電力電子控制技術基礎與實踐 課件 第1章 脈沖寬度調制

電力電子控制技術基礎與實踐電力電子控制技術基礎與實踐上篇

1. 脈沖寬度調制 2. 正弦波脈寬調制 3. 信號濾波 4. 反饋控制 5. 坐標變換 6. 空間電壓矢量脈寬調制 下篇

7. 電力電子技術的PLECS仿真實驗 8. 電力電子技術的實驗箱實驗 電力電子控制技術基礎與實踐1. 脈沖寬度調制1.1 PWM信號1.2 PWM信號的產生方法1.3 微控制器開發(fā)的基本流程1.4 微控制器的PWM實現(xiàn)課件中電路圖和電路仿真模型使用CAD繪制，元件取自相應的CAD軟件元件庫，可能會與紙質版書籍符號、角標的寫法有不同。1.1 脈沖寬度調制信號1.1.1電力電子電路的分類IEEE對電力電子技術的定義有效地使用電力半導體器件、應用電路和設計理論以及分析開發(fā)工具，實現(xiàn)對電能的高效變換和控制的一門技術。它包括電壓、電流、頻率和波形等方面的變換電路功能分類輸入輸出

交流（AC）

直流（DC）

直流（DC）整流

直流斬波

交流（AC）交流變換變頻、調壓逆變

1.1 脈沖寬度調制信號1.1.1電力電子電路的分類基本控制方式有三類：相控方式頻控方式斬控方式1.1 脈沖寬度調制信號1.1.2PWM的原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積效果基本相同是指慣性環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。1.1 脈沖寬度調制信號1.1.2PWM的原理主要指標是占空比(DutyRatio)和振蕩周期。占空比有時稱為“占空系數”，常用符號D或α表示。占空比是指在一個振蕩周期內,通電時間相對于總時間所占的比例。振蕩周期T和振蕩頻率f互為倒數，T=1/f。設輸入直流電壓為Ui，則PWM信號的平均值為DUi，PWM信號的有效值為。1.1 脈沖寬度調制信號例：PWM波形，輸入電壓幅值為1V，脈沖高電平寬度1μs,振蕩周期4μsPWM信號的電壓平均值為0.25V，電壓有效值為0.5V。1.2 PWM信號的產生方法1.2.1時基芯片產生PWM如555定時器產生PWM信號充電過程中C1的電壓從1/3VCC

升至2/3VCC

。電容C1的電壓上升到后，555定時器6腳置位觸發(fā)，3腳Uo變低電位。放電過程中C1的電壓從2/3VCC降至1/3VCC以下時，低于2腳的閾值電壓，使555定時器復位，形成一個振蕩周期。重復以上步驟，往復循環(huán)在555定時器的3腳產生了PWM信號。1.2 PWM信號的產生方法1.2.2專用PWM集成電路專用PWM集成電路型號很多，性能各有特色。比較典型的專用PWM集成電路有SG3525、TL494等。SG3525構成的PWM信號發(fā)生電路生產廠商提供的振蕩器頻率5腳為振蕩器的外接電容CT連接端，RD為5腳與7腳之間跨接的死區(qū)電阻，用來調節(jié)死區(qū)時間，1.2 PWM信號的產生方法1.2.2專用PWM集成電路SG3525構成的PWM信號波形圖調壓和限流的功能在沒有電壓電流傳感器采集后級電壓、電流信號時，SG3525輸出PWM信號占空比穩(wěn)定。調節(jié)RT，SG3525輸出PWM波形，振蕩頻率20kHz，占空比50%。1.2 PWM信號的產生方法1.2.3微控制器軟件模擬PWM微控制器產生PWM信號微控制器用通用輸入輸出端口（GPIO）模擬PWM微控制器外設（集成了PWM硬件電路）產生PWM用程序控制GPIO端口的高低電平變化，模擬PWM信號阻塞式程序中斷式程序微控制器外設產生PWM與專用PWM集成電路產生PWM類似，需要設置PWM控制器的參數。1.3 微控制器開發(fā)的基本流程1.3.1工具軟件操作(1)信號仿真步驟1：建立仿真模型、設置元器件參數。步驟2：設置仿真運行參數。步驟3：仿真運行并觀測仿真結果。步驟4：修改模型和參數。MATLAB/Simulink、PLECS1.3 微控制器開發(fā)的基本流程（2）微控制器程序編輯與編譯----集成IDE環(huán)境步驟1：建立工程項目步驟2：編輯工程文件步驟3：編譯程序步驟4：編譯步驟5：仿真調試Keil

