1、 综合课设报告1、背景意义和目的近年来，随着微机，中小型计算机的普及和航天航空数据通信，交通邮电等专业的迅速发展，以及为了各种自动化仪器、仪表和设备套的需要，当代对电源的需求不仅日益增大，而且对电源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及诸如程序控制、电源通/端、远距离操作和信息保护等线性稳压电源功能提出了更高的要求，对于这些要求。传统的线性稳压电源无法实现，和线性稳压电源相比，开关电源具有：效率高，稳压范围宽，体积小重量轻，安全可靠。学习目的:1. 巩固电力电子以及 dsp 课程的理论知识；2. 学习和掌握中电力电子系统控制系统设计的基本方法，设计一个三相50Hz 交流稳压电源；3.培养学生独立
2、分析和解决工程问题的工作能力及实际工程设计的基本技能 4.提高编写技术文件和制图的技能。2、任务要求对三相 50Hz 交流稳压电源的理论进行研究，设计一台样机，参数为50Hz，电压 36V，容量为 100VA，电压稳定度 95%，失真度小于 5%，效率80%。3、设计内容1.研究三相 50Hz 交流稳压电源的理论，并进行仿真；2.了解三相 50Hz 交流稳压电源的算法，软件设计编程及调试； 3.相应的硬件电路设计和调试。4、系统原理1.系统主电路，采样调理电路，控制电路，光电隔离电路，和保护电路组成，系统组成框图如图 1 所示，负载电压 、 电流检测调理电路驱动D S P辅助电源系统图 1 系
3、统组成框图2.系统主电路系统主电路是典型的 AD-DC-AD 逆变电路，由整流电路、中间电路、逆变电路和隔离变压器构成。整流电路将输入的三相交流电经整流；中间电路滤波后的直流供给逆变器；逆变电路将直流电逆变为 50Hz 的三相正弦交流电。主电路系统组成框图如图 2 所示。负载图 2 主电路系统组成框图1）主电路参数的确定为了得到 36V 的电压，我们知道逆变过来的电路中的关系，直流侧的电压 = 这里的调制度 M=0.7； Ud VvM807.2*2*U=36/1.732=20V.逆推过去， 是经过不可控整流过来的， =2.45* ；所以d Ud0=32.65V。所以变压器变比选择 220/33
4、。0滤波电路的参数选择常见的滤波电路有 LC,LCL 等，LC 滤波的电路如图 4 所示：LCZ图 4 LC 滤波电路滤波电路的输入输出传递函数为： 1()jnCHjL式中， 为基波角频率，n 为谐波次数。令截止频率 ，则：1L002211()()jnLCn的选择决定了幅频特性的基本特征。 越大，对高频的衰减能力越差， 越小，00 0对高频的衰减能越强，但是 L、C 参数值增大，会使滤波器成本增加，体积变大，因此需要合理选择 。由于0根据图 4 所示，设滤波电路后端等效负载阻抗为 Z。则在该处阻抗满足匹配条件：00(1)jCZjL令截止频率 ，则：LC10CLZ继而可得， 0L01ZCS=10
5、0VA,S= UI,故 I=3AUS6.3*等效阻抗 Z=U/I=20/1.6=12.5.w=1.56k所以 L=12.5/1.56k=8mH,C=1/12.5*1.56=501F2）检测调理电路该检测调理电路由霍尔检测、偏置电路和滤波电路三部分组成。1）电压霍尔检测电路的设计该实验中使用 CHV25P 来测量电压，其原边被测电压与副边输出电压电气隔离。CHV25P 的具体参数如下：原边输入额定电流 =10mA,对应IN副边输出电流 =25m,即原边与副边电流比为 10:25。IM电压霍尔传感器的 M 端输出采样电压。经过调理电路后与 dsp 的 A/D采集相连接，电流霍尔，采样的交流电压的峰
6、值应部大于 1.5V,即采样电压的有效值 U=1.5/ =1V。考虑到电压霍尔传感器原边输入和副边输出电流之比为28mA:20mA,即原边输入电流 I=8mA,对应副边的输出电流 =20mA,由 =IMU0IM可推出采样电阻 的值。由于副边输出电压 应不大于 1V，即 RMM0R= =50 即选择标准电阻 =47，IUmAV201RM原边与强电部分相连接，输入电压的有效值为 20v，考虑到安全裕量，原边输入电流不大于 8mA,即功率电阻 = =2.K,功率 P= /R=0.2W.1IUmAV820U22)偏置电路通常利用电流、电压传感器检测交流电流和电压时，霍尔元件副边输出的电流或电压为交流。
