現(xiàn)最優(yōu)PWM 法簡單、方便。(3)均值

14、PWM 法的基波電壓控制比最優(yōu)PWM 法的基波電壓控制簡單，有利于用微機(jī)實現(xiàn)和編程。經(jīng)推到得到以下公式：PWM 波脈寬參數(shù)和載波周期計算值為1 TAi1ii2 2NEc o sc o sNN1Ai1iTcEc o sc o s2NNTc T2N注：Tc：為脈寬參數(shù)，N 為載波倍數(shù)，i 為-N 到 N，載波頻率，2.2 次最優(yōu) PWM 波微機(jī)越來越多的應(yīng)用在需要調(diào)速驅(qū)動的工業(yè)領(lǐng)域中，在許多場合中不僅要求嚴(yán)格的實現(xiàn)實時控制，而且要求盡量利用微機(jī)的軟件功能，降低成本，提高系統(tǒng)可靠性及控制的靈活性，以便更方便的改善系統(tǒng)控制性能，以適應(yīng)不同的控制場合和控制要求。因此，要求推出既簡單、又有效地利用微機(jī)軟件

15、實時在線產(chǎn)生控制 PWM 波形的各種開關(guān)方案。盡管最優(yōu) PWM 調(diào)制方案能優(yōu)化某些性能指標(biāo)，特別是在低頻比（低 PWM 脈沖數(shù)）時比較明顯，對逆變器來說，這是一種較為理想的方案，但由于 PWM 波基波頻率一般與 PWM 最優(yōu)開關(guān)角呈線性關(guān)系，缺乏確定的調(diào)制過程， 要用微機(jī)實時在線產(chǎn)生最優(yōu) PWM 波的開關(guān)方案，目前還比較困難。因為這不僅需要大量的脫機(jī)離線計算而且需占用大量的存儲單元以存儲優(yōu)化結(jié)果，同時由于每個調(diào)制周期內(nèi)設(shè)置的開關(guān)次數(shù)不能太高，否則不僅需設(shè)置很復(fù)雜的控制軟件，而且控制軟件的靈活性和適應(yīng)性都較差。然而最優(yōu)法的優(yōu)缺點卻給人們展示了一種研究解決問題的方式和方法：即可否采用載波調(diào)制方法，

16、合理選擇調(diào)制波形或載波波形，達(dá)到既有確定的、易與用微機(jī)實現(xiàn)的調(diào)制過程，又能體現(xiàn)最優(yōu)調(diào)制方式的特點，揚(yáng)長避短，推出新的波控制方案的可能性。用對一個正弦調(diào)制波采樣的方法產(chǎn)生最優(yōu)波形時，需要一個非線性的采樣過程，雖然確定此非線性采樣過程是可能的，但用微機(jī)軟件實現(xiàn)卻非常復(fù)雜，如果在確定的線性調(diào)制過程基礎(chǔ)上，則有可能選擇適合的調(diào)制波形，近似的實現(xiàn)最優(yōu)開關(guān)方案。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于諧波電流最小化的次最優(yōu)開關(guān)方案并用微機(jī)實現(xiàn)。次最優(yōu)方法是一種載波調(diào)制方法。它既可用模擬方法也可用數(shù)字方法加以實現(xiàn)，若用微機(jī)實現(xiàn)，即可充分利用微機(jī)的計算能力，又能體現(xiàn)次最優(yōu)法易于實現(xiàn)實時在線計算和產(chǎn)生較好的波形（諧波電流失真

17、率小）的特點。同時采用微機(jī)實現(xiàn)計算脈寬，經(jīng)定時后轉(zhuǎn)換為時間脈沖以控制逆變器的通斷，既能省去用模擬方法實現(xiàn)時所需的復(fù)雜的三角形載波和調(diào)制波信號發(fā)生器，又能大大的簡化硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)規(guī)則非對稱采樣原理可求得脈寬Toffzi 、 Tonzi 分別為：ToffziziTonziT-zi 1zi2注： i=0,1,2.，To f f z ii 個關(guān)斷周期，Tonzi為載波的的第i 個開通周為載波的第期，為脈寬參數(shù) 。2.3（直接 PWM ）波目前由微機(jī)產(chǎn)生波控制的逆變器實施對異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的方法有查表法、混合法和實時計算法。查表法未能充分利用微機(jī)的計算功能，且存儲開關(guān)角占用大量的內(nèi)存，頻率分辨率受

18、到存儲空間的限制，導(dǎo)致了調(diào)速精度的降低，最優(yōu)脈寬調(diào)制法一般采用查表法來實現(xiàn)?；旌戏ㄊ遣捎貌楸矸ㄅc實時計算法相結(jié)合，微機(jī)只需做簡單的運算便可求出 PWM 波的開關(guān)點，盡管它占用內(nèi)存容量較少，但仍未能較好地解決提高調(diào)速精度的關(guān)鍵問題。為了實時計算 PWM 波的開關(guān)點，實時計算法可采用提高微機(jī)運算速度和在算法上減少微機(jī)的實時計算量的方法加以改進(jìn)。實踐證明：最有效的方法是通過改進(jìn)調(diào)制技術(shù)及算法，尋求最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)的簡化，來買組系統(tǒng)有較高的調(diào)速精度和良好的動態(tài)響應(yīng)的要求。2.4 改進(jìn)型等面積PWM 控制等面積 PWM 算法將查表法和計算法有機(jī)的結(jié)合在一起， 提高了變頻精度且又不占用 CPU 過多的時間