STM32Cube-IDE1.3 微控制器開發(fā)的基本流程Keil5.181.3 微控制器開發(fā)的基本流程STM32CubeIDE1.13.11.3 微控制器開發(fā)的基本流程（3）下載STC-ISP6.9.21.3 微控制器開發(fā)的基本流程ST-LINKUtility4.6.01.3 微控制器開發(fā)的基本流程（4）調試串口軟件（如串口精靈、VOFA+等）1.3 微控制器開發(fā)的基本流程1.3.2串口重定向//STC8A8K微控制器#include"STC8.H"#include"uart.h"#include<stdio.h>voidUART1_Init(void){SCON=0x50;//串口1工作模式1TMOD=0x00;//定時器1，模式0，自動重裝載

TL1=(65536-24000000/115200/4);//晶振24MHz，波特率115200TH1=(65536-24000000/115200/4)>>8;//設置重裝載值的低位

AUXR=0x40;//定時器為1T模式，系統(tǒng)時鐘不分頻

TR1=1;//啟動定時器1ET1=0;//關定時器1中斷}1.3 微控制器開發(fā)的基本流程/*-----發(fā)送一個字節(jié)--------------*/voidSendByte(unsignedcharData){SBUF=Data;while(!TI);TI=0;}/*----發(fā)送一個字符串----------*/voidSendStr(unsignedchar*s){while(*s!='\0'){SendByte(*s);s++;}}/*---接受一個字節(jié)--------*/unsignedcharGetChar(void){while(!RI);RI=0;returnSBUF;}/*-重定向stdio.h內函數------*/charputchar(charData){SBUF=Data;while(!TI);TI=0;returnData;}1.3 微控制器開發(fā)的基本流程/*---串口1中斷服務程序---------*/voidUART1()interrupt4using1{if(TI)TI=0;//清中斷