7、TI 公司的 DSP 内部的 A/D 转换模块为单极性的，因此霍尔元件输出的交流电流火电压需要先经过偏置电路处理后才能进行 A/D 转换。例如 DSP 的 A/D 转换芯片电压输入范围为 03V，所以霍尔元件 M 端输出的交流电压 加 1.5V 的偏置后进行 A/D 转换，原理图如图所示，Um这是比较常见的同相加法电路，由霍尔 M 端输出的电压接偏置电路的输入端，由于霍尔 M 端输出的交流电压峰值为 1.5V，因此偏置电路的 端u2 u1输入电压值为 1.5V,且 R11=R12 偏置电路输出的电压刚好满足 dsp 的 A/D 转换芯片电压输入范围为 03V 的要求，所以同比例放大系数为 1，
8、即 R13=R14.通常集成运算放大器的两个输入端外接电阻阻值在 1K 级到 100 级，取R11=R12=R13=R14=51K 即可满足要求。3)滤波电路实际应用中信号波形由于干扰原因，往往含有较多的高次谐波，此时如果直接进入 dsp 的 A/D 时，A/D 转换芯片采集到的信号就不能真实反映实际电路中的信号，因此经过偏置电路输出的信号一般还需要经过一级滤波电路后再进入 DSP 的 A/D。典型的滤波电路为二阶巴特沃斯低通滤波器。二阶巴特沃斯滤波器电路，电容 C 的容量宜在微法数量级以下，电阻的阻值一般应在几百千欧以内。这里取标准电容 =0.1F,滤波的截止频率c21取 1.56K，R21
9、=1 ,R22=1.02K。FC4、+-15V 电源的设计随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件，本次稳压选择用三段集成稳压器 w7815 和 w7915 以及电容组成，电容 C3，C4 一般取几百几千微法。当稳压器距离整流波电路比较远时，在输入端必须接入电容器 c3 和C4，以抵消线路的电感效应，防止产生自激震荡，输出端电容 C5 和 c6 用以滤除输出端的高频信号，以改善电路的暂态响应。5、软件参考流程本系统采用 DSP28335 为主控器件，软件代码采用 C 语言编程。程序由主程序和两个中断服务程序组成，主程序主要完成与上位机的通信（查询方法）；定时下溢中断完成信号的采集、运算和
10、 PWM 波的输出，AD 有定时器 1 下溢中断驱动。程序流程如图 5 所示：关总中断系统初始化E V 、 A / D 、 I / O 、中断 、 全局变量等初始化计算正弦表开总中断启动定时器T 1等待中断开始调用 A D 子程序执行 S P W M算法更新比较寄存器值清除中断标志位返回设置结果寄存器的值数据变换电压 d q 变换电流 d q 变换计算 M 值电流 P I 调节电压 P I 调节(a)主程序流程 (b)定时器下溢中断流程 (c) A/D采样子程序图5 DSP的序流程图1）控制算法选择在本系统中选用数字 PID 控制算法，数字 PID 控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，
11、将偏差的比例(P) 、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID 控制器。数字 PID 控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，需要采用离散化方法。PID 控制算法有增量式和位置式。我们采用增量式算法。 tDIpdteTteKtu0)()(1)()( ssEUGIp)(PID控制器各校正环节的作用如下：(1)比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。(2)积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T ，T 越大，积分作用越弱，反之则越强。(3
