1、畢業設計（論文）開 題 報 告題目通用 PWM 波發生器的研制專業 電氣工程及其自動化班級學生指導教師2014年一、畢業設計 (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制 PWM是開關型穩壓電源中的術語。 這是按穩壓的控制方式分類的，除了 PWM型，還有 PFM型和 PWM、PFM混合型。脈寬寬度調制式（ PWM）開關型穩壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調整其占空比，從而達到穩定輸出電壓的目的。脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調制晶體管基極或 MOS 管柵極的偏置，來實現晶體管或 MOS 管導通時間的改變，

2、從而實現開關穩壓電源輸出的改變。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字信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。在模擬電路中，模擬信號的值可以連續進行變化，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行控制對象，例如家用電器設備中的音量開關控制、采用鹵素燈泡燈具的亮度控制等等。但模擬電路有諸多的問題：例如控制信號容易隨時間漂移，難以調節；功耗大；會產生一些不必要的熱損耗；易受噪聲和環境干擾等等。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備 ) 和昂貴

3、。與模擬電路不同，數字電路是在預先確定的范圍內取值，在任何時刻，其輸出只可能為 ON和 OFF兩種狀態，所以電壓或電流會通 / 斷方式的重復脈沖序列加載到模擬負載。 PWM技術是一種對模擬信號電平的數字編碼方法，通過使用高分辨率計數器（調制頻率）調制方波的占空比，從而實現對一個模擬信號的電平進行編碼。其最大的優點是從處理器到被控對象之間的所有信號都是數字形式的，無需再進行數模轉換過程；而且對噪聲的抗干擾能力也大大增強（噪聲只有在強到足以將邏輯值改變時，也可能對數字信號產生實質的影響） ，避免了以上的缺陷， 實現了用數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、行業得到大量應用的主要原因。 PWM 的一個優點是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變為邏輯 0或將邏輯 0改變為邏輯 1時，也才能對數字信號產生影響。對噪聲抵抗能力的增強是 PWM 相對于模擬控制的另外一個優點，而且這也是在某些時候將 PWM 用于通信的主要原因。從模擬信號轉向 PWM 可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當的 RC 或 LC 網絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 PWM對調速系統來說，有如下優點 : 系統的響應速度和穩定精度等指標比較好 ; 電樞電流 的脈動 量小，容

5、易連續，而且可以不必外加濾波 電抗 也可以平穩工作 ; 系統的 調速范圍 寬; 使用元件少、線路簡單。 PWM控制技術一直是變頻技術的核心技術之一 , 從最初采用模擬電路完成三角調制波和參考正弦波比較， 產生正弦脈寬調制 SPWM信號以控制功率器件的開關開始， 到目前采用全數字化方案， 完成優化的實時在線的 PWM 信號輸出，可以說直到目前為止， PWM在各種應用場合仍占主導地位 , 并一直是人們研究的熱點。脈沖寬度調制廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中，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能減排具有積極意義。總之， PWM 既經濟、節約空間、抗

6、噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設計應用中使用的有效技術。所以通用 PWM 波發生器的研制意義重大。三、本課題在國內外的研究狀況及發展PWM 控制技術的發展主要包括脈沖觸發電路的發展和脈沖觸發電路算法的發展兩大方面。1.脈沖觸發電路的發展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了無線電技術的發展； 1918 年前后，逐步發現了半導體材料；1920 年，發現半導體材料所具有的光敏特性；1932 年前后，運用量子學說建立了能帶理論研究半導體現象； 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生電流傳導，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、發熱厲害、壽命短、電源利用效率低、結構脆弱而且需要高壓電源的缺點，很快就不適合發展的需求，被淘汰的命運就沒躲過。晶體管，是一種固體半導體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調制和許多其它功能。 類似的應用還包括高壓直流輸出, 靜止式無功功率動態補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變 , 但工作頻率較低 , 僅局限在中低頻范圍內。晶體管很快就成為計算機“理想的神經細胞” ，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的發展，晶體管也越來越不適合科技的發展。這時的電力電

8、子技術已經能夠實現整流和逆變 , 但工作頻率較低 , 僅局限在中低頻范圍內。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電路體積龐大，線路復雜，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遠優于晶體管元件組成的電路，目前為止已廣泛應用于電子設備、儀器儀表及電視機、錄像機等電子設備中。 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的大規模集成電路。 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，標志著進入超大規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的發展如虎添翼，發展速度讓人驚嘆。 2009 年： intel 酷睿 i 系列全新推出，創紀錄采用了領先的 32納米工藝，并且下一代 22 納米工藝正在研發。 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，使集成電路發揮了它更大的功能，更好的服務于社會。進入八十年代

10、 , 大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展 , 為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合 , 出現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。 MOSFET和 IGBT的相繼問世 , 是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計 , 到 1995 年底 , 功率 M0SFET和 GTR 在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步 , 而用 IGBT 代替 GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率 ,使其性能更加完善可靠 , 而且使現代電

11、子技術不斷向高頻化發展 , 為用電設備的高效節材節能 , 實現小型輕量化 , 機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。集成化的越來越好的發展，使這些新型電力電子器件出現，正是有這些硬件上的支持， PWM技術才得以產生。2.脈沖觸發電路算法的發展經典的脈沖觸發電路如下圖示：通電后 IC 的 7 腳由電阻分壓產生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，當高于 7 腳的電位時 (8.25V) ，比較器突然翻轉， 1 腳輸出低電位，同樣正反饋的作用使得