if(RI)RI=0;//清中斷}使用24MHz的晶振頻率，串口1通信(波特率115200，8位數據位，1位停止位，無校驗)。如果使用其它的晶振頻率，需要修改晶振頻率計數值。charputchar(charData)函數將重定向stdio.h內的putchar函數。1.3 微控制器開發(fā)的基本流程1.3.2串口重定向//STM32Fxxx微控制器對于STM32F407VGT6微控制器，HCLK為168MHz，APB2PeripheralClocks設為84MHz，PA9---->USART1_TX，PA10---->USART1_RX，波特率115200，8位數據位，1位停止位，校驗。不使用中斷，初始化和重定向函數。40. //USART1重定向41. #ifdef__GNUC__42. #definePUTCHAR_PROTOTYPEint__io_putchar(intch)43. PUTCHAR_PROTOTYPE44. {45. HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)&ch,1,1000);46. returnch;47. }48. #endif1.3 微控制器開發(fā)的基本流程4. voidMX_USART1_UART_Init(void)//串口初始化函數5. {6. huart1.Instance=USART1;7. huart1.Init.BaudRate=115200;8. huart1.Init.WordLength=UART_WORDLENGTH_8B;9. huart1.Init.StopBits=UART_STOPBITS_1;10. huart1.Init.Parity=UART_PARITY_NONE;11. huart1.Init.Mode=UART_MODE_TX_RX;12. huart1.Init.HwFlowCtl=UART_HWCONTROL_NONE;13. huart1.Init.OverSampling=UART_OVERSAMPLING_16;14. if(HAL_UART_Init(&huart1)!=HAL_OK)15. {16. Error_Handler();17. }18. }1.4 微控制器的PWM實現(xiàn)1.4.1STC8微控制器的GPIO端口模擬PWM硬件環(huán)境：STC8A8K64S4微控制器測試，系統(tǒng)晶振頻率12MHz，輸出脈沖端口P10，兩個按鍵名稱為“增占空比”端口P32、“減占空比”端口P33。程序的實現(xiàn)流程：①設置輸出脈沖、按鍵端口。②設置定時器工作模式，設置定時器初值。③開定時中斷，打開總中斷，開定時器計數。在中斷程序中，將當前輸出電平取反可以獲得將要輸出的電平值，判斷將要輸出的電平值，并修改定時器的計數值與該電平對應。1.4 微控制器的PWM實現(xiàn)61. /******************interupte*******************************/62. voidTime0_H()interrupt163. {64. pulse_level=~pulse_level;65. if(pulse_level==1)66. {67. TH0=(65536-(timpluse-(99-duty)*step))/256;68. TL0=(65536-(timpluse-(99-duty)*step))%256;69. }70. if(pulse_level==0)71. {72. TH0=(65536-(timpluse-(duty-1)*step))/256;73. TL0=(65536-(timpluse-(duty-1)*step))%256;74. }75. }76. /*********************************************************/1.4 微控制器的PWM實現(xiàn)61. /******************interupte*******************************/62. voidTime0_H()interrupt163. {64. pulse_level=~pulse_level;65. if(pulse_level==1)66. {67. TH0=(65536-(timpluse-(99-duty)*step))/256;68. TL0=(65536-(timpluse-(99-duty)*step))%256;69. }70. if(pulse_level==0)71. {72. TH0=(65536-(timpluse-(duty-1)*step))/256;73. TL0=(65536-(timpluse-(duty-1)*step))%256;74. }75. }76. /*********************************************************/1.4 微控制器的PWM實現(xiàn)運行程序并測試，設置微控制器工作頻率12MHz，定時器工作在12T模式，與普通MCS51微控制器相同，則其機器周期為1μs，即定時器計一個數就耗時1μs。輸出脈沖頻率按250Hz計算，250Hz的時間周期為4000μs，T0計數值設為（65536-4000+低或高電平脈沖數）。設置初始占空比為10%，波形圖。1.4 微控制器的PWM實現(xiàn)1.4.2STC8的PWM外設產生PWM信號STC8系列微控制器集成了一組（各自獨立8路）增強型的PWM波形發(fā)生器。PWM波形發(fā)生器內部有一個15位的PWM計數器供8路PWM使用，用戶可以設置每路PWM的初始電平，在工作時會不斷地根據PWM時鐘源信號計數，直到達到設定值（0~32767可自由設置），產生溢出并歸零，繼續(xù)重新計數，如此往復。PWM波形發(fā)生器為每路PWM又設計了兩個16位的用于控制波形翻轉的計數器T1、T2。由于8路PWM是各自獨立的，且每路PWM的初始狀態(tài)可以獨立設定，所以用戶可以將其中的任意兩路配合起來使用，可實現(xiàn)互補對稱輸出以及死區(qū)控制等特殊應用。1.4 微控制器的PWM實現(xiàn)1.4.2STC8的PWM外設產生PWM信號(寄存器）符號地址B7B6B5B4B3B2B1B0PWMCKSFFF2H