12、)微分环节：反映偏差信号的变化趋势( 变化速率)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正传号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。2） SPWM波程序设计SPWM 技术目前已经在实际得到非常普遍的应用。经过长期的发展，大致可分成电压 SPWM，电流 SPWM 和磁通 SPWM。其中电压和电流 SPWM 是从电源角度出发的SPWM，而磁通 SPWM 则是从电动机角度出发的 SPWM。电压 SPWM 技术是通过生成的 SPWM 波信号来控制逆变器的开关管，从而实现电动机电源变频的一种技术。产生电压 SPWM 信号的方法有硬件法和软件法。其中软件法是使电路成本最低的方法，它通过
13、实时计算来生成 SPWM 波。但是实时计算对控制器的运算速度要求非常高。DSP 无疑是能满足这一要求的最理想的控制器。电压 SPWM 信号实时计算需要数学模型。建立数学模型的方法很多，有谐波消去法、等面积法、采样型SPWM 法以及由它们派生出的各种方法。对称规则采样法的数学模型非常简单，但是由于每个载波周期只采样一次，因此所形成的阶梯波与正弦波的逼近程度仍然存在较大的误差。如果既在三角波的顶点对称轴采样，又在三角波的底点对称轴位置采样，也就是每个载波周期采样两次，这样所形成的阶梯波的逼近程度会大大提高。由于这样采样所形成的阶梯波与三角波的交点并不对称，因此称其为不对称规则采样法。与规则采样法相
14、比每个载波周期采样两次，这样形成的阶梯波与正弦波的逼近程度会大大提高。由于采用了内存大运算速度高的DSP，软件控制算法选用不对称规则采样法。不对称规则采样法生成SPWM波如图6所示：由于采用不对称规则的算法，要用到正弦函数、浮点数的计算，单独用汇编语言实现较为麻烦，同时为提高运行速度，故采用C语言与汇编混合编程实现。 图 6 不对称规则采样法生成 SPWM 波当在三角波的顶点对称轴位置 t1 时刻采样时，则有aTtConf41当在三角波的底点位置 t2 时刻采样时，则有bTtCofn42将三角形相似关系式SMCSUtTbta22sin4i代入上面两个式子得：2211sin4sin4tMTt t
15、tTCofnCof 生成 SPWM 波的脉宽为： 2121 sini1ttttConon由于每个载波周期采样两次，所以12,532401NkTtC ,221kftC12,53sin14402 NkMTtCon 式中 k 为偶数时代表顶点采样，k 为奇数时底点采样。不对称规则采样法的数学模型尽管略微复杂一些，但由于其阶梯波更接近于正弦波，所以谐波分量的幅值更小，在实际中得到更多的使用。以上是单相 SPWM 波生成的数学模型。如果要生成三相 SPWM 波，必须使用三条正弦波和同一条三角波求交点。三条正弦相差 120 度，即：34sin2iNkuABC如果使用不对称规则采样法，则顶点采样时有： 11
16、si2n0,423iConBAontMkNtN底点采样时有： 221sin21,3524siConBAonktMNNt12CConBBonAAtt图 7 SPWM 产生流程图图8 SPWM波中断程序流程图3) 交流采样测量程序设计系统中交流特征参数U 、I 、P、Q 、cos 、f 的采样测量是系统设计中一个最重要的环节。交流采样有以下3 种方法:(1)交/ 直流变换采样方法这种采样方法将交流电流和电压U ab 、I a 、U cb 、I c先转成直流信号再送A/ D 转换器进行采样，通过检测电压、电流以及两者之间的相位差，再用公式计算出三相电路的有功功率P 、无功功率Q 、功率因数 cos0
