PWM发生器设计.

PWM发生器设计姓名：专业：控制工程指导老师：2012.11.03主要内容一、项目简介二、项目原理三、实践环境四、项目方案五、项目实施过程六、结论一、项目简介什么是PWM?脉冲宽度调制(PWM)，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉宽调制PWM控制技术在逆变电路中有着非常差广泛地应用，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展的比较成熟，从而确定了它在电力电子技术中的重要地位。PWM波的应用二、PWM基本原理面积等效原理我们可以用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而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（冲量）相等，就得到一组脉冲序列。这就是PWM波形。二、国内外研究现状1、国外研究现状20世纪30年代，就有人开始研究用电子换向来代替机械换向器，并取得了一定成果。但由于当时电力器件制造水平的限制，没有得到推广应用。1955年，美国人D.Harrison等首次申请了应用晶体管换相线路代替有刷直流电动机机械换向装置的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。20世纪70年代以后，电力电子技术蓬勃发展，使得无刷直流电机的驱动控制电路的可靠性和稳定性得到极大提高，此时使用的电力电子器件主要是晶闸管。80年代中期以后，第二代电力电子器件GTR(GiantTransistor)、GTO(GateTurnOffthyristor)等相继出现并应用于逆变器，大大提高了其性能。90年代，功率MOSFET、IGBT等电压全控器件为代表的发展阶段，可直接用集成电路进行驱动，高频特性更好，在此阶段器件制造技术进入了和微电子技术相结合的初级阶段。90年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代，已经实用化的主要有：高压IGBT器件、IGCT(InsulatedGateControlledTransistor)、IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor）和SGCT（SymmetricalGateCommutatedThyristor）。第四代电力电子器件模块化更为成熟，为逆变器实现智能化、高频化、小型化等创造了条件。2、国内研究现状国内电动自行车所采用的控制器电路原理基本相同或接近。有刷和无刷直流电机大都采用脉宽调制的PWM控制方法调速，只是选用驱动电路、集成电路、开关电路功率晶体管和某些相关功能上的差别。元器件和电路上的差异，构成了控制器性能上的不大相同。我国在中小功率无刷直流电机方面已从研究阶段步入生产阶段。但是我国在大功率无刷直流电机方面的研究尚处在起步阶段，据资料显示我国目前自行设计的用于驱动系统的无刷直流电动机最大功率为200kW，与国外技术尚有较大差距。三、预期目标1、大功率控制器下各个功能的完善和实现，主要包括：自动巡航、刹车断电、电子制动、电子防盗、三档位选择、过流保护、峰值保护、限流保护。2、对PID控制算法以及改进型的智能PID算法进行对比研究，得到一种适用于大功率电机控制的算法。3、在国内外期刊上发表一篇研究论文。四、研究的主要内容1、无刷直流电机的结构、工作原理本课题采用有位置传感器的无刷直流电机作为样机，在电机的内部安装有霍尔位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置变换，转子位置传感器与电子换向线路替代了有刷直流电动机的机械换向装置。图1无刷直流电机结构图当无刷直流电机的定子绕组的某一相通以电流时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置信息变换成电信号，去控制功率驱动电路，从而使各相定子绕组按照一定的次序导通。驱动电路中的功率开关器件的导通次序是与转子转角同步的，从而起到了机械换向器的换向作用。直流无刷电动机的电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的逻辑顺序和先后时间，主要由功率电子器件的逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。图2直流无刷电机组成原理图三相星形结构的无刷电机采用两相导通六状态控制方式，在运行时只有两相绕组导通，第三相绕组处于悬空状态。三相逆变电路高压侧与低压侧都只有1个功率开关器件导通，也就是其中一相的2个功率开关器件始终处于关断状态。图3无刷直流电机工作原理和控制方案2、主要硬件电路（1）驱动电路本课题采用三相桥式逆变驱动电路，驱动直流无刷电机就是合理驱动各桥臂功率管的开断，使其按次序导通，从而使电机运转。（2）温度控制模块温度控制是电机控制器的一个最主要的环节之一。由于电机控制器要求防水防湿，所以控制器必须密封，而大功率电机通过的电流很高。功率管散热必须良好，否则会引起爆裂，温度控制就是防止电机在特殊环境下发热量过大，对控制器造成损害。（3）电流采样和峰值保护电路对于我们研究的直流无刷电机，在启动过程中、电机突然堵转或者过载的情况下，控制器的电流会在很短的时间内很快的增大，如果不采取相应的措施，巨大的电流会很快的把功率管烧毁。在这种情况下，必须立即减小PWM输出脉宽，以保护元器件和避免意外情况的发生。因此，当回路中出现大的电流冲击时，希望控制器能迅速作出响应。所以准确快速的电流检测是实现直流无刷电机闭环控制的一个重要环节。3．控制算法（1）、PID控制算法式中：e(t)=r(t)-y(t)，Kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。PID控制器各个参数对系统性能有不同的影响。