12、該過程更強烈，此時電容通過 R4和二極管 D1向 LM339的 1 腳放電。當電容上的電壓低于 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，重復前面的過程，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，又和控制電壓進行比較，當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。穩壓二極管在這里起削波的作用，實現脈出的整形。這個電路設計的非常經典，是非常好的脈寬調制電路。2.1 均

13、值 PWM 波脈寬調制技術設法控制感應電動機電壓中的諧波成分，就能改變感應電動機的運行特性，而消除逆變器輸出電壓中的3、5、7 次等有害諧波分量，可是感應電動機獲得良好的運行特性。為此，根據等面積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，并定義這一調制方法為均值 PWM 法。均只能 PWM 法與消除諧波最優的PWM 法相比有如下特點：(1)抑制諧波方面，最優 PWM 法挑選需要抑制的那些諧波進行抑制， 均值 PWM 法對各次諧波的抑制均有很好的效果，而最優 PWM 法則不行。(2)用微機實現的均值PWM 方法比實現最優PWM 法簡單、方便。(3)均值

14、PWM 法的基波電壓控制比最優PWM 法的基波電壓控制簡單，有利于用微機實現和編程。經推到得到以下公式：PWM 波脈寬參數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，N 為載波倍數，i 為-N 到 N，載波頻率，2.2 次最優 PWM 波微機越來越多的應用在需要調速驅動的工業領域中，在許多場合中不僅要求嚴格的實現實時控制，而且要求盡量利用微機的軟件功能，降低成本，提高系統可靠性及控制的靈活性，以便更方便的改善系統控制性能，以適應不同的控制場合和控制要求。因此，要求推出既簡單、又有效地利用微機軟件

15、實時在線產生控制 PWM 波形的各種開關方案。盡管最優 PWM 調制方案能優化某些性能指標，特別是在低頻比（低 PWM 脈沖數）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 最優開關角呈線性關系，缺乏確定的調制過程， 要用微機實時在線產生最優 PWM 波的開關方案，目前還比較困難。因為這不僅需要大量的脫機離線計算而且需占用大量的存儲單元以存儲優化結果，同時由于每個調制周期內設置的開關次數不能太高，否則不僅需設置很復雜的控制軟件，而且控制軟件的靈活性和適應性都較差。然而最優法的優缺點卻給人們展示了一種研究解決問題的方式和方法：即可否采用載波調制方法，

16、合理選擇調制波形或載波波形，達到既有確定的、易與用微機實現的調制過程，又能體現最優調制方式的特點，揚長避短，推出新的波控制方案的可能性。用對一個正弦調制波采樣的方法產生最優波形時，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，但用微機軟件實現卻非常復雜，如果在確定的線性調制過程基礎上，則有可能選擇適合的調制波形，近似的實現最優開關方案。在此基礎上，提出了一種基于諧波電流最小化的次最優開關方案并用微機實現。次最優方法是一種載波調制方法。它既可用模擬方法也可用數字方法加以實現，若用微機實現，即可充分利用微機的計算能力，又能體現次最優法易于實現實時在線計算和產生較好的波形（諧波電流失真

17、率小）的特點。同時采用微機實現計算脈寬，經定時后轉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時所需的復雜的三角形載波和調制波信號發生器，又能大大的簡化硬件系統的結構。根據規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 。2.3（直接 PWM ）波目前由微機產生波控制的逆變器實施對異步電機進行調速的方法有查表法、混合法和實時計算法。查表法未能充分利用微機的計算功能，且存儲開關角占用大量的內存，頻率分辨率受

18、到存儲空間的限制，導致了調速精度的降低，最優脈寬調制法一般采用查表法來實現。混合法是采用查表法與實時計算法相結合，微機只需做簡單的運算便可求出 PWM 波的開關點，盡管它占用內存容量較少，但仍未能較好地解決提高調速精度的關鍵問題。為了實時計算 PWM 波的開關點，實時計算法可采用提高微機運算速度和在算法上減少微機的實時計算量的方法加以改進。實踐證明：最有效的方法是通過改進調制技術及算法，尋求最優化的目標函數的簡化，來買組系統有較高的調速精度和良好的動態響應的要求。2.4 改進型等面積PWM 控制等面積 PWM 算法將查表法和計算法有機的結合在一起， 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 PWM 波的面積與參考正弦波的面積相等。2.5 周期補償無差拍PWM 控制無差拍控制十一危機為基礎的PWM 控制算法。它是根據含濾波器的逆變系統的狀態方程和輸出反饋信號推算出下一個采樣周期的開關時間的。要求系統中微機的運算速度很高才能實現。2.6 狀態觀測器無差拍PWM 控制以現代控制理論為基礎的觀測器法常被用來控制各種變流系統的逆變器。這是一種采用“電子觀測器”來預測系統的未來狀況，再用相應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時，從而可相應的提高系統的采樣頻率和逆變器的開關頻率與效率，因此，可以提高系統的控制質量。

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

21、1）完成基于 XC866 的 PWM 波發生器實驗裝置和試驗程序。能夠通過鍵盤實現 PWM波的脈寬、頻率和死區時間調節。其占空比范圍0-1，頻率為100HZ-10KHZ ，具有死區時間。2）翻譯不少于3000 英文單詞的英文參考資料。3）撰寫論文，要求格式規范，無錯別字，條理清楚，敘述正確，并包含相應的程序流程和程序代碼以及參考文獻。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.通過設計 PWM 波發生器實驗電路，最后拿到板子后通過焊接得到需要的硬件設備。2.在 KEIL 中編寫能實現目的的程序。3.給板子燒程序后在示波器上觀察出現的圖

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