SELT2PWM_PS[3:0]表1-1PWMCKS的bit設置值表1-2PWM_PS[3:0]系統(tǒng)時鐘預分頻參數SELT2PWM_PS[3:0]PWM時鐘源1x定時器2的溢出脈沖00000SYSclk/100001SYSclk/200010SYSclk/3………0xSYSclk/(x+1)………01111SYSclk/161.4 微控制器的PWM實現(xiàn)1.4.2STC8的PWM外設產生PWM信號(寄存器）PWM每個通道的(PWMnTIH,PWMnTIL)和(PWMnT2H,PWMnT2L)分別組合成兩個15位的寄存器，用于控制各路PWM每個周期中輸出PWM波形的兩個翻轉點。PWM控制寄存器PWMnCR，第7位ENCnO輸出使能位（1/0：PWM端口/GPIO端口），第6位CnINI設置PWM輸出端口的初始電平（1/0：高電平/低電平），第4位和第3位Cn_S[1:0]：PWM輸出功能腳切換選擇，第2位ECnI：第n通道的PWM中斷使能控制位（1/0：使能/關閉），第1位ECnT2SI：第n通道的PWM在第2個翻轉點中斷使能控制位（1/0：使能/關閉），第0位ECnT1SI：第n通道的PWM在第1個翻轉點中斷使能控制位（1/0：使能/關閉）。1.4 微控制器的PWM實現(xiàn)硬件配置STC8A8K64S4，系統(tǒng)時鐘頻率24MHz，使用增強型PWM波形發(fā)生器。使用4個通道PWM4-->P2.4，PWM5-->P2.5，PWM6-->P2.6，PWM7-->P2.7。程序流程①初始化設置PWMCKS、PWMC、PWMnT1、PWMnT2、PWMnCR。②啟動PWM模塊工作。③4個通道輸出頻率1kHz，PWM4~PWM7占空比50%~80%，產生1kHz輸出頻率、主程序略。1.4 微控制器的PWM實現(xiàn)1.4.3STM32F4微控制器外設實現(xiàn)PWM信號外設實現(xiàn)PWM的軟件流程：①選擇端口選擇通道。②選擇計數模式。③設置計數脈沖來源，設置計數器總線頻率，設置預分頻和自動裝載值。④設置高（或低）電平的計數值。⑤啟動PWM。注意的問題1.4 微控制器的PWM實現(xiàn)1.4.3STM32F4微控制器外設實現(xiàn)PWM信號STM32F4的定時器的通道輸出可大體分為兩類輸出比較模式和PWM模式，都可以用來輸出PWM波。一個定時器如果用輸出比較模式，可以方便的調節(jié)每一路PWM波的頻率用PWM模式則這個定時器控制的多路PWM頻率只能同時調定時器的計數模式向下計數模式和中心對齊模式三種，Up/Down/Center。PWM模式有PWM1和PWM2TIM_OCPolarity極性有High和Low兩種常用PWM1+High的組合，即向上計數計數值TIMx_CNT<TIMx_CCR（捕獲/比較寄存器）時輸出高電平。1.4 微控制器的PWM實現(xiàn)1.4.3STM32F4微控制器外設實現(xiàn)PWM信號PWM輸出的是一個矩形信號，信號的頻率是由TIMx的時鐘頻率和TIMx_ARR預分頻器所決定的，而輸出信號的占空比則是由TIMx_CRRx寄存器確定的。通常先確定TIMx_ARR預分頻值，再確定TIMx的時鐘頻率，最后向CRR中填入適當的數，可以輸出所需的占空比矩形信號。1.4 微控制器的PWM實現(xiàn)1.4.4STM32F4微控制器實現(xiàn)2路互補PWM信號使用高級控制定時器（TIM8）生成PWM的編程流程：①使能定時器通道各個引腳端口時鐘。②對于高級控制定時器TIM8的各個通道引腳進行初始化，配置好輸出模式和輸出速度。③根據HAL庫的函數進行定時器的配置，包括周期、計數方向、預分頻等。④設置各個通道的電平跳變值，以及輸出通道和互補輸出通道的極性。⑤使能外設時鐘，調用函數輸出PWM。1.4 微控制器的PWM實現(xiàn)1.4.4STM32F4微控制器實現(xiàn)2路互補PWM信號用TIM8定時器產生占空比30%互補的兩路PWM信號。APB2