（1）比例作用对系统性能的影响就是对偏差进行控制，偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化。(2)积分作用对控制性能的影响实质上就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不仅与偏差大小有关，而且还与偏差持续的时间有关。（3）微分作用对控制性能的影响它能敏感出误差的变化趋势,可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用,有利于提高输出响应的快速性,减小被控量的超调和增加系统的稳定性。PID控制由于其简单、稳定性能好、可靠性高等优点，具有强大的生命力。然而在实际的工业过程控制中，经常会碰到大滞后、时变、非线性的复杂系统。（2）、常规PID控制算法的缺陷（3）、神经网络模糊PID控制神经网络是从生理结构上模仿人脑神经元的功能，可作为一般的函数估计器，能映射输入输出关系；神经网络具有自学习能力和大规模并行处理能力，在认知处理上比较擅长。而模糊逻辑则是模仿人脑的的逻辑思维机理，用于处理模型未知或不精确的控制问题；模糊控制系统能充分利用学科领域的知识，能以较少的规则数来表达知识，在技能处理上比较擅长。因此，神经网络和模糊逻辑各有特长，存在着互补性。将两者有机的结合，融合各自的优点，将可得到性能更好的控制器。PID控制器模糊化NN学习算法被控对象YUerkpkdki+-（4）、蚁群神经网络算法电动车用直流电机控制器系统在电动车起动过程中具有非线性、快时变的特点，常规的比例−积分−微分控制方法很难满足系统非线性、参数摄动的要求，即使采用了前向神经网络算法进行整定，也由于结构复杂，训练速度慢等原因而很难满足实时控制的要求。于是提出了采用蚁群神经网络整定控制策略，用蚁群算法学习多层前馈神经网络的权系，建立了基于该算法的神经网络训练模型，因而兼有了神经网络的广泛映射能力和蚁群算法的快速全局收敛以及启发式学习等特点，该控制策略可以补偿系统参数摄动、非线性和外界扰动对系统控制性能的影响，达到电动车平稳快速起动的目的。五、研究方案1．系统整体框图（1）把手控制电动自行车的行驶速度。（2）给出刹车信号后自行车减速。（3）其他信号（包括速度档位的选择等）（4）反馈信号电源计算机核心控制系统驱动电路电机转把信号刹车信号其他信号反馈信号2、核心控制器的选择目前，市场上有很多无刷电机专用控制芯片，大部分电动车生产厂商采用Motorola公司的MC33035无刷电机专用控制芯片，它具有无刷直流电机控制系统所需要的基本功能。但这类控制系统灵活性差，保护措施有限，升级空间小。由于整个系统存在模拟量和数字量的转换部分，因此选用的单片机应该有A／D转换模块。在无刷直流电机控制中，脉宽调制PWM技术广泛应用，因此所选单片机应具有PWM模块。E211实验室PSoC（ProgrammableSystemonChip）是美国赛普拉斯微系统有限公司推出的新一代功能强大的8位可配置的嵌入式单片机。PSoC与传统单片机的根本区别在于其内部集成了数字模块和模拟模块，用户可以根据不同设计要求调用不同的数字和模拟模块，完成芯片内部的功能设计。PSoC的另一个重要特性就是具有动态重新配置能力，调用已构建的模块，可以组合成需要的模拟的或数字的外围设备，即使是在系统运行时，也可以对其硬件进行升级。3．硬件部分（1）驱动部分功率半导体器件经过了40多年的发展，在器件制造技术上不断提高，现在的功率半导体器件大致有三类。二极管:开关状态由主电路（功率电路）自身控制，因此又称为被动开关、不可控开关。可控硅：又称为Thyristor(半导体闸流管)，能够被低功率的控制信号打开，但只能由主电路（功率电路）自身来关断而不能被控制信号关断，因此又被称为半可控开关。可控开关：开通与关断都能由低功率的控制信号实现。目前，商品化的半导体可控开关包括GTO、IGCT、BJT与GTR、IGBT、VMOS。根据表一的对比，选用电力MOSFET可以满足本课题的基本要求，所以驱动部分用电力MOSFET来搭建电路。表1功率半导体器件性能对比(2)温度保护模块方案温度控制部分是将热敏电阻紧贴在控制器底座的散热片上，从而可以更好且迅速的感应到控制器内部的温度变化，然后通过放大器进行控制。使电机工作始终保持在一定温度范围内。（3）电流采样电路设计方案本课题的方案是在主回路中串接小电阻，经过测量小电阻两端压降的方法检测电流值。由于电阻串接在回路中，将产生额外的功耗，因此电阻必须很小，且过电流能力要强，不能影响驱动电流的流动。所以在电阻两端产生的压降很小。这样看来，相对单片机采集的其他信号来说是一个非常微弱的信号，所以需要对小信号进行放大，通过外部运放放大后的电压信号送入单片机内部，与单片机内部的比较器进行比较，来执行相应的调整。4、软件方案利用常规PID算法和神经网络模糊PID算法对电流和速度进行双闭环控制。对这两种算法进行仿真对比，再应用到实际的电机控制器中。对比两种算法的优缺点，最终得出一种适用于大功率无刷直流电机控制的算法。六、拟解决的关键问题与创新点本课题拟解决的关键问题有：1、对PID控制算法以及各种改进型PID算法进行对比研究，得到一种最优的控制大功率电机平稳运转的算法。2、引入温度控制模块，使大功率电机的温度控制在一定范围内，防止电机在特殊情况下发热量过大，对控制器造成损害。本课题提出了采用蚁群神经网络整定控制策略，该控制策略可以补偿系统参数摄动、非线性和外界扰动对系统控制性能的影响，达到电动车平稳快速起动的目的。在电机起动后，采用神经网络模糊PID控制算法，使电机平稳的运转。创新点：七、研究计划进度1.第一阶段2012年3月到2012年5月2.第二阶段2012年6月到2012年9月3.第三阶段2012年10月到2013年3月4.第四阶段2013年4月到2013年5月原理电路设计、PCB版图绘制硬件电路制作与测试、软件编写与调试论文结束、答辩功能的实现，完成大论文写作各位老师、同学敬请提出宝贵意见！谢谢！！！