17、0ab1abc2=Icos(-3)+Ios(-3)Uinin2Pcos=+Q交/ 直流变换采样计算方法的优点是运算简单、对 A/ D 转换器的速度要求低、运算工作量小、对处理器的速度和性能要求也高， 电流电压测量的稳定性好；它的缺点是首先增加了交/ 直流变换环节，变换器反应速度慢（至少 4 5 周期） 且精度不高（一般大于0. 2级），所以这种方法测量精度差、反应速度慢。其次，由于采用过零比较器，相位差测量比较容易受到干扰，且不易被滤除。另外，相位差测量要占用较多的资源，使得这种方法不适合用于多路测量。使用商化的功率模块可以避开测量相位差 ， 但成本提高了很多。因此这种方法只适用于要求不高的场
18、合。（2）均方根法根据电工学上对周期性信号有效值和平均功率的基本定义 ， 并将其离散化可以得到：N22j=11U=u(t)du()TN22j1Ii(t)i()nTj0=01P(t)iduiN2Q=-P为了提高精度 ， 在连续一个周期内取N = 20均匀地对交流信号U ab 、I a 、U cb 、I c采样20次 ， 算出有效值及对应的有功功率P 1 、P 2 和无功功率Q 1 、Q 2，再根据两表法的原理 ， 计算出各种交流电的特征参数。这种测量方法的优点是精度高、速度快。测量的有效值和平均功率一次就可以计算出来。其包含了基波和各次谐波的综合参数 ， 真实地反应了被测信号的实际情况 ， 但缺
19、点是无法将基波和其它谐波分离开来 ， 因此不能反映电源的供电质量。另外为保证平均功率的精度必须在同一时刻对电压电流进行采样 ， 而增加了部分硬件的投资。（3）傅里叶级数法根据信号分析理论 ， 周期函数f ( t ) 的傅里叶级数展开式经推导、离散处理可以得出:n-1krmjj=22kjA=f(t)sikwdfTsiTx -jj12cot()con2kmkrxm+式中: A krm 、A kxm 、A km分别是k 次谐波的实部幅值、虚部幅值和正弦波幅值。平衡测量精度和计算工作量 ， 在连续一个周期的时间间隔内均匀地对交流信号U ab 、I a 、U cb 、 Ic进行12 次采样 ， 可以算出
20、各信号基波的电压实部U abrm 、U cbrm 、电压虚部Uabxm 和 Ucbxm 、电压幅值U abm和U cbm 、电流实部I arm和I crm 、电流虚部I axm和I cxm 、电流幅值I am和I cm ，进而可以算出三相有效功率 P、无功功率Q 和功率因数cos:abxmabxrcbxmacbxarI+11P=I22IQr rabcbabcbUI2cos用同样的方法可以算出其它谐波的特征参数。从上面的计算过程可以看出 ， 傅里叶级数法可以计算出各次谐波的各种特征参数 ， 计算精度较高。这对电源输出质量的分析是非常有用的。（4）基于瞬时无功理论的检测方法 建立在矢量变换基础上的
21、瞬时无功理论是由日本学者Akagi在1984年提出的。其核心是采用一变换矩阵将三相电路的各相电压和电流瞬时值变换到两相正交的- 坐标系上研究，使基波电流对应的瞬时功率为一直流量以便分离。该检测方法分为p-q运算方式和i p-iq运算方式。三相电路瞬时无功功率理论，首先在谐波和无功电流的实时检测方面得到了成功的应用。目前有源滤波器和静止无功发生器中，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法应用最多，有关这方面的内容将在第五章内容中详细讲述，本节主要讲述基波信号的检测。下面以三相电流信号为例简要说明。设三相电流信号为：am0bcsin()12iiItit坐标变换理论前面已有介绍，图9a和9b分
22、别以框图形式给出了从三相静止到两相静止坐标系和从三相静止到两相旋转的坐标系变换示意图。P L Laiae3/2Cs i n c o s 2s/rbciqipa)P L L aiaes i n c o s 3s/2rCbcqip)图9 坐标变换示意图坐标变换可采用上述两种方式进行，以图b为例转换到旋转坐标系下的关系式为：00p aq b0 csin(12)sin(12)2coco3i i 所以，基波电流的幅值和相位为：2mpqIiparctni同理可求的电压的大小和相位。其它交流特征参数P、Q 、cos、f可参照上节进行求解。根据以上比较，四种采样方法各有优缺点、各有适用场合。根据目前需要分析电