19、。等面積 PWM 法的基本思想是使相等時間間隔內(nèi) PWM 波的面積與參考正弦波的面積相等。2.5 周期補(bǔ)償無差拍PWM 控制無差拍控制十一危機(jī)為基礎(chǔ)的PWM 控制算法。它是根據(jù)含濾波器的逆變系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出反饋信號推算出下一個采樣周期的開關(guān)時間的。要求系統(tǒng)中微機(jī)的運算速度很高才能實現(xiàn)。2.6 狀態(tài)觀測器無差拍PWM 控制以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的觀測器法常被用來控制各種變流系統(tǒng)的逆變器。這是一種采用“電子觀測器”來預(yù)測系統(tǒng)的未來狀況，再用相應(yīng)的控制算法提前算出輸出控制量的方法。 ，因為它減少了占用的實時機(jī)時，從而可相應(yīng)的提高系統(tǒng)的采樣頻率和逆變器的開關(guān)頻率與效率，因此，可以提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。

20、觀測器型無差拍控制算法的時間圖：2.7 干擾預(yù)測型無差拍PWM 控制在上一節(jié)中介紹的觀測器型無差拍控制算法，因為該算法是在假設(shè)負(fù)載為額定阻性負(fù)載的前提下推導(dǎo)出來的，所以，逆變器的輸出電壓在負(fù)載變化時的暫態(tài)響應(yīng)較差，而且穩(wěn)態(tài)誤差也較大。為了克服這個缺點，產(chǎn)生了干擾預(yù)測型無差拍 PWM 控制算法，該算法是在觀測器型無差拍控制算法的基礎(chǔ)上，考慮到在負(fù)載變化時所引起的負(fù)載電流的變化情況，即把負(fù)載變換呈階梯形的電流源。干擾預(yù)測型無差拍控制的時間圖：在干擾預(yù)測型無差拍控制算法中，由于干擾電流的預(yù)測式與干擾電容、 電感電流的觀測器相互獨立，所以觀測器的穩(wěn)定不受干擾的影響。四、本課題主要研究內(nèi)容主要任務(wù)如下：

21、1）完成基于 XC866 的 PWM 波發(fā)生器實驗裝置和試驗程序。能夠通過鍵盤實現(xiàn) PWM波的脈寬、頻率和死區(qū)時間調(diào)節(jié)。其占空比范圍0-1，頻率為100HZ-10KHZ ，具有死區(qū)時間。2）翻譯不少于3000 英文單詞的英文參考資料。3）撰寫論文，要求格式規(guī)范，無錯別字，條理清楚，敘述正確，并包含相應(yīng)的程序流程和程序代碼以及參考文獻(xiàn)。四、完成論文的條件和擬采用的研究手段（途徑）條件： XC866 仿真器一套、示波器一臺。研究手段： 1.通過設(shè)計 PWM 波發(fā)生器實驗電路，最后拿到板子后通過焊接得到需要的硬件設(shè)備。2.在 KEIL 中編寫能實現(xiàn)目的的程序。3.給板子燒程序后在示波器上觀察出現(xiàn)的圖

22、形與我們預(yù)期的有什么區(qū)別，一次次的重復(fù)最后得到正確程序。六、本課題進(jìn)度安排、各階段預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)：2 月：進(jìn)度安排：查閱文獻(xiàn)和英文資料，撰寫開題報告。預(yù)期目標(biāo)：了解整流、逆變、斬波、 PWM 、SVPWM 等專業(yè)名詞，理解此次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)和意義。3 月：進(jìn)度安排： (1) 查閱文獻(xiàn)和翻譯英文資料，撰寫開題報告。（2）設(shè)計 PWM 波發(fā)生器實驗電路。預(yù)期目標(biāo)：了解并熟練使用 altium designer 軟件，畫出 PWM 波發(fā)生器實驗電路的原理圖，并理解每部分的功能和作用。4 月：進(jìn)度安排：（1）焊接，調(diào)試實驗電路。（2）編寫程序，實現(xiàn)PWM 波輸出 。預(yù)期目標(biāo)：認(rèn)真細(xì)心的完成焊接工作，并使板子調(diào)試成功。編寫正確的實現(xiàn)所需功能的程序。熟練掌握燒程序軟件的使用，并看到最終實現(xiàn)的圖形。5 月：進(jìn)度安排：（1）編寫程序，實現(xiàn)PWM 波輸出 。（2）聯(lián)調(diào)，修正程序。（3）整理資料，撰寫論文。預(yù)期目標(biāo)：最后檢查板子、程序，確定它們能正常工作6 月：進(jìn)度安排：撰寫論文，準(zhǔn)備答辯。預(yù)期目標(biāo)：把這幾個月的成果在論文中充分體現(xiàn)出來，字跡整齊、條理清晰的完成論文。七、參考文獻(xiàn)【1】王兆安 .電力電子技術(shù) M. 第五版 .機(jī)械工業(yè)出版社 .10184【2】XC866 單片機(jī)原理及應(yīng)用【3】XC866 用戶手冊【4】史威 .三相逆變器 SVPWMD. 華中科技大學(xué) .2007【5】方紅琴 .