23、源输出交流电的质量，用傅里叶级数法测量交流特征参数较为适宜。5、仿真1.matlab的仿真从 matlab 示波器中可以看见，从直流侧输出的电压稳定在 80V,最后的出的交流电压峰峰值为 50V,50/1.414=35.36V,故所以最后电压能稳定在 36V。调整度为 0.8。调理电路的仿真调理电路仿真采用 ewb,用 2 个电源模拟了霍尔器件出来的是 1v 的电压以及模拟了开关频率附近的高次谐波，从示波器可以看出，偏执电路和滤波电路能满足所需要的结果。7、硬件调试首先在 dsp28335 上调试软件是否正确的调节 KP 和 KI，先是将 KP 设置成最小，逐渐增加 KP,直到响应快，超调小的
24、响应曲线出现为止。系统部出现震荡，一般增大比例系数 KP,可以加快系统的响应速度，有利于减少静态误差；但是过大的比例系数会使系统有较大的超调，因此产生震荡，破坏系统的稳定性。增大积分常数 Ti 有利于减少超调，减少震荡，使系统稳定，但系统的静态误差的消除将随之减慢。最终选择的 kp=0.6,ki=0.4.在 DSP28335 片子上调试好后，就直接到实验台上去调试了调试步骤：1.先进行开环调节，也就是不加 PI，在程序中，首先用示波器观察能否出现 SPWM 波。出来的波形是否正确；死去是否存在死去等。2.观察 A/D 是否能采集，以及采集来的数是否正确。通常 AD 的频率国高时不能采集的，所以
25、必须将 AD 的频率进行分频。3.加上霍尔，检测 A/D 采集的波形，加上霍尔后， AD 采集的数应该乘以系数与实际电路中的值应该相等。4.用 PI 进行闭环调节。给它一个输入，能否得到相应的输出。实际调试中遇到的问题以及解决方案：1.没出现 SPWM 波，受实验条件限制，实验器材中接线时用的PWM4，PWM5，PWM6，而实验程序中用的是 PWM1，PWM2 ，PWM3 ，没有对应起来，故初，没出现 SPWM 波。2.在检测 SPWM 过程中，从示波器观察到死去没有消除，正好相反，将死区上升沿触发改为下降沿触发后，除掉了死去。3.在采集实际电路的电压时，采集来的数不对，没进入 AD 中端服务
26、函数，将 A/D 的时钟频率分频后，检测到 A/D 采集的数乘以系数后正确，因为经过霍尔后大电压变成了小电压，所以需要乘以变比。4.在进行闭环调节过程中，发现我的 PI 调节不起作用，将 PI 调节的那段程序放在 AD 采集循环里面，这样就是完成一次 A/D 采集后，就进行一次 PI 调节，原先放在外面是没采集一次就进行一次 PI 调节。5.最后是进行 PI 调节中 KP 和 KI 的系数，先是将 KP 和 KI 都是 0 逐渐增加 KP,在示波器窗口观察波形，给的输出是否能与示波器上的一样。这调了很长时间。最后调节 m=0.81,KP=0.005, KI=0.0005.最后得到的输出波的有效
27、值为 19.8V，接近 20v，不断增大输出电压，当电压达到 100V 左右的时候也能稳定。8、学习体会此次 3 周的综合课设就快结束了，我也慢慢理解了有关电子设计大赛的一整个流程，这也是大学 3 年来，我们知识的综合运用，涉及很多方面，模电，数电，电路，自控，电力电子，DSP 等综合运用，我明白了以后要干的是什么工作，说实话，我很喜欢这个专业，从刚开始一无了解，到现在基本上全面了解，这次 3 周的课设，不仅使我进一步学习到了电力电子与 DSP 有关的知识，而且磨练了我的意志，特别是 PI 调节，投入了很多时间，但是效果并不是很好，但最终还是比较满意。这次调试过程中遇到了很多很多问题（如上调试过程中的问题），一步步分析，一步步思考，不明白，问同学，问老师，我认为这次课设使我的解决问题和分析问题的能力提高了，我相信，在我以后的学习生活中，这一过程将起到不可磨灭的作用，这次课设将成为我生命中不可缺少的部分。检测调理电路